CN101470031A - 智能热水水表的热量计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能热水水表的热量计量方法及装置，在智能热水水表基表铜壳上温度变化敏感的位置安装数字式半导体测温元件，热水水表每发生0.5升的流量变化，控制器就发出指令给测温元件，测温元件接受指令后迅速感应此刻流经热水水表的热水温度，并转换成相应的数字信号，传送至控制器，当水温大于设定水温时，控制器累计总用热水量，并计算热水每发生一升流量变化时的热量，再通过累计得到总的使用热量。并采用一定的补偿方法来对用户的用热情况进行计量，从而实现用智能热水水表实现流量和热量计量的双重功效。

Description

智能热水水表的热量计量方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种智能热水水表对用户用热水进行热量计量的方法，还涉及一种该智能热水水表进行热量计量的装置。

背景技术：

目前，公知的智能热水水表只能对所流经的热水进行流量计量，而不提供热量计量的功能。而现有的的热量表是采用价格昂贵的铂热电阻测温元件作为温度传感器。成对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上(流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同)。流量计发出与流量成正比的脉冲信号，温度传感器给出表示温差的模拟信号，热量表采集来自这三路传感器采集的信号，热量表的控制器再利用积算公式算出热交换系统获得的热量。仅适用于热交换环路中，测量载热液体所吸收或转换的热能，即测量供热系统的供热量和供冷系统的吸热量。

但是，随着科技的发展和人们生活水平的提高，涌现出了多样性的热水供应方式，采用普通热水水表依据流量对不同用户进行统一收费会导致用户节能意识差，造成资源的浪费。而且往往容易产生纠纷，这是因为不同的用户所用的热水温度不同，而且同一用户在不同时段所用的热水的温度也不相同。这样单纯计量用户所用热水的总量也存在不公平性，不利于引导用户对热水能源的有效利用。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中热水收费存在的不公平性问题，提供一种智能热水水表的热量计量方法及装置，在普通智能热水水表的基础上增加采用数字式半导体测温元件和相应的功能电路，可对流经热水水表的热水同时进行热量计量，使用水管理部门可以凭籍用户总用水量、总用热水量、总用热量三种量来分别对设定温度以下的水按冷水收费，对设定温度以上的水按热水收取费用，热水收费时综合参考总用热水量和总用热量。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种智能热水水表的热量计量方法，在智能热水水表基表铜壳上温度变化敏感的位置安装数字式半导体测温元件，热水水表每发生0.5升的流量变化，控制器就发出指令给测温元件，测温元件接受指令后迅速感应此刻流经热水水表的热水温度，并转换成相应的数字信号，传送至控制器，当水温大于设定水温时，控制器累计总用热水量，并计算热水每发生一升流量变化时的热量，再通过累计得到总的使用热量。

一种实现上述智能热水水表的热量计量方法采用的装置，包括控制器、水量发讯装置、阀门及液晶显示器，其特点是：在智能热水水表基表铜壳上温度变化敏感的位置安装有数字式半导体测温元件，控制器的输入端与水量发讯装置相连，控制器的输出输入端与数字式半导体测温元件相连，控制器的输出端还与阀门、液晶显示器相连。

上述数字式半导体测温元件为数字式温度传感器。

根据安装热水水表的实际情况，可能存在管道滞留、热水温度较低、水质差异、传感器滞后等影响因素，本发明提供对应的补偿方法避免以上因素的影响。

首先，根据安装水表的实际情况，可以设定一定量的忽略热量计算体积。用户用水时，根据流量和时间判定用户是否使用管道内滞留水，当判定为滞留水时，水表将自动对设定的相应水量不进行热量累计。

其次，采用不同焓值的平均值。每升水的焓值随温度、水质不同而不一致，在大部分情况下，热水温度要小于70℃。热量累计中所取每0.5升水每度的焓值选用方法为：在P＝0.6000MPa，温度为1℃—150℃，水的密度和焓值表中选取5个点(20℃、30℃、40℃、50℃、60℃)，加权系数全部为1的情况下求出平均焓值h等于0.00057806kwh/500mL℃。

传感器滞后：根据经验，设定补偿温度。计算时，选取较小的补偿值，控制补偿超出。

热水温度较低：水表可以由管理部门设定热量测量起始温度，只有当热水温度大于设定温度时，水表才开始进行热量累计。设定温度分为冬季温度(1、2、3、4、10、11、12月)和夏季温度(5、6、7、8、9月)，具体温度由用户设定。当热水温度超过40℃时，水表自动累计高品质热水热量。根据中华人民共和国城镇建设行业标准CJ 128—2000基本公式：

$Q={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_0}^{{\mathrm{\τ}}_1}{q}^m\mathrm{\Δhd\τ}={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_0}^{{\mathrm{\τ}}_1}{\mathrm{\ρq}}_v\mathrm{\Δhd\τ}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

Q---释放或吸收的热量(J)

q_m---流经热量表的水的质量流量(kg/h)

q_v---流经热量表的体积的水的体积流量(m³/h)

ρ---流经热量表的水的密度

h---在热交换系统的入口和出口温度下，水的焓值差

τ---时间(h)

依据公式1，并结合实际需求得出本智能热水水表热量计算基本公式：

$Q={\∫}_{q_0}^{q_1}(t2+t1)\mathrm{hdq}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

式中：

Q——释放或吸收的热量(Wh)；

q——流经热水表的水的流量(L)；

t2——当前水温减设定水温，为负时取零(℃)；

t1——前半升水温减设定水温，为负时取零(℃)；

h——平均每0.5升水每度的焓值差(kwh/500mL℃)；

如此，在普通智能热水水表的基础上增加与控制器相连的采用数字式半导体测温元件的温度传感器和相应的功能电路，对流经热水水表的热水进行热量计量，结合了普通热水水表和热量表的功能，侧重以低成本提供一种具热量计量功能的智能热水水表，使用水管理部门可以凭籍用户总用水量、总用热水量，总用热量三种量来收取费用。这样，付出与普通热水表几乎同样的成本却能拥有普通热水表加普通热量表的功能，可以为用户节约一笔不少的开支。通过本发明，可以对所用热水和热量进行精确计量，达到合理收费的目的，同时兼顾了热水管理者和使用者的利益，有利于激发人们对热水能源的合理有效利用，可广泛适用于各种机关、企事业单位和物业管理小区。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1是本发明实施例的原理框图。

图2是本发明实施例的控制器的电路图。

图3是本发明的热量计量的程序流程图。图中的变量说明：

T1：前半升水温    T2：当前水温       T0：设定水温

t1＝T1-T0         t2＝T2-T0          T＝t1+t2

h：每半升水的平均焓值 Q＝累计热量    Q₀＝当前热量

具体实施方式：

如图1所示，本发明的智能热水水表的热量计量装置，包括控制器1、温度传感器2、阀门3、水量发讯装置4、及液晶显示器5，控制器1的输入端与水量发讯装置4相连，控制器1的输出输入端与温度传感器2相连，控制器1的输出端分别与阀门3及液晶显示器5相连。

装在热水水表基表上的含双流量测量元件(在本实施例中采用霍尔传感器)的水量发讯装置4将流经热水水表的水量转换为脉冲信号传送至控制器1的脉冲计量电路，控制器1积算用户的用水量，温度传感器安装在热水水表基表铜壳上的温度敏感位置，测量当前流经水表的热水水温。热水水表每发生0.5升的流量变化，控制器发出指令给温度传感器，温度传感器迅速感应此刻流经热水水表的热水温度，转换成相应的数字信号，传送至控制器的相应功能模块，结合图3所示，记录此刻的温度并和设定温度进行比较得出t2，前0.5升水的即时温度减设定水温T0得出t1。当水温大于设定水温时，控制器将此作为一个有效的热水信号，记录此刻的水温差值，对总热水量进行刷新，每过1升水，统计一次总热量值。也就是说每0.5升水，测一次温度，并和设定温度进行比较，如果大于设定温度，总热水量加0.5升，但不累计热量，要1升水才对总热量进行累计。每升水的热量值由公式Q＝h*(t1+t2)算出。通过实时累加每升水的热量，可以得到总的使用热量。并通过控制器的液晶显示器5可显示剩余水量、当前用水量、总用水量、总用热水量、当前用水温度、用热量和水表状态等信息，当剩余水量不足或检测到异常信号时，控制器1控制阀门3关闭，进入保护状态，直至再次充值或异常解除。

具体计量实例如下：

例1、设定温度T0等于15度，第一个脉冲测量水温T1等于10度，第二个脉冲测量水温T2等于15度，剩余水量减一升，总用水量加1升，总用热水量不变，总用热量不变。

例2、设定温度T0等于15度，第一个脉冲测量水温T1等于15度，第二个脉冲测量水温T2等于25度，剩余水量减一升，总用水量加1升，总用热水量加0.5升，总用热量加(25-15)*0.00057806kwh，即加0.0057kwh。

例3、设定温度T0等于15度，第一个脉冲测量水温T1等于55度，第二个脉冲测量水温T2等于75度，剩余水量减一升，总用水量加1升，总用热水量加1升，总用热量加(55-15+75-15)*0.00057806kwh，即加0.0578kwh。

参见图2所示，上述控制器具有一微处理器(CPU)U1，该CPU的输入端通过引脚P1.2、P1.4与水量发讯装置4的输出端相连；该CPU的输出入端通过串行通讯引脚P6.3、P6.4与温度传感器2相连；该CPU的输出端通过引脚P2.3、P2.2与电机相连，以此来控制阀门的开闭；该CPU的输出端还与液晶显示器相连。

继续参见图2的控制器电路图，包括以稳压芯片U3为核心的电源电路、以Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10为核心的阀门驱动电路、阀门到位检测电路、振铃电路、IC卡接口电路S3、液晶显示器LCD1、电池电压检测电路、非易失性存储器U2、微处理器U1、脉冲计量电路S1、温度检测电路S4、JTAG编程口。

其中：

电源电路：包括3.6V电源、2个法拉电容(C11、C10)、稳压芯片ELM9830AA(U3)、一个三级管(Q4)、4个贴片电容(C7、C12、C13)、一个电解电容(C9)。主要是进行电压转换，得到稳定的3V的直流电压VCC和VDD提供给mcu和读写卡电路。通过控制CPU引脚P6.7输出高低电平，可关闭或打开读写卡供电电源VDD。

阀门驱动电路：包括4个NPN的三极管(Q5、Q6、Q9、Q10)、2个PNP的三极管(Q7、Q8)、7个电阻(R10、R11、R21、R23、R24、R25、R26)、一个贴片电容(C8)、一个2pin的输出端(J1)。CPU通过引脚P2.3、P2.2和阀门驱动电路中的控制输入端(Ctrl_Motor_Open和Ctrl_Motor_Close)连接。CPU通过控制引脚P2.3，P2.2的输出电平变化来控制2Pin输出端J1的1脚和2脚的输出电平。从而控制与J1连接的外部电机的正反转，以此来带动开关阀门。P2.3输出为高，可控制J1的1脚输出为高，J1的2脚输出为低。P2.2输出为高，可控制J1的2脚输出为高，J1的1脚输出为低。

阀门到位检测电路：包括2个电阻(R16、R17)、一个3PIN的输出口J2、3个标号分别为MOTOR_0(P2.1)、MOTOR_C(P1.5)、EN_MOTOR(P2.5)的CPU引脚与阀门到位检测电路中的电气线MOTOR_0、MOTOR_C、EN_MOTOR一一相连。通过和J2相连的的2个外部阀门到位开关和这个阀门到位检测电路检测阀门的开关状态。如果，P2.5输出高电平，P2.1如果检测到低电平，就认为开到位了，停止阀门开的动作。P1.5如果检测到低电平，就认为关到位了，停止阀门关的动作。

振铃电路：包括R14、R15、R19、Q3，发光二级管LED，振铃器(BELL)，CPU引脚P2.4(网络标号为Ctr_Buzzer)。CPU通过引脚P2.4与该振铃电路的控制端口Ctr_Buzzer连接，通过P2.4输出高低电平可控制LED灯闪烁和振铃。如果，P2.4输出高电平，LED灯亮，振铃；P2.4输出低电平，LED灯灭，不响铃。

IC卡接口电路S3：包括S3和与S3相连接的电阻电容。CPU引脚P1.0(网络标号为IC_SW_P21)，P1.1(网络标号为IC_CLK_P11)，P6.5(网络标号为IC_SDA_P60)，P6.7(网络标号为IC_RST_P63)与IC卡接口电路S3中具有相同网络标号的电气节点相连接。主要功能是读写卡片。

电池电压检测电路：包括R2、R4、R5，CPU通过引脚P1.7、P1.6与其连接，CPU引脚P1.7，P1.6内部各连接了一个模拟电压比较器，当检测到设定的内部电压比外部电压(P1.7，P1.6引脚上的电压)大时，判定为电池欠压，通过LCD显示。其中P1.7检测到的是欠压报警电压(电压小于3.1V)。P1.6检测到的是禁止阀门动作电压(电压低于2.2V)。

JTAG编程口：包括S2和S2所连的CPU引脚(P1.1、P1.0、TDI、TDO、TMS、TCL、RST/NMI、VCC)。

温度检测电路S4：包括S4和与S4相连的CPU引脚P6.1(网络标号为TEMP_VDD)、P6.3(网络标号为SDA1)、P6.4(网络标号为SCL1)，和温度检测芯片(电路中未画出)。温度检测芯片通过S4与电路相连。

CPU和温度检测芯片通过串行方式进行通讯。TEMP_VDD，GND分别做温度检测芯片的电源和地线。SCL1是CPU的时钟输出线，SDA是CPU和温度检测芯片通讯的数据线。在智能热水水表基表铜壳温度变化敏感的位置安装数字式半导体测温元件，热水水表每检测到0.5升的流量变化，CPU通过串行通讯引脚SCL1，S A1发出指令给温度传感器，温度传感器迅速感应此刻流经热水水表的热水温度，转换成相应的数字信号，传送给CPU，CPU记录此刻的温度。通过LCD显示

脉冲计量电路S1：包括两个电阻(R1、R9)、三个电容(C1、C2、C14)。CPU引脚P6.2(标号为WATER_VDD)、P1.4(标号为measure_Pulse1)、P1.2(标号为verify_Pulse2)、P2.0(标号为EN_V)、P6.0(标号为EN_M)与脉冲计量电路S1中具有相同网络标号的节点相连。脉冲计量电路S1再和外部的两个霍尔传感器(为水量发讯装置结构中的部分)相连。P6.2是霍尔元器件的供电端口，平时输出高点平。P6.0，P2.0是水量脉冲检测使能端口。输出高电平时，开水量脉冲检测使能。CPU引脚P1.4、P1.2是水量脉冲检测端口，每检测到一个大于250MS脉宽的负有效脉冲，计为0.5L水。

Claims (6)

1、一种智能热水水表的热量计量方法，其特征在于：在智能热水水表基表铜壳上温度变化敏感的位置安装数字式半导体测温元件，热水水表每发生0.5升的流量变化，控制器就发出指令给测温元件，测温元件接受指令后迅速感应此刻流经热水水表的热水温度，并转换成相应的数字信号，传送至控制器，当水温大于设定水温时，控制器累计总用热水量，并计算热水每发生一升流量变化时的热量，再通过累计得到总的使用热量。

2、如权利要求1所述的智能热水水表的热量计量方法，其特征在于：所述数字式半导体测温元件为数字式温度传感器(2)。

3、如权利要求1或2或所述的智能热水水表的热量计量方法，其特征在于：所述热量计量方法采用设定管道滞留水、不同焓值的平均值、设定温度的补偿方法。

4、一种实现权利要求1所述方法采用的装置，包括控制器(1)、水量发讯装置(4)、阀门(3)及液晶显示器(5)，其特征在于：在智能热水水表基表铜壳上温度变化敏感的位置安装有数字式半导体测温元件，控制器(1)的输入端与水量发讯装置(4)相连，控制器(1)的输出输入端与数字式半导体测温元件相连，控制器(1)的输出端还与阀门(3)、液晶显示器(5)相连。

5、如权利要求4所述的智能热水水表的热量计量装置，其特征在于：所述控制器具有一CPU，该CPU的输入端通过引脚P1.2、P1.4与水量发讯装置4相连；该CPU通过串行通讯引脚P6.3、P6.4与数字式半导体测温元件相连；该CPU的输出端通过引脚P2.3、P2.2与电机相连，以此来控制阀门的开闭；该CPU的输出端还与液晶显示器相连，上述各用电元件的工作电源由电源电路提供。

6、如权利要求4或5所述的智能热水水表的热量计量装置，其特征在于：所述数字式半导体测温元件为数字式温度传感器(2)。

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