热量表的原理及其抄表系统:暖气热量表原理

　　摘要：本文介绍了一款基于TDC-GP2芯片的新型热量表，讨论了它的测量原理及工作原理,并详细讨论了与之配套的远程抄表系统的工作原理及系统构成。 　　关键词：TDC-GP2;热量表;远程抄表
　　
　　The principle of heat meters and meter reading system
　　
　　ZHENG Heng，XU Dong -Ming ，CHEN Wen-xuan
　　（Xi’an Post and Telecommunication University Xi’an 710061，China）
　　
　　Abstract: This article describes a new chip used for new heat meter ,which based on TDC-GP2. We discuss the principle of measure and working in details. Before introducing a system matched to it called remote meter reading system. Which including the principle of working and components of system.
　　Key words:TDC-GP2 ; Heat meter ; Remote meter reading
　　
　　1引言
　　
　　随着近年来人们环保意识的不断提高，国家法律法规对节能环保提出了新的要求，于是热能成为了一种商品，并且人们对其提出了节能要求。于是热量表的应用成为必然趋势。但是传统的热量表有不可避免的缺陷。本文采用TDC-GP2芯片和超声波技术设计了一种热量表。它的优点是对水质要求低，无压力损失，测量精度高，电池供电、寿命长，安装维护方便，并且讨论了该热量表的测量原理及工作原理，还讨论了与之配套的远程抄表系统，它的特点是实时性强，可对热量表进行远程控制，建设与维护费用低，集中抄表范围广。
　　
　　2热量表的超声波流量，
　　热量测量原理
　　
　　 超声波流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速[1]，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法，我们称之为时差法，图1为超声波时差法原理示意图。
　　 顺流换能器和逆流换能器分别安装在流体管线的两侧，并且相距一定的距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L，超声波顺流时间为 T上游，逆流时间为T下游超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ，流体的流动速度为V。由于流体流动的原因，超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用式（3）表示。
　　 式中，C 为声音在水中传播的速度。则顺流时间和逆流时间的时间差为：
　　 为了简化计算，可以假设流体的速度相对于声波在流体中传播的速度是非常微小的，因此可以将（3） 式简化为：
　　 从而得到流体的速度与传播时间差的线性公式为:
　　 需要特别强调的一点是V是流体沿着管道中心线的线速度，考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布情况，还需要加1个流速（ 分布）修正系数K。则瞬时流量的公式为：
　　求得瞬时流量后，在超声热量表中，热量的积分计算采用欧洲流行的K0系数法: 设测得进水管的水温为P1，出水管水温为P2，则进出水的温度差为△P，利用流量传感器对供水管道的瞬时热水流量Q进行计量，经过一定时间的累计，便得到用户消耗的热量值，其数学表达式为：
　　流量，单位m3/h ;△P为进出水的温度差，单位℃。这样就可以通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量， 进而获得消耗的热量了。
　　
　　3超声波热量表工作原理
　　
　　 超声波热量表的结构原理如图2所示。在搭建好系统之后，开始给整个系统供电；单片机正常工作之后，给GP2发送上电复位指令，让GP2复位准备工作。接下来，单片机给GP2的配置寄存器写入数据，设置GP2的工作方式。
　　 系统用的4M高速时钟本身误差较大，并且有明显的温漂，GP2为了修正高速时钟的问题，特别设计了时钟校准功能。在设置好GP2后，单片机先向GP2发送时钟校准指令0x03，让GP2进行时钟校准，最终单片机得到测量结果，计算出时钟修正因子存储在单片机内；之后的测量结果都要在单片机内乘以这个因子才能作为最终的测量结果。时钟修正因子要每隔一段时间就更新一次，减小外部环境对测量结果的影响。
　　 在完成了以上的操作后，就能进行实际的测量，先说温度测量。单片机向GP2发送温度测量指令0x02之后，GP2就开始温度测量。温度测量实际上是GP2测量PT1,PT2,PT3,PT4这个几个端口对电容的放电时间，得到的结果最终传给单片机，由单片机经过相应的处理，就可以查表得到具体的温度值。
　　 流量是GP2通过测量超声波传输的时间差，计算出流速，最终得到流量的。注意在每次测量之前，需要向GP2发送0x70指令，初始化GP2中的TDC模块，才能接受Start和Stop信号。在TDC模块初始化好了之后，向GP2发送0x01指令，激活脉冲发生器；从FIRE1和FIRE2端产生脉冲给外围的模拟电路；模拟电路就同时驱动两个超声波换能器产生超声波，在流动的水中两个超声波换能器会先后收到刚产生的超声波脉冲。模拟电路在换能器收到超声波脉冲就会产生相应的Start和Stop信号，给GP2进行测量，最后将测量的时间传给单片机；单片机再经过计算，最终得到流量。
　　 在经过以上得到温度值和流量的过程之后，最后可得到热量值，并传给输出模块，最终传给与之相连的远程抄表系统。
　　
　　4远程自动抄表系统简介
　　及其原理介绍
　　
　　上面提到的自动抄表系统（Automatic Meter Reading System,AMRS）是一种不需要人员到达现场就能完成抄读各种计量仪表工作的管理系统。它利用传感技术、自动控制技术和计算机网络技术自动读取和处理城市居民用户的热能表的数据，并将该信息加以综合处理。自动抄表技术准确而便捷，不但适应现代用户对用暖气供热的缴费的需求，还能提高政府管理部门的工作效率。
　　随着现代电子技术特别是通信技术的发展，出现了新的理念，新的方法来解决自动抄表问题，其主要方式有专线方式、无线方式、公共信道方式等等。
　　由于国家在2004年6月30日发布了JG/T162-2004《住宅远传抄表系统数据专线传输》 国家标准，为此住宅远传抄表的定义、功能、技术指标等都有了详细明确的规定，在住宅远传抄表系统产品的规范化上起到了极大的促进作用。
　　远程自动抄表的结构流程是：用户耗热量数据采集、存储――传输媒体――抄表控制中心计算机。抄表控制中心计算机是通用的系统微机。传输媒体一般采用较普及的市话网，也可用无线传输。用户耗热量数据采集、存储是系统的关键，采集数据时，采集器通过RS485/MBUS总线通过远传表内的表头采集器采集耗热量数据，并处理和存储，然后采集器通过无线传输模块把数据上传至集中器。集中器的主要功能是收集每个采集器上传的数据，处理后通过GPRS上传至抄表系统控制中心，在需要抄表的时候，由控制中心的计算机发出采集命令，采集器收到命令以后向所有的采集器转发采集命令，表头采集板收到采集命令后判断是否是发给本终端的命令，如是则把表头采集板上存储的数据传回控制中心，从而实现远程抄表。同时，控制中心对所返回的数据进行分析，如是断线报警等异常报警信息，则发出报警信号，如是抄表数据，则把数据存储到数据库中，通过对历史数据的分析比较，判断是否有用暖气不正常等可疑用户，如有则发出报警信息，从而完成控制中心对用户热能表数据的采集和监控任务。
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　　5远程抄表系统的构成
　　
　　目前，远程抄表系统中的通信电路主要采用的是M-BUS通信方式，这种方式是热量表产品中广泛支持的，是一种可靠、开放、低成本的总线通信方式，其网络规模扩展性好，非常适合做为远程自动抄表系统中仪表及集中器层次的通信网络。其在远程抄表系统中应用的原理图如图3所示。
　　下面介绍一下各主要部分：
　　1） M-BUS总线：M-Bus是Paderborn 大学的Dr. Horst Ziegler与TI公司的Deutschland GmbH 和 Techem GmbH共同提出的，专门用于公共事业仪表的总线结构，称Meter-Bus，简称M-Bus。
　　 M-Bus仪表总线属于局域网（LAN），是处于同一幢建筑、同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络，被用于连接远程监控计算机和工作站、测量仪表等设备，以便资源共享和数据传输。M-Bus仪表总线具有LAN的三个基本特征：一是范围，二是传输技术，三是拓扑结构。LAN具有星形（Star Topology）、环形 （Ring Topology）和总线形 （Bus Topology）拓扑结构。M-Bus一般采用总线形拓扑结构。
　　 M-Bus仪表总线可以满足由电池供电或远程供电的计量仪表的特殊要求。当计量仪表收到数据发送请求时，将当前测量的数据传送到主站，（主站可以是手持单元、计算机或其它数据终端）。主站定期地读取某幢建筑中安装的计量仪表的数据。
　　 一般而言，挂接在仪表总线上的计量仪表的数目可达数百个，数据传输距离达数千米。在总线上传送的数据具有高度的完整性和快速性。
　　2）TSS721A: TSS721A是一种用于仪表总线的收发器集成芯片，其内含的接口电路可以调节仪表总线结构中主从机的电平[2]，可通过光耦等隔离器件与总线连接，通过数据收发器由总线供电。芯片封装采用DIP16封装，将整个数据发送功能集成于一体，其功能特点介绍如下：
　　（1）满足国际EN1434-3标准；
　　（2）具有动态电平识别的接收电流；
　　（3）通过限流电阻可调接收电流；
　　（4）无极性连接；
　　（5）防掉电功能；
　　（6）可提供3.3 V稳压源；
　　（7）支持远程供电，从机可由总线或电池供电；
　　（8）半双工下可达9600 波特速率；
　　（9）支持UART协议，只在数据传输时总线有效。
　　3）抄表服务器：即PC管理中心，通常放置于物业管理中心，通过M-BUS总线与各集中器通信，完成对集中器送来的各用户热能表数据的加工处理、报表生成、费用结算等[3]，其完成的主要功能如下[4]：
　　（1）实时自动抄收、手动即时抄收各用户热能表数据和工作状态；
　　（2）选择对所有用户、部分用户、指定某一用户进行数据抄收；
　　（3）查看、校对集中器时钟；
　　（4）设置用户热能表各种初始化参数及计费时段；
　　（5）查询用户本月、某月数据，自动生成打印报表。
　　4）集中控制器：即集中器，是一种单片机的应用系统，专门接收用户热能表送来的工作状态信息和数据，并向热能表供电。通常，一个集中器最多可管理256个用户热能表，并负责PC和各用户热能表之间信息的传递。其实质是一种数据采集器[3]，循环采集、集中各用户热能表的数据信息，同时根据要求将数据转发给物业管理中心的PC
　　集中器的硬件结构框图如图4所示。
　　 5）调制解调器（Modem）:这里的Modem无线传输采用的是GPRS无线传输网络[4]，GPRS（General Packet Radio Server）即通用分组无线业务，基于GSM（Global System for Mobile Communi- cations）网络的一种分组数据传送业务，其优势在于实现用户数据与无线网络资源的最佳结合；实现IP协议的透明传送。
　　在远程抄表系统中，GPRS方式就是利用移动运营商提供的GPRS业务实现仪表数据的远程自动抄送。在这个系统中，我们需要在每一个终端仪表或是数据采集器上配备一个GPRS模块，当仪表或者数据采集器需要和远程控制中心通信时，我们就将数据交给相应的模块封装成IP包发给GPRS网络，这样，通过Internet或同样的GPRS模块，远程控制中心就可以接收到远端仪表所发送的数据信息。其原理结构图如图5所示。
　　 该方式的优点是传输速率高、没有频段干扰、接入时间短、设备成本低、无须专用平台和维护、永远在线、按流量计费、收费价格低，特别适合突发性小流量数据传输。
　　
　　6软件设计
　　
　　远程抄表系统的系统软件主要包括用户热能表软件，集中器软件，PC软件这三部分[3]。用户热能表和集中器软件由汇编程序开发，其中包括自检、初始化、测量、显示、数据采集、数据传输等模块；管理中心的PC软件设计采用VB6.0，完成通信、数据处理等功能。其中尤以集中器最为关键，因为它起一个承上启下的作用，作为联系用户热能表和管理中心PC之间的纽带，一方面，它要循环采样各用户热能表的实时数据，另一方面同时以中断的方式接收PC的命令，按照要求设置参数或报送各用户热能表的数据。图6为集中器串口通信中断服务程序流程图。
　　
　　7结束语
　　
　　本文中应用 TDC-GP2的超声波热量表与传统的机械式仪表相比具有很大的优势，它安全可靠，结构简单，灵敏度高，实时性好，操作简便，功耗低，抗干扰好，测量精度高，安装维护方便；而与之配套的远程抄表系统可进行远程抄表和管理，实现了用户消耗热能的实时计量，实现了“无人抄表”的目标，解决了在热量表运行管理中人工抄表带来的弊端，是很有前途的热量表。
　　
　　参考文献
　　[1]王淮中,温静馨,郝建秀,等. 高精度低成本超声波热能表的研制[J].微型机与应用, 2009（7）:30-31.
　　[2]常东来,江亿.TSS721A在自动抄表系统中的应用[J].电子技术应用,2000（1）:59-60.
　　[3]毛六平,唐艳.智能热能表及其远程抄表系统[J].自动化仪表,2002（8）:28-30.
　　[4]李爽,于洋.热量表远程抄表系统的应用[J].煤气与热力,2009（5）:20-22.
　　[5]韩松,张万江,陈胜昆,等.基于TDC-的GP2户用低功耗超声式热量表的设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2007:255-257.
　　
　　作者简介
　　张衡，硕士研究生，电路与系统。
　　徐东明，教授，通信专用集成电路与系统设计。
　　陈文宣，工程师，通信专用集成电路与系统设计。
　　
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