CN104219302A - 供暖管网热量统计数据分解采集传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，包括热量数据集中器、热水表采集器、单元传感采集器和温控阀；方法包括：安装在用户的温控阀；单元传感采集器和热水表采集器接收到热量数据集中器发出的采集指令后，分别进行数据采集、处理及储存；单元传感采集器和热水表采集器分别将处理后的分解数据回传给热量数据集中器；热量数据集中器将接收的各分解数据进行合成运算后，得到各用户热量数据的集合并传输至上位机。本发明通过热量统计数据分解采集与集中合成运算的方法，采用无线通讯技术，解决了热量数据难采集和不准确的问题。在原理上保证了恒定室温，实现了对热量的控制管理，即实现了对热量数据的计量，也产生了显著的节能效果。

Description

供暖管网热量统计数据分解采集传输系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热量统计数据分解采集传输系统及方法，具体地说是一种适用于热电厂全天供暖管网热量统计数据分解采集、合成运算并传输的系统和方法。

背景技术

供暖系统中的热水做为重要的二次能源，广泛的应用于人们的生活中，每年在供暖方面的收费高达几千亿元，因此，热水中热能的准确计量、科学合理收费，是关系到国计民生的大事。长期以来，我国在热水供暖上是按供热面积结算，这种结算方式属于“包费制”。结果出现大批因供暖不佳而不交费的用户，严重的影响了供暖方的供热积极性。此外,在供暖方面由于供热只能按供热面积收费，与是否用热无关，因此房中长期无人居住时不停暖气，暖气过热时，宁可开窗也不肯将阀门关小，由于这些因素引起的浪费与按热收费的方式相比高达20％，价值达百亿元。以上问题的存在使得一方面造成热的生产、输送、管理、应用部门节能意识淡薄，而热量的来源是以煤、天然气为主，煤和天然气的大量浪费，不但是资源的浪费，对环境也是极大的破坏。另一方面使产、供、需三方的矛盾日益激化引起越来越多的贸易纠纷，从而影响到企业的经营及人们的日常生活，要改变这一现状必须进行结算方式的改革。1997年公布的《中华人民共和国节约能源法》明确规定，耗能需要计量，不允许无偿使用或实行“包费制”,热能表就是在这种情况下应运而生的。

传统的计量仪表(包括煤气表、水表、电表、热能表等)的计量数据的采集是靠人工抄表计数器值来实现。随着微电子技术的发展，出现了电子与机械仪表结合的控制器，利用IC卡或远传集抄来控制仪表的计量数据。这种控制器的采样原理是一种动态随机信号的被动采集系统，这种系统广泛应用的是利用仪表的转动部件，采用磁感应传感器采样的方法。当仪表转动时，转动部件上的磁钢与传器(舌簧管、霍尔元件)接近时，传感器的通断状态发生变化，使其电平信号输入CPU,按一个脉冲为一固定计量单位数据运算与存储。根据上述原理制作的控制器存在着一系列不足之处，主要包括：1、由于采集的是动态随机信号，控制器的软件及系统处于高几率的运动之中。这种长年累月连续的动态采样过程，对控制器系统要求有极高的可靠性，但作为民品及控制价格的要求，此控制系统的可靠性不可能太高。因此在实际应用中，售后服务量大，用户对主品的信誉度不高；2、保证计量数据采样的准确性技术难度大，大量系统数据出现偏差则无法补偿；3、采样系统易受干扰及攻击；4、功耗较大，计量仪表控制大多使用电池供电，需要经常更换电池。上述问题的存在在一定程度上影响了现有控制技术的控制仪表的推广使用。

目前，家用热能表中使用较多的有叶轮式热能表、超声波式热能表和电磁式热能表，也有用热分配表作为供热结算的依据。典型的热能表由流量传感器、配对温度传感器和计算器组合而成。

现有热能表工作原理是将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上，将流量传感安装在入口或出口管上。流量传感器发出流量信号，配对温度传感器给出入口和出口的温度信号，计算器采集流量信号和温度信号，经过计算，显示出载热液体从入口至出口所释放的热量值，热量数值不断累积，计算出每月用户的消耗热量数据。

从市场反馈来看，这种原理的热能表计量不准确。热量的计量是一个比较复杂的问题，因为它包括的参数量较多，且互相影响。而以往人们把问题简单化了，不管有多少因素影响，抛开难以实现采集的参数，只关注每户进出口水温及热水流量这两个因素，在此基础上按理论公式原理建立数学模型，进行数据的精细化计算-----把每个采样时间Δτ的微小容积ΔV_j及进口温度T₁、出口温度T₂采集来，按公式求得采样的微热量ΔQ_j＝ΔV_jk(T₁-T₂)Δτ来计算在Δτ时的热量。

总热量n为采样次数，k热量系数，ΔV_j包括以下四方面的误差：1.表的计量误差；2.采样信号的当量值后舍弃小数产生的误差；3.由于压力P和温度引起的密度误差；4.实际ΔV_j也是Δτ的平均值。只有Δτ趋近为0时，ΔV_j才是准确值。

ΔT_i包括以下三个方面的误差：两个温度计配对的误差；两个温度计自身的误差；各住户之间温度计的误差；

k系数的误差：k系数是不考虑压力P值变化的因素，所有的用户无论楼层高低，房屋地理位置与换热站远近，都使用一个k，显然也存在误差。

因此，在采样的微热量ΔQ_j中包括以上诸误差累积叠加的影响，而总热量又是的总合，这样一来累积误差就变得非常大了。这就是一些热能表在实验室条件下测试还算合格，但在实际使用时就不准确的原因了，长此以往，就失去了用户的信任。

现在市场最为流行的流量温度热分配法，不是一种热量的计量,而是累计各用户室内控温阀开启的时间，取其平均值，再以总进水口的流量总数按各户比率进行分配，本质上是对用热时间的分配，实质上与按面积结算是一样的，所以市场亟待新的方法出现。

发明内容

本发明目的是提供一种建立在控制、管理基础上的热量统计数据分解采集与合成运算的系统和方法，以克服上述缺陷。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，包括热量数据集中器、热水表采集器、单元传感采集器和温控阀；热量数据集中器与热水表采集器、单元传感采集器之间为无线通讯；

热量数据集中器用于将所在楼宇的各单元热水表采集器、单元传感采集器采集的数据合成运算后发送至上位机；热水表采集器置于用户暖气进水口,用于采集热水的累积流量；单元传感采集器置于独立单元供水管道处，用于采集运算单位体积热水的平均热量；温控阀设置于用户暖气出水口处，用于控制用户室内的恒定温度。

所述热水表采集器中的光电转换结构包括：信号轮和信号头轮均包括4个并排的断面，每个断面的外表面开有凹槽、每个断面的外缘周对应一路入射光纤的输出端和一路反射光纤的入射端；信号轮的4个断面分别对应的四路入射光纤始端与第一发射光电管连接，四路反射光纤的末端分别与四只接收光电管连接；信号头轮的4个断面分别对应的四路入射光纤始端与第二发射光电管连接，四路反射光纤的末端分别与四只接收光电管连接。

所述凹槽为信号轮或信号头轮外缘周上沿周向的弧形槽；所述4个并排的断面从左至右的第一个断面的弧形槽为两个，两个弧形槽的弧长均为圆周的1/5、且两个弧形槽间隔圆周的1/5；第二个断面的弧形槽的弧长为圆周的3/5；第三个断面的弧形槽的弧为半圆弧；第四个断面的弧形槽的弧长为圆周的2/5。

所述入射光纤和反射光纤采用纤芯材料为二氧化硅的光纤。

所述入射光纤的始端和反射光纤的入射端位于断面上部，且在字轮未开凹槽部分的反射面上形成反射点，形成的角平分线都通过信号轮的圆心。

所述温控阀为自力式恒温温控阀。

供暖管网热量统计数据分解采集传输方法，包括以下步骤：

设定用户室内的温控阀温度，设置热量数据集中器、单元传感采集器和热水表采集器的基础参数；

热量数据集中器接到上位机的数据采集指令，向单元传感采集器和热水表采集器通过广播方式发出数据采集指令；

单元传感采集器和热水表采集器接收到指令后，分别采集数据进行处理并储存；

当单元传感采集器和热水表采集器接收到热量数据集中器发出的同步指令后，分别将已处理的分解数据回传给热量数据集中器；

热量数据集中器将接收的各分解数据进行合成运算，得到各户热量数据的集合并回传至上位机。

所述单元传感采集器进行数据采集及处理具体为：单元传感采集器根据采集的温度和压力得到其中ρ为水的密度，焓差Δh＝h₁-h₂，h₁为进口水的焓值，h₂为出口水的焓值。

所述热水表采集器进行数据采集及处理具体为：热水表采集器根据表自身采集的V_j与输入的δ_j相乘得到的V_j·δ_j，其中V_j为第j户月累积流量，S_p为标准房型面积；S_Fj为第j户非标准房型面积。

所述合成运算得到的各户热量数据的集合，通过下式运算得到：

$Q_j=V_j{\mathrm{\δ}}_j\·\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i$

其中，Q_j为第j户的热量，其中V_j为第j户月累积流量，S_p为标准房型面积；S_Fj为第j户非标准房型面积；m为采样次数，Δτ₂为采样周期，Δh_i为第i次采样水的焓差，ρ_i为第i次采样水的密度。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明打破传统的思维模式，从发现自然气温变化规律的科学现象入手，找寻其与热能的管理、控制与计量关系，建立起在控制条件下的热量传递关系的数学模型，充分考虑到每一个影响热量变化的参数，每一个参数均通过数理统计方式得出准确的数值，较之前面提到的现有热能表多方面的计量误差，本技术大大提高了热能计量的精度，准确的热量数值为用户收费提供了合理的依据，避免了纠纷。

2.本发明在实现了合理使用能源的基础上，可由国家相关部门制定标准，运用本技术实现对供热管网的控制管理，同时也达到节能减排的效果。

3.本发明通过热量统计数据分解采集与集中合成运算的方法，采用无线通讯技术，解决了热量数据难采集和不准确的问题。在原理上保证恒定室温，实现了对热量的控制管理，即实现了对热量数据的计量，也产生了显著的节能效果。

4.本发明采用直读数据采集方式，读取q的流量累积数据V_j，区别于脉冲数据采集或者超声波数据采集方式，需要按采样周期累计计数，其能耗高，需经常更换电池。而光纤直读式热水表采集器不采集数据时，它处于休眠和监听状态，用电量很小，电池可保证十年的工作寿命。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构图；

图2为单元传感采集器结构原理图；

图3为热量数据集中器结构原理图；

图4为光纤直读式水表采集器结构图；

图5为光纤直读式水表采集器剖面图；

图6为图5中沿A-A的光纤直读组件剖面图；

1信号轮，2信号头轮，3蜗轮轴，4光纤合成板，5光电管PCB板，6光电管座，7叶轮组件，8密封圈，9磁钢，10上壳体，11干簧管，12齿轮传动组件，13密封圈，14光纤直读组件，15轮架，16棘轮，17联结螺母，18下壳体，19支架，20螺钉；

图7为光纤直读式水表采集器的光电转换机构电气连接及工作原理图；

图8为信号轮或信号头轮断面结构示意图；

其中，(a)(b)(c)(d)依次为第一、二、三、四个断面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是从自然气温冷暖变化的规律入手,找出其与供暖和热量数据计量的关系,采用数理统计理论和数学方法来分析、计算及整理我国北方五城市气温自然变化的数据(含供暖期)，对气温变化与供暖和热量数据计量的关系做出推断，为本发明的实现提供了科学的方法和理论依据。在统计数据的基础上，将影响热量计量的所有要素都考虑进来，用系统思维方法处理各要素的相互关联，建立了热量数据的数学模型。并由简单的结构与方法加以实现。

本发明中，包含有以下几个重要变化因素：1、气温T_F的变化；2、房屋的保温能力，即传热系数k；3、室温的变化；4、供水压力P、进水口温度T₁、出水口温度T₂的影响；5、房屋采暖面积或暖气片数的变化影响。

天气冷暖变化与室内供暖有着内在的关联。我国北方居民冬季采用暖气供热，随着室外气温的变化，室内暖气供热量也在变化。本发明抽取了北方五个城市冬季每天的室外温度值，对所有的数值进行统计计算，计算出日平均温度

1、日平均温度公式推导

⑴求日平均最高/低温度的算术平均值:

日平均最高气温算术平均值公式

日平均最低气温算术平均值公式

T_Gi为每日平均最高气温；T_Di为每日平均最低气温；n为每月天数。

⑵求本月的日平均气温算术平均值：公式

T_i为每日平均温度

⑶验算求证

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{T_G}-T_{\mathrm{Gi}})=0,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{T_D}-T_{\mathrm{Di}})=0,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{T}-T_i)=0$

以上验算证明可说明是合理的。

表一、表二分别为五个城市2011、2013年冬季气温统计表：

表一  2011年五市冬季气温统计表

为日平均气温的算术平均值，为日平均最高气温的算术平均值，为日平均最低的算术平均值气温。

表二  2013年五市冬季气温统计表

为日平均气温的算术平均值，为日平均最高气温的算术平均值，为日平均最低气温的算术平均。

通过以上统计计算，可得出气温变化统一规律。不论初冬11月、12月气温由高向低变化，还是最冷的1月到2、3月气温逐渐回升，每个月都能统计计算出代表一个月中日的算术平均温度，它已经消除了气温变化的影响，这就是自然界气温变化的规律，也是创建本发明的重要理论基础。

2、热量传热公式推导

⑴室外温度变化必然要影响到室温及供暖温度。本发明要求室内回水管末端安装散热器自力式恒温温控阀，将室温控制在某一恒定温度。建筑物向外散热的墙、门、窗这些结构是固定的,根据传热学原理，房屋的结构在冬季向外散热的过程可分为三个阶段：

第一阶段：室内空气以对流换热，和墙与室内物体间以辐射方式将热量传给墙的内表面；

第二阶段：墙、门或窗内表面以固体导热方式传递到墙外表面；

第三阶段：墙外表面以空气对流换热，和墙与周围物体以辐射方式把热量传递到室外。室内外温差越大，传递热量也就越大。

室内在某一恒定温度的情况下，因室外温度变化导致室内散发出去的热量就等于供暖热水提供的热量。

⑵气温变化与供暖的关系

推导思路：在室温T_L＝CONST时，室内热量向外传递的数量等于室内供暖热水散发的热量。

①室内向外传递热量：

空气对流传热公式q＝h(t₁-t₂)，q为单位面积下散发的热流密度。h为传热系数，t₁为传导高温，t₂为传导低温。

墙、门和窗的热传导公式计算各导热媒介导出的热流密度。λ为导热系数，t为温度，x为传导距离；

总热流密度公式q＝k(t₁-t₂)，

传热系数   $k=\frac{1}{\frac{1}{h_1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{{\mathrm{\λ}}_i}+\frac{1}{h_2}}$

h₁为室内表面传热系数、λ_i为材料的导热系数、δ_j为材料的厚度、h₂为室外表面传热系数，此处n为不同材料的数量。

②室内向外散发热流量φ公式：  φ＝q·A＝k(T_L-T_F)A

T_L为室内温度,T_L＝const、T_F为室外温度、A为散热面积；

由于房屋结构是固定的，所以各户的k为一个稳定的系数、在该式中，只有T_F是个变量。

室内向外散发的热量Q′：τ为时间。

③暖气热水散发热量公式： $Q=\∫\mathrm{q\ρ}(h_1-h_2)\mathrm{d\τ}=\∫\mathrm{q\ρ\Δhd\τ}$

ρ为水的密度(KG/M³)，h₁为进口水的焓值(KJ/KG)，h₂为出口水的焓值(KJ/KG)，焓差Δh＝h₁-h₂；

当室温T_L＝CONST，向室外散发热量，等于室内供暖热水提供的热量即

Q′＝Q

$\∫k(T_L-T_F)\mathrm{Ad\τ}=\∫\mathrm{q\ρ\Δhd\τ}$

⑶建立数学模型公式

①日平均温度算术平均值与热水平均流量关系

公式 $\∫k\·A(T_L-\stackrel{\‾}{T})\mathrm{d\τ}=k\·A\·n(T_L-\stackrel{\‾}{T})\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_1$

n为月天数，Δτ₁为日时间(h)；

公式 $\∫\stackrel{\‾}{q}\mathrm{\ρ\Δhd\τ}=\stackrel{\‾}{q}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i$

m为采样次数，Δτ₂为采样周期，Δh_i为第i次采样水的焓差，ρ_i为第i次采样水的密度；

因为所以对应于本月日平均气温的算术平均值对应用户的热水流量的算术平均值

$\stackrel{\‾}{q}=\frac{V_j}{\mathrm{\τ}}=\frac{V_j}{\mathrm{m\Δ}{\mathrm{\τ}}_2},$ V_j为月热水量。

②建立热水供暖的数学模型公式

$\∫\stackrel{\‾}{q}\mathrm{\ρ\Δhd\τ}=\stackrel{\‾}{q}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i=\frac{V_j}{\mathrm{m\Δ}{\mathrm{\τ}}_2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i$

$Q_i=V_i\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i=V_i\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ\Δh}}$

V_j为月累积流量(m³)，为单位体积热量的算术平均值(KJ/M³)。

③数学模型公式的分解采集合成运算

$Q_j=V_j\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i=V_j\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ\Δh}}$

公式中的V_j对应光纤直读式热水表采集器q，对应单元传感采集器D。

由光纤直读式热水表采集器q采集数据V_j，采用无线传输方式传送给热量数据集中器G，则q→G(V_j)；

由单元传感采集器D采集数据采用无线传输方式传送给热量数据集中器G，则D→G

在热量数据集中器G中，将集中合成运算各用户热量值的集合{Q₁、Q₂...Q_j...}。Q_j为第j户的热量。

④工程实用的数学模型

第一.楼层高度对计算热量的影响

考虑现在住宅楼宇建设多在30几层的高度，1楼与最高层进水口压力差可达1Mpa。根据热量表行业标准CJ128---2007中的表A.1与表A.2，在0.6Mpa到1.6Mpa时，每种温度下，增加1Mpa的压力，密度就会增加Δρ＝0.45kg/m³,所以，对于30层的楼来说，在项层1m³水的密度比1层减少0.45kg，水的密度为ρ＝1000kg/m³，那么减少水的体积就是0.45×10^-3m³。当用水量达到1000m³时才会减少0.45m³的热水，所以，可以忽略楼层压力变化对计算的影响。

第二.住宅供暖面积(暖气片数)对计算热量的影响

单元传感采集器D采集的出口温度T₂是一个各用户出水温度的统计值，这个值对供热单位是合理的。但对每一用户的热量计量又是不准确的，由于各类用户的采暖面积(暖气片数)不同，室温出口T₂是不同的，所以通过对D所辖所有用户的采暖面积(暖气片数)进行统计运算，算出对应检测值T₂的标准面积S_P，再用各户面积S_F占标准房型面积参数S_P的比率叫房型系数δ。

因为供暖热水进水口温度T₁各用户是一样的，T₂有所不同，所以ΔT是受T₂影响，而S_P对应的是T₂的测试值，T₂决定了ΔT的值，S_P就对应ΔT的值。S_F对应ΔT′的值，ΔT′占ΔT的比率应该和S_F占S_P的比率相等，所以ΔT′＝δΔT。

A、房型系数δ的确定：

第j户房型系数公式

S_p为标准房型面积(暖气片数)；S_Fj为第j户非标准房型面积(暖气片数)；

标准采暖面积(暖气片数)参数S_p计算

S_P是D所辖各类用户的采暖面积的算术平均值，S_P的值对应D测量的统计T₂值。

房型数K：单元传感采集器D所辖用户，相同采暖面积或相同暖气片数的为一类房型，共有K类。

每一类房型户数为a_j各类集合{a₁、a₂...a_j...a_K}；

单元传感采集器D所辖总采暖面积(总暖气片数)

$\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{S}_{\mathrm{Fj}}=a_1{S}_{F1}+a_2{S}_{F2}+...+a_K{S}_{\mathrm{FK}}$

单元传感采集器D所辖总用户数

$\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j=a_1+a_2+...+a_j...+a_K$

S_p的计算公式： $S_p=\frac{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{S}_{\mathrm{Fj}}}{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j}$

B、房型系数δ与出口温度T₂的关系：

δ的详细说明：能对D所辖各类用户的采暖面积(暖气片数)进行综合统计计算出S_P叫标准采暖面积参数，S_P正好是对应测试温度T₂值，也是对应ΔT＝T₁-T₂的值。各类型的采暖面积(温气片数)S_Fj对标准S_P所占的比率δ就是各类用户对应的各户变动为T′₂值，也是对应各类用户变化后的温差ΔT′的值，ΔT′＝δΔT。因为本计算都是各类用户面积S_Fj相对于标准面积S_P的增减，也就是末端变化。由传热学，热水与对流换热的空气沿传热面温度差是按对数曲线规律变化的，所以要在前乘上经验常数0.8。因为δ是由统计值推导出来的，所以对各类用户的计算是合理的。

求即非标准户型出水口温度的值： $T_2^F=T_1-(T_1-T_2)\mathrm{\δ}=T_1-\mathrm{\ΔT\δ}$

非标准户型出口焓值          $h_2^F=h_1-\mathrm{\Δh\δ}$

B1.推导热量计算的工程实用数学模型公式

$\begin{array}{c}{Q}_j=V_j\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(h_1-h_2^F)=V_j\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(h_1-h_1+{\mathrm{\δ}}_j\mathrm{\Δ}{h}_i)\\ =V_j\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_j{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i=V_j{\mathrm{\δ}}_j\·\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i\end{array}$

B2.工程实用模型公式中各数据的分解采集：

$Q_j=V_j{\mathrm{\δ}}_j\·\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i$

V_j为光纤直读式热水表采集器q的累积流量值，单位是m³；δ_j为光纤直读式热水表采集器q中存储的数据；V_j·δ_j为光纤直读式热水表采集器q的传输数据，单位是m³；为单元传感采集器D的传输数据，单位是kj/m³。

最后，两部分热量数据的最终运算结果在热量数据集中器G中合成计算完成。G所辖所有用户热量值的集合{Q₁、Q₂...Q_j...}。

3、热量数据无线传输网络

⑴热量数据无线传输的工作原理

国家无委会规定民用无线抄表的频段范围为470MHZ～510MHZ，为了使所有用户的热量数据能同时采集，可采用频分多址(FDMA)或是固定频率的方式。频分多址就是热量数据集中器G所辖的每栋楼都要设定一个频点，各栋楼的频点不重复不干扰；热量数据集中器G与所辖的采集器频点一致。每个采集器设定唯一的表号，确定其发送数据时间，采用时分多址(TDMA)方式，避免各用户数据传输的干扰。

⑵系统各部件设定输入参数

热量数据集中器G：输入G的地址号、频点F(MHZ)、所辖D表号、所辖q表号；

单元传感采集器D：输入D的地址号、频点F(MHZ)；

光纤直读式热水表采集器q：输入qj的表号、频点F(MHZ)、房型系数δ_j。

⑶数据的无线传输工作流程如图1所示:

第一步，热量数据集中器G接到上位机数据采集指令，按照其设定好的频点向下方的单元传感采集器D和光纤直读式热水表采集器q发出广播数据采集指令；

第二步，单元传感采集器D和光纤直读式热水表采集器q接收到热量数据集中器G数据采集指令后，开始采集数据；

数据包括两部分：

A.光纤直读式热水表采集器q:采集到的数据V_j·δ_j；

B.单元传感采集器D:

第三步，热量数据集中器G发出同步指令给所辖各单元传感采集器D和光纤直读式热水表采集器q。

第四步，单元传感采集器D和光纤直读式热水表采集器q，采用时分多址(TDMA)方式，按时序(表号)将其分解数据依次回传给热量数据集中器G。

第五步，热量数据集中器G将接收到的各个分解数据，按着公式进行集中合成运算，各用户热量数据的集合是{Q₁、Q₂...Q_j...}。

⑷本系统的结构与说明

①热量数据集中器、单元传感采集器结构如图2、3所示：

如图2所示，单元传感采集器外接AC220V电源，且备有充电电池，采用浮充方式。若突然断电时，充电电池为LDO供电，保证单元传感采集器D仍持续实时采集数据。

单元传感采集器包括：MCU以及与其连接的电源模块、A/D转换模块、无线通信模块，还包括与A/D转换模块连接的压力传感器和温度传感器；所述温度传感器为两个，分别设置于楼宇单元供暖的总供水管道进口处和总回水管道出口处，压力传感器设置于总供水管道进口处；电源模块连有为备用电源的充电电池。

扩散硅压力传感器：本技术选用扩散硅压力传感器，实时采集压力数值P。它采用全不锈钢封装，耐腐蚀，体积小巧，适合配套使用在各种机械设备上，全温范围补偿及相应的线性补偿，工作精度高。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，传感器的电阻值发生变化，此时由电子线路检测阻值变化，并转换输出对应的压力标准测量信号。

铂电阻温度传感器：热能表常用元器件。按本技术要求实时采集单元进水口温度T₁和出水口温度T₂的数值。铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的。

如图3所示，每一栋楼放置一台热量数据集中器G，外接220V电源。与热力公司可通过自主网、GMS、INTERNET或是232串口的方式与远程服务器通讯。

热量数据集中器G通过频分多址的无线传输方式，实现对所辖的单元传感采集器D，以及各光纤直读式热水表采集器q的控制管理。发送数据采集与回传指令，当接收到由单元传感采集器D回传的自身计算值与光纤直读式热水表采集器q计算的数值V_j·δ_j后，在G中进行热量数据的合成运算然后集合各户的Q_j值，向热力公司(上位机)传输数据。

热量数据集中器G是一个集合成运算、数据存储与通讯控制的重要装置。在其存储器中需要存储单元传感采集器D、光纤直读式热水表采集器q各自的地址，按各自提供的数据合成运算出各用户的Q_j值，并存储。存储周期为一个供暖期。

散热器自力式恒温温控阀KF是一种不需要外部能量，根据室内温度按比例自动控制的调节阀，为现有技术。散热器自力式恒温温控阀KF是一种节能产品，其原理是利用温控手柄内的感温元件来控制阀门流量的大小，当感应温度大于设定温度+0.2度时，感温元件因热膨胀，压缩阀杆使阀门关小，减小出水口流量。感温元件因冷却而收缩，阀杆回弹使阀门开大，增大出水口流量，进而实现室温的恒定。

本发明要求在各用户出水口末端安装散热器自力式恒温温控阀KF。要求KF阀在原有基础上做一些结构上的改动。调温阀柄改为内部调整，按相关部门或用户要求设定温度并检测。测好调整装置后应锁定，且加装保护罩铆上封钉，不许外人调整。KF阀是热量数据测试的关键器件之一，它可靠性与控制精度是至关重要的。

②如图1所示的系统构成，G为(楼宇)热量数据集中器，D_j为(第j单元)单元传感采集器，q_j为(第j户表)光纤直读式热水表采集器，KF为散热器自立式恒温温控阀、T₁、T₂为进、出口铂电阻温度传感器(单元传感采集器D上配备)、P为扩散硅压力传感器(单元传感采集器D上配备)。

⑸光纤直读式热水表采集器q结构如图4所示，光纤直读式热水表采集器q安装在热水表中，由Li-FeS₂电池提供电源。是适合本技术的热量数据分解采集中流量数据V_j的采集装置。叶轮热水表结构简单成本低兼，运转精度较高，且适合于直读式数据采集。本技术采用直读数据采集方式，读取q的流量累积数据V_j，区别于脉冲数据采集或者超声波数据采集方式，需要按采样周期累计计数，其能耗高，需经常更换电池。而光纤直读式热水表采集器不采集数据时，它处于休眠和监听状态，用电量很小，电池可保证十年的工作寿命。

光纤直读式热水表采集器q如图5、6所示，

由标准热水表(DN15、DN20、DN25)的叶轮组件7，齿轮传动组件12及含有本技术特有字轮和光纤的光纤直读组件14组成水表的内部结构；由上壳体10，下壳体18及联结螺母17，密封圈8构成外部结构；

由蜗轮轴3的蜗轮与齿轮传动组件12的蜗杆啮合，叶轮组件7的叶轮轴与齿轮传动组件12的齿轮啮合。水表叶轮在水流作用下经叶轮组件7的叶轮轴带动齿轮传动组件12的齿轮转动，进而带动蜗杆使蜗轮带动蜗轮轴3转动。蜗轮轴3带动信号头轮2转动，蜗轮轴3与信号头轮2为过渡配合。

光纤直读组件14包括蜗轮轴3、轮架15、支架19、棘轮16、信号轮1，信号头轮2以及光纤和光电管(发光、接收)；蜗轮轴3的不锈钢轴穿过轮架15一侧的孔，经过信号头轮2、信号轮1的内孔，最后再穿到轮架15另一侧的孔。由于不锈钢轴与信号头轮的内孔为过渡配合，所以蜗轮轴的轴向被固定只能转动。蜗轮轴3与轮架15、信号轮1相配孔为间隙配合。蜗轮轴3带动信号头轮2旋转，信号头轮2转一周经棘轮16带动信号轮1转动36°(即1个数字)。轮架15上设有对应信号轮和信号头轮的孔，用于每个轮子在轮架15上装有4对光纤。

光纤直读组件14内的光电转换结构如图7和图8所示，入射和反射光纤按图8(信号轮与断面结构)角度固定经支架19与光纤合成板4，按图7(信号轮与光路结构)连接组成两个发光管A、B的两组发射光纤束，与4个光电管1、2、3、4组成4组反射光纤束，在光纤合成板4上共组成6组光纤束。光纤合成板4上的密封圈13与上壳体10用螺钉20连接。

光纤直读组件中的光纤采用二氧化硅(SiO2)为纤芯材料的耐高温光纤，因其物理性质易断，所以要求转弯半径(R)越大越好，长度也不易过长。为解决这个问题，本技术采用四排带有沟槽的字轮。反射光纤接收到调制光信号后产生0和1两种状态，配合字轮编码表(表三)就能运算出字轮的数字。在轮架15上方集中打孔，使光纤非常集中，上方的光纤合成板4将其位置固定不发生位移，转弯半径(R)达到最大状态。光纤安装在轮架15上方，避免了水中杂质对发光面的污染。

光纤直读式热水表采集器q工作原理如图7所示，1、2、3、4为接收的光电管；如图8所示，(a)(b)(c)(d)为面向字轮从左至右的断面示意图。(a)断面的反射光纤与图7中的1号光电管对应，(b)断面反射光纤与2号光电管对应，(c)断面反射光纤与3号光电管对应，(d)断面反射光纤与4号光电管对应；

表三  字轮编码表

接收管1到4中，0代表反射光纤未接受到光，表现为暗的状态；1代表反射光纤接受到光，表现为亮的状态。

由图7、8，信号轮和信号头轮均由带有沟槽的4个断面组成，由图8且每个断面在轮架15上对应一对光纤(一根发光光纤与一根反射光纤)。由图7信号轮A的4个断面通过对应4根发光光纤与发光管A连通，同理信号轮B的发光光纤对应发光管B。信号轮A和B的断面1，通过两根反射光纤与光电管1相通；同理，轮A与B的断面2、断面3、断面4分别通过各两根反射光纤对应光电管2、3、4。信号头轮为个位，信号轮为十位。

当发光管A发光时，4根发光光纤分别将光照射在轮A的4个断面的外缘周上，通过各断面的状态将反射光调制成光的0(无反射光)和1(有反射光)状态。当光照射到轮子的凸面上将光反射到反射光纤，光电管受光即为1；当光照射到轮子的沟槽，光不能反射到反射光纤，光电管不受光为0。同理当发光管B发光，轮B将状态也反应到对应的光电管。两路信号分时传送到MCU处理，MCU按表三(字轮编码表)就能运算出各信号轮的数字信息。

本实施例中四个断面依次位于四对光纤对应沟槽的初始位置，然后轮子(信号轮或信号头轮)按逆时针方向旋转，每旋转36°四对光纤中总有一对光纤对轮子的状态发生了改变，或者从0到1，或者从1到0。采集时，轮子的状态通过光电管传送到MCU，转换成信号轮和信号头轮的数据。通过RF再发送至热量数据集中器。进位计算可参照发明人于2013年1月7日申请的实用新型专利“一种光纤直读采集器的光电转换机构”(ZL201320006626.4，CN203083587U)。

如图8，四对光纤分别固定在信号轮(或信号头轮)四个断面外缘上方所对应的轮架15上,每对光纤的入射角和反射角的中心线，与通过圆心的竖直线所成(顺时针或逆时针)夹角为18°。本实施例的第一、三断面中，中心线与通过圆心的竖直线所成逆时针夹角为18°，第二、四断面中，中心线与通过圆心的竖直线所成顺时针夹角为18°信号轮和信号头轮外缘面上的弧形槽的宽度为外缘面宽度的1/4。

图8为图7中信号轮A或信号头轮B从左向右看时各断面的剖面图，信号轮和信号头轮各断面均可分成圆心角为36°的十等份，以竖直向下方向为0度，按顺时针方向分成十份；从左至右的第一个断面的弧形槽为两个，两个弧形槽的弧长均为圆周的1/5、且两个弧形槽间隔为圆周的1/5；第二个断面的弧形槽的弧长为圆周的3/5；第三个断面的弧形槽的弧为半圆弧；第四个断面的弧形槽的弧长为圆周的2/5。

信号轮和信号头轮各断面之间相互固定，初始位置如下：第一断面的一个弧形槽两端分别位于0度起顺时针方向的-36°和36°，另一个弧形槽两端分别位于0度起顺时针方向的108°和180°；第二断面的弧形槽两端分别位于0度起按顺时针方向的36°和252°；第三断面的弧形槽两端分别位于0度起按顺时针方向的72°和252°；第四断面的弧形槽两端分别位于0度起按顺时针方向的180°和324°。

光纤合成板4与轮架15正上方之间有一定的距离，光纤离开轮架15基本朝上方，就是有弯曲其半径R也较大，见图5中光纤组件14内几条弧线，且光纤合成板4距轮架15越大转弯半径R越大，这样就可为使用二氧化硅(SiO2)光纤提供好的条件。装好后在支架19内轮架15外浇灌带石英粉的树脂，使光纤被固化，因为石英粉与二氧化硅成份是一样的，膨胀系数一致，保证光纤的性能不发生变化。

光电PCB板5与热水表的控制器板相连，控制器带有液晶显示屏。当按显示按扭时，光纤直读式热水表采集器q采集数据一次，将采集结果直接显示出来。在出厂检测时，齿轮传动组件12内的干簧管接通，显示小数点后4位的干簧管脉冲数据，来测试表的精度是否合格。而正常采集数据工作时，干簧管不接通，只显示M³以上的数据。

Claims (10)

1.供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，其特征在于：包括热量数据集中器、热水表采集器、单元传感采集器和温控阀；热量数据集中器与热水表采集器、单元传感采集器之间为无线通讯；

热量数据集中器用于将所在楼宇的各单元热水表采集器、单元传感采集器采集的数据合成运算后发送至上位机；热水表采集器置于用户暖气进水口,用于采集热水的累积流量；单元传感采集器置于独立单元供水管道处，用于采集运算单位体积热水的平均热量；温控阀设置于用户暖气出水口处，用于控制用户室内的恒定温度。

2.根据权利要求1所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，其特征在于所述热水表采集器中的光电转换结构包括：信号轮和信号头轮均包括4个并排的断面，每个断面的外表面开有凹槽、每个断面的外缘周对应一路入射光纤的输出端和一路反射光纤的入射端；信号轮的4个断面分别对应的四路入射光纤始端与第一发射光电管(21)连接，四路反射光纤的末端分别与四只接收光电管(23、24、25、26)连接；信号头轮的4个断面分别对应的四路入射光纤始端与第二发射光电管(22)连接，四路反射光纤的末端分别与四只接收光电管(23、24、25、26)连接。

3.根据权利要求1所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，其特征在于所述凹槽为信号轮或信号头轮外缘周上沿周向的弧形槽；所述4个并排的断面从左至右的第一个断面的弧形槽为两个，两个弧形槽的弧长均为圆周的1/5、且两个弧形槽间隔圆周的1/5；第二个断面的弧形槽的弧长为圆周的3/5；第三个断面的弧形槽的弧为半圆弧；第四个断面的弧形槽的弧长为圆周的2/5。

4.根据权利要求1所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，其特征在于所述入射光纤和反射光纤采用纤芯材料为二氧化硅的光纤。

5.根据权利要求1所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，其特征在于所述入射光纤的始端和反射光纤的入射端位于断面上部，且在字轮未开凹槽部分的反射面上形成反射点，形成的角平分线都通过信号轮的圆心。

6.根据权利要求1所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输系统，其特征在于：所述温控阀为自力式恒温温控阀。

7.供暖管网热量统计数据分解采集传输方法，其特征在于包括以下步骤：

设定用户室内的温控阀温度，设置热量数据集中器、单元传感采集器和热水表采集器的基础参数；

热量数据集中器接到上位机的数据采集指令，向单元传感采集器和热水表采集器通过广播方式发出数据采集指令；

单元传感采集器和热水表采集器接收到指令后，分别采集数据进行处理并储存；

当单元传感采集器和热水表采集器接收到热量数据集中器发出的同步指令后，分别将已处理的分解数据回传给热量数据集中器；

热量数据集中器将接收的各分解数据进行合成运算，得到各户热量数据的集合并回传至上位机。

8.根据权利要求7所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输方法，其特征在于所述单元传感采集器进行数据采集及处理具体为：单元传感采集器根据采集的温度和压力得到其中ρ为水的密度，焓差Δh＝h₁-h₂，h₁为进口水的焓值，h₂为出口水的焓值。

9.根据权利要求7所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输方法，其特征在于所述热水表采集器进行数据采集及处理具体为：热水表采集器根据表自身采集的V_j与输入的δ_j相乘得到的V_j·δ_j，其中V_j为第j户月累积流量，S_p为标准房型面积；S_Fj为第j户非标准房型面积。

10.根据权利要求7所述的供暖管网热量统计数据分解采集传输方法，其特征在于所述合成运算得到的各户热量数据的集合，通过下式运算得到：

$Q_j=V_j{\mathrm{\δ}}_j\·\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\mathrm{\Δ}{h}_i$

其中，Q_j为第j户的热量，其中V_j为第j户月累积流量，S_p为标准房型面积；S_Fj为第j户非标准房型面积；m为采样次数，Δτ₂为采样周期，Δh_i为第i次采样水的焓差，ρ_i为第i次采样水的密度。