CN102840932B - 一种无源热量计量装置及利用其工作的热量计量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种无源热量计量装置及利用其工作的热量计量系统，本发明的热量计量装置包括温差供电系统、反射型超声波流量计、温度传感器、通信接口、ZigBee控制器、LCD液晶显示器。本装置利用集中供暖和供冷系统的特点，通过温差发电模块实现自主供电。无需进行电源的定时更换，节能环保。利用其工作的热量计量系统利用两个相同的本发明的计量装置配合工作，两装置运行于低功耗模式，定时更换主从节点工作模式。在供暖和供冷情况下系统选择不同的计量程序，以配合供电系统不同的供电能力，可同时适用于制冷和采暖系统的热量计量。
Description
涉及领域
本发明涉及一种无源热量计量装置及利用其工作的无源热量计量系统，应用于热量计量领域。
背景技术
随着生活水平和建筑物业及管理水平的提高，黄河以北地区冬季供暖，中部地区的冬季供暖、夏季供冷和南方地区的供冷系统都开始采用集中供给方式，热能量也开始像水、电、燃气一样成为日常的消费品被使用，热能计量原理是通过测量用户管路的流量和供、回水温差来计算给出系统向用户供给的热量或冷量。目前，通常的热能计量装置温度传感器选用铂热电阻，流量计量主要采用涡轮式结构，存在压力损失大，计量精度不高的问题。主体结构采用单通道式，一般只测量回水流量，无法实现进回水流量的检测，因而不能防止用户恶意盗用热水和改装行为。同一系统不能实现热、冷量计量的转换。采用电池供电存在需定时更换，维修量大等问题。
公布号CN101799335A的文件提供了一种基于Zigbee技术的无线热量计量装置，该装置通过反射型超声波流量计进行流量测量，温度传感器安装在流量计内部，温度、流量信号采用ZigBe无线传输技术，无外部连接导线，使温度和流量测量精度和可靠性大大提高。对进水、回水流量和温度和双向检测和比较，可有效防止用户恶意盗用热水和恶意改装电表行为。
发明内容
本发明的目的：由于集中供给方式中供暖和供冷系统是通过向用户管路提供与环境温度有一定差异的水流来实现热能量的交换。本发明利用集中供给方式中供暖和供冷系统的特点，对基于Zigbee技术的无线热量计量装置进行了改进，提供了一种无源的热量计量装置及利用其工作的热量计量系统。本装置通过温差发电模块实现自主供电，无需进行电源的定时更换，节能环保。利用本无源热量计量装置工作的计量系统运行于低功耗工作模式，通过定时更换主从节点工作模式，供暖和供冷情况下选择不同的计量程序，来配合供电系统不同的供电能力，可同时适用于制冷和采暖系统的热量计量，并保证系统长期可靠地工作。
本发明的技术方案：
本发明提供了一种无源的热量计量装置，包括供电系统，LCD液晶显示器，ZigBee控制器，通信接口，反射型超声波流量计，温度传感器。其中反射型超声波流量计包括两片超声波换能器，反射片和管道件。其特征在于：供电系统利用管路水流与环境温度的差异，通过温差发电来进行自主供电。
供电系统包括温差发电模块，整流电路，升压稳压电路和储能电路。温差发电模块的热端面和冷端面分别与供水管路的外侧面和外界环境接触，利用半导体温差发电模块两端的温度差进行发电，采用多个半导体温差发电模块串接成一组，多组并联后，通过整流电路进行整流，升压稳压电路和储能电路后向系统装置提供能保证其正常工作的稳定电压和电流。
管道件串接于管路中间，两片超声波换能器采用V字型反射型结构安装在管壁一侧，轴线与管体轴线夹角相同，反射片安装在管壁另一侧，两超声换能器的轴线交点落在反射片的中部。温度传感器与两片超声波换能器安装在同侧管壁，在两片超声波换能器的中间位置。ZigBee控制器置于壳体的上部。通信接口置于流量计的上方壳体的下部右半边。LCD液晶显示器置于壳体的顶部。
温差供电系统置于流量计的上方壳体左端下部所留的空位，并作防水处理。其中温差供电模块的热端面通过薄铜片与供暖管路的外端面相联，薄铜片的内端面为圆型贴敷在供暖管路的外端面，薄铜片的外端面做成平面与温差供电模块紧密接触。
本发明的另一目的是利用上述无源热量计量装置进行计量的热量计量系统，其特征在于：
本系统由两个相同的权利要求1所述的无源热能计量装置在计量时配套使用，系统在低功耗节电模式下工作，并且系统工作模式与系统的供电能力相配合。
ZigBee控制器采用等待中断唤醒模式进行工作。
温度传感器和超声波流量计，通过SPI串行总线接口与ZigBee控制器相连，工作在关断模式用于降低电源电流功耗。
LCD液晶显示器与ZigBee控制器相连获取和显示数据，在按键中断模式下工作。由于LCD液晶显示器是系统中功耗最大部分，而其对数据显示也只是系统的辅助功能，当有按键按下时还需进行供电检测，当供电电压达到一定值时才进行数据显示。以防止当系统供电不足时，LCD液晶显示器工作引起瞬间负载电流过大，使供电系统掉电严重而不能对系统进行正常供电。
两个无源热能计量装置中ZigBee控制器交替工作在主节点工作模式和从节点工作模式。系统通过改变两装置的工作模式可进行两计量装置的功耗互换，提高系统工作可靠性。
本系统通过软件判断系统的是处于供暖或者供冷的热量计量状态，通过不同的计量程序，来配合供电系统在供暖和供冷情况下不同的供电能力，可同时适用于制冷和采暖系统的热能计量。
本发明的有益效果：
本热能计量装置利用集中供给方式中供暖和供冷系统的特点，通过温差发电模块实现自主供电，无需进行电源的定时更换，并能保证装置长期工作，节能环保。
本系统运行于低功耗工作状态，并通过定时更换主从节点工作模式，在供暖和供冷情况下通过软件判断选择不同的计量程序，来配合供电系统在的供电能力，同时适用于制冷和采暖系统的热能计量。可使半导体温差发电系统能早日应用于我们的生活。
附图说明
图1为本系统热能计量装置实施例剖视图
图2为本系统热能计量系统实施例安装示意图
图3为本发明温差供电系统电路原理图
图4为本发明实施例系统工作流程图
具体实施方式
为了进一步说明本系统，请参考附图。
参见图1，本系统热能计量装置包括LCD液晶显示器1，ZigBee控制器2，通信接口3，反射型超声波流量计4，温度传感器5，和温差供电系统11。
其中反射型超声波流量计4包括两片超声波换能器6，反射片7和管道件9。
其中温差供电系统中的温差供电模块10的热端面通过薄铜片8与供暖管路的外端面相接触，薄铜片8的内端面为圆型贴敷在供暖管路的外端面，薄铜片8的外端面做成平面与温差供电模块10紧密接触。
本装置的反射型超声波流量计4串接于进水(或出水)管路中间，流量计采用V字型反射型结构；通信接口3置于流量计的上方壳体的下部右侧；ZigBee控制器2置于壳体的上部；温差供电系统11置于流量计的上方壳体通信接口3的左下方留有的空间，此处进行了防水处理；LCD液晶显示器1置于壳体的顶部，与下部壳体经铰链连接，可旋转转动。
反射型超声波流量计应用一对超声波换能器交替接收超声波，通过探测超声波在介质中的逆流和顺流传播时间差来间接测量流体的流速，进而计算流量的间接测量方法。温度传感器采用数字TC77从固态传感器获得温度并将其转换成数字数据。通信接口可与外部设备相连，对计量转置进行校验和功能扩展。
尺寸大小由所选择的流量计通水管直径尺寸决定。本例的外形尺寸180mm×65mm×50mm，正常流量为1.5m3/h。ZigBee控制器主控芯片采用TI公司的CC2431，运行ZigBee精简协议栈；数字温度传感器TC77的温度分辨率为0.0625℃；采用chipcon公司的2.4GHZ内置天线。
参见图2，两个同样的本发明的热量计量装置在计量时配套使用，一个接入进水管路中，另一个接入回水管路中。其中配套使用的两装置的硬件电路和软件均相同。
参见图3，本发明实施例的温差供电系统的电路原理图，包括温差发电电路，整流电路，升压稳压电路和储能电路四部分。
第一部分为温差发电模块构成的发电电路。
本例温差半导体模块采用SMT TECT-12704-40mm×40mm×5mm，共126对PN结。根据系统的功耗和温差半导体模块的供电能力，这里选用两片温差半导体模块SMTTECT-12704，串联后向外电路供电。
根据实验数据，该模块当热冷端面温度每相差10℃度时，相应的1片该模块产生0.3V的开路电压，40mA的短路电流。并且热冷端面互换后，供电效果相同。由于温差半导体模块开路电压E＝αSΔT，其中αS为萨贝克系统是由材料本身的电子能带结构决定，ΔT为温差发电模块热冷端面的温度差，当供暖时，本系统管路水流介质温度的温度与环境温度相差基本能保证在60℃度，当供冷时，管路水流介质温度的温度与环境温度相差基本能保证在30℃度。
第二部分为整流电路。由于本系统中当供暖和供冷时，系统的开路电压方向相反，通过整流电路使负载得到相同方向的电流。
本例中选用四个二极管D1、D2、D3和D4构成整流桥对电路整流，当系统供暖时，发电支路电位为上高下低，二极管D1和D3正向导通，D2和D4反向截止，当系统供冷时，使发电支路电位为上低下高，二极管D2和D4正向导通，D1和D3反向截止，从而使整流电路的输出端电位始终为上高下低。二极管D1～D4采二极管SS14，其正向压降较低为0.1V。
第三部分为升压稳压电路。整流电路输出的不稳定的电压通过升压稳压电路得到稳定的输出电压。
在本例中，升压稳压电路由DC/DC转换器模块TPS61200和外围电路构成，模块可在输入电压为0.3～5.5V的范围内工作，可根据输入和输出电压的大小自动转换升压或者降压模式。该装置中输出电压设置为3.3V，一是这个电压满足系统工作的需要，二是这个芯片的效率在这个数值时可以达到最高。其中输出电压VOUT＝0.5(R1/R2+1)V，这里可选取R1＝1120KΩ，R2＝200KΩ，R1和R2阻值较大是为了减小该支路电流。为了稳定工作，VAUX经电容C2接地，可取C2＝0.1μF，TPS61200在启动时向C2充电一定值后，开关才导通，它对系统起缓冲作用。C1和C3分别为输入和输出电容，可减小输入输出纹波电压，以及瞬态负载变化引起的输出电压跌落。取C1＝C3＝10μF。一般L1在1.5～4.7μH范围之间取值，可使升稳压模块TPS61200在整个输入电压和输出电压范围内有较好的性能，这里取L1＝2.2μF。为使TPS61200尽可能从输入端获得更大的电流，可使其工作在节能模式，以降低模块功耗。如果发电模块电压合适且维持正常，能够直接供给负载系统用电，该装置将先处于空闲模式，当发电模块电压下降或者不稳定时重新启动运行。
第四部分为储能电路。前端输出的电能经一个二极管(防止反向充电)，和储能装置后，向系统供电。
本例中，D5也使用二极管SS14。储能装置采用超级电容C4，通过极化电解质来储能，充电速度快，反复充放电次数较多。取C4参数为100F/2.7V，储能装置储能后可向系统输出2.3V的稳定电压。
参见图4，本发明实施例中提供一种无源热量计量系统的工作方式，包括如下步骤：
步骤01，本系统两计量装置进行初始化，进入工作状态。接入进水管路的计量装置首先自动设置为主节点工作模式，出水管路的计量装置自动设置为从节点工作模式。
步骤02，主节点模式工作的装置进行温度和流量数据测量，并请求从节点模式工作的装置进行数据传送，从节电模式工作的转置接收到信号后进行数据测量和传送，然后进入中断唤醒工作模式。
步骤03，主节点模式工作的装置进行数据接收并对两者数据进行比较，如果出现出水管路流量小于进水管路流量进行异常数据存储，若无比较出水管路温度和进水管路温度。
步骤04，如果出水管路温度小于进水管路温度启动冷量计量程序，如果出水管路温度大于进水管路温度启动热量计量程序。主节点模式工作的装置进行热量或者冷量计算并进行数据存储。
步骤05，主节点模式工作装置进入中断唤醒工作模式。
步骤06，主节点模式工作的装置有中断进入时，判断是否为外部进行读卡和充值请求，是否为显示按键中断进行数据显示请求，若是进行相应的操作。如果不是，进行时差判定，根据供冷与供暖系统管路与环境温差情况，本例中热量计量程序中时差时长设为15min，冷量计量程序中时差时长设为30min。
步骤07，若时差时间到，主节点模式工作的装置进行温度和流量数据测量，并向从节点模式进行中断请求，从节电模式工作的转置接收到中断请求信号进行数据测量并传送数据，然后再次进入中断唤醒工作模式。主节点模式工作装置接收到数据后进行热量或者冷量计算并存储，计数器进行计数后回到步骤5。
步骤08，本例中设定为60个时长，当60个时长过后，主节点向从节点发出工作模式互换信号，两个装置工作模式互换一次。
本系统中装置设计符合CJ128-2007设计标准，通讯符合CJ/T188-2004的规定。
Claims (1)
1.一种无源热能计量系统，其特征在于：由两个相同的无源热能计量装置在计量时配合使用，系统工作在低功耗节电模式下，并且工作模式与系统的供电能力相配合；
其中的无源热能计量装置，包括供电系统，LCD液晶显示器，ZigBee控制器，通信接口，反射型超声波流量计，温度传感器；反射型超声波流量计包括两片超声波换能器，反射片和管道件；
供电系统利用管路水流与环境温度的差异，通过温差发电来实现自主供电；
供电系统包括温差发电模块，整流电路，升压稳压电路和储能电路；
温差发电模块的热端面和冷端面分别与供水管路的外侧面和外界环境接触，利用半导体温差发电模块两端的温度差进行发电，采用多个半导体温差发电模块串接成一组，多组并联后，通过整流电路进行整流，升压稳压电路和储能电路后向系统装置提供能保证其正常工作的稳定电压；其中温差供电模块的热端面通过薄铜片与供暖管路的外端面相联，薄铜片的内端面为圆型贴敷在供暖管路的外端面，薄铜片的外端面做成平面与温差供电模块紧密接触；
供电系统置于流量计的上方，壳体左端下部所留的空位，并作防水处理；
管道件串接于管路中间，两片超声波换能器采用V字型反射型结构安装在管壁一侧，轴线与管体轴线夹角相同，反射片安装在管壁另一侧，两超声换能器的轴线交点落在反射片的中部；温度传感器与两片超声波换能器安装在同侧管壁，在两片超声波换能器的中间位置；ZigBee控制器置于壳体的上部；通信接口置于流量计的上方，壳体的下部右半边；LCD液晶显示器置于壳体的顶部；
ZigBee控制器采用等待中断唤醒模式进行工作；
温度传感器和超声波流量计,通过SPI串行总线接口与ZigBee控制器相连，工作在关断模式用于降低电源电流功耗；
LCD液晶显示器与ZigBee控制器相连获取和显示数据，在按键中断模式下工作，由于LCD液晶显示器是系统中功耗最大部分，而其对数据显示也只是系统的辅助功能，设置为当有按键按下时才需进行供电检测，当供电电压达到一定值时才进行数据显示，以防止当系统供电不足时，LCD液晶显示器工作引起瞬间负载电流过大，使供电系统掉电严重而不能对系统进行正常供电。
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