專利名稱：熱量表信號采集裝置、熱量表及供熱量計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于供熱供暖技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱量表。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有熱量表主要由流量計和溫度傳感器組成，熱量表依據(jù)流量計測量方式的不同可以分為電磁及超聲波式、機械式和壓差式。其中機械式有耗電少、抗干擾性好、安裝維護方便和價格低廉的優(yōu)點，因此現(xiàn)在應(yīng)用的比較多，如法國和德國，機械式流量計的比例高達 90%，但是機械式的表在水中雜質(zhì)較多時精度會受到較大的影響。超聲波式的特點是量程大、計量精度較高、壓損較少，但是易受管壁銹蝕程度、水中泡沫或雜質(zhì)含量、管道震動的影響，價格較機械式貴很多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠更為準確地采集與供熱量計量相關(guān)信號的熱量表信號采集裝置，并提供兩種采用此種信號采集裝置的熱量表。為此本發(fā)明如下的技術(shù)方案一種熱量表信號采集裝置，包括一個導熱單元，所述的導熱單元設(shè)置有兩個端面， 一個端面與載熱流體相互接觸，稱之為熱量采集面，導熱單元的另一個端面設(shè)置有散熱器， 稱其為散熱面；整個導熱單元的外表面，除了這兩個端面之外，均設(shè)置有保溫層或絕熱層； 所述的導熱單元包括用于測量兩個端面之間熱流量相關(guān)信號的傳感器；所述的信號采集裝置還包括用于測量流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量的兩個溫度傳感器，該兩個溫度傳感器分別設(shè)置在載熱流體流過熱量采集面的上游和下游。本發(fā)明的熱量表信號采集裝置的一種實施方式為導熱單元包括兩個溫度傳感器，分別設(shè)置在導熱單元的兩個所述的端面上或附近，用于測量導熱單元兩端的溫度差，所述的溫度差用于計量兩個端面之間的熱流量。本發(fā)明的熱量表信號采集裝置的第二種實施方式為所述的導熱單元包第一導熱體、第二導熱體和制冷半導體，所述的制冷半導體設(shè)置在兩個導熱體之間，第一導熱體的一個端面為熱量采集面，第二導熱體的一個端面為散熱面，利用制冷半導體的溫差發(fā)電效應(yīng)計量兩個端面之間的熱流量。本發(fā)明的熱量表信號采集裝置，還可以在載熱流體流經(jīng)的管道內(nèi)設(shè)置一段外面設(shè)置有保溫或絕熱層的副管，所述的導熱單元的熱量采集面設(shè)置在副管內(nèi)。本發(fā)明提供的采用上述的信號采集裝置實現(xiàn)的熱量表，一種是熱量表本身帶有計算單元，兩個溫度傳感器采集的溫度信號和與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號被送入計算單元，計算單元根據(jù)與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號計算熱流量，并結(jié)合流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量，計算供熱量。本發(fā)明的熱量表，還可以采用下列的方式兩個溫度傳感器采集的溫度信號和與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號利用無線通信接口被傳送到外部。
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本發(fā)明同時提供一種利用上述的熱量表信號采集裝置實現(xiàn)的供熱量計算方法，包括下列的步驟(1)根據(jù)與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號計算導熱單元的熱流量Q ；(2)根據(jù)公式V*U* At2 = Q計算載熱流體的流量U，其中，V為修正系數(shù)，Δ t2為由兩個溫度傳感器采集的流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量；(3)根據(jù)載熱流體的流量U和載熱流體的溫度，計算供熱量。本發(fā)明的熱量表和信號采集裝置，基于供熱管道內(nèi)載熱流體的溫度和熱能高于環(huán)境溫度的原理，利用導熱體、散熱器以及溫度傳感器采集載熱流體的熱量和流量信息，與機械式熱量表、壓差式熱量表以及超聲波式熱量表相比，受水垢和雜質(zhì)影響小，不受管壁振動影響，幾乎不存在壓損，測量準確度高，計量量程大，低流速準確度高，并且具有結(jié)構(gòu)簡單， 成本低廉的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明實施例1的熱量表信號采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2的熱量表信號采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例3的熱量表信號采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1散熱端溫度傳感器，熱量采集端溫度傳感器，3上游溫度傳感器，4下游溫度傳感器，5導熱體，6散熱器，7保溫材料，8入口管道接頭，9出口管道接頭，10上游管道， 11下游管道，12制冷半導體，13復(fù)管，14載熱流體，15熱量表主管道入口接頭，16熱量表主管道出口接頭，17導熱單元的熱量采集面18導熱單元的散熱面。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1本實施例如圖1所示，采用導熱材料制作出一個導熱體5，一面與管道內(nèi)載熱流體接觸，這里稱之為熱量采集面17，另外一面制成散熱器6 (也可以連接到一個散熱器上)，這里稱之為散熱面18，在從管道到散熱器的導熱路徑中制作一個相對狹長的區(qū)域，然后再狹長區(qū)域的兩端分別設(shè)置散熱端溫度傳感器1和熱量采集端溫度傳感器2，導熱體的外表面， 除了熱量采集面17和散熱面18之外，都采用了保溫措施，例如，覆蓋上保溫材料或絕熱材料，也可以設(shè)置真空隔離層。本實施例中，導熱體5主要分為幾個部分，與載熱流體相互接觸的部分實際上是一個管道形狀，其內(nèi)管壁面即熱量采集面17，導熱體5的中部是一個相對狹長的區(qū)域？，導熱體5的散熱面上設(shè)置了散熱器6。本實施例的導熱體的環(huán)形管道部分的兩端分別設(shè)置有接頭，通過接頭可以固定安裝在供熱管道上。導熱體5的與載熱流體相互接觸的部分也可以不制作成環(huán)形管道，可以是多種形狀，例如，也可以直接嵌在供熱管道內(nèi)部，只要能夠保證與載熱流體有一定的接觸面即可。根據(jù)熱傳導公式為K = Q*h/ ( Δ tl*S)，式中，Q為熱流量，K是導熱系數(shù)，如果導熱材料已知，導熱系數(shù)就是已知的，h為厚度，即是散熱端溫度傳感器1和管道端溫度傳感器 2的間距，S為導熱體5狹長區(qū)域的截面積。由散熱端溫度傳感器1和管道端溫度傳感器2測得的溫差就是公式中的At1，可以計算出Q，從而可以實時測出導熱量。由于除了熱量采集面17和散熱面18之外的整個導熱體外表面都采取了絕熱措施，所以根據(jù)能量守恒定律，熱流量Q就等于載熱流體單位時間內(nèi)流過熱量采集面17所損失的熱量，通過導熱體散失熱量會引起載熱流體在導熱體的熱量采集面17上游處3和下游處4的溫度變化，在這兩處設(shè)置溫度傳感器既可測得又一個溫度變化量值Δ^。設(shè)載熱流體流量為U，并給定系數(shù)V，則可以推出V*U*At2 = Q，其中系數(shù)V和載熱流體的比熱容(已知)成正比，與載熱流體的密度(已知)成正比，可通過實際實驗測量計算并修正確定，此時就計算出了流量U，一旦確定了管道內(nèi)載熱流體的流量，結(jié)合設(shè)置在上游處3或下游處4 的溫度傳感器測出的數(shù)值(如果散熱器6設(shè)置在用熱單位空間內(nèi)，則取上游處3處的溫度傳感器數(shù)據(jù)計算，否則，取下游處4的溫度傳感器數(shù)據(jù)計算)，可以計算出用熱單位的輸入熱量。如果是多個用熱單位串聯(lián)，還應(yīng)該在該用熱單位的供熱管道出口設(shè)置溫度傳感器測量載熱流體溫度，結(jié)合前面測得的載熱液體流量U可以測量出用熱單位的輸出熱量，則可以計算差值得出該單位實際用熱量。熱量表本身除了包括圖1的信號采集裝置之外，還包括主要由信號調(diào)理電路和微處理器極其外圍器件組成的計算單元(圖中未畫出)。由各個傳感器采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的信號處理之后，被送入微處理器，由微處理器根據(jù)測量信號計算供熱量。此外， 熱量表上也可以不設(shè)置微處理器，而是設(shè)置一個無線通信接口，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后的模擬信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng)過無線通信接口發(fā)送出去，由上位機根據(jù)接收的數(shù)字信號計算供熱量。實施例2本實施例如圖2所示，采用導熱材料制作出兩個導熱體，第一導熱體5的一個端面與管道內(nèi)載熱流體接觸，這里稱之為熱量采集面17，另外一個相對的端面與制冷半導體 12的熱端相連接，第二導熱體的一個端面與制冷半導體12的冷端相連，另一個相對的端面制作成散熱器6 (也可以連接到一個散熱器)，由兩個導熱體和制冷半導體共同組成導熱單元。由兩個導熱體和制冷半導體構(gòu)成一個導熱單元，導熱單元的外表面，除了兩個熱量采集面17和散熱面18之外，都采用了保溫措施，例如，覆蓋上保溫材料或絕熱材料7，也可以設(shè)置真空隔離層。通過導熱體5到制冷半導體12再到第二導熱體連接形成導熱通路，利用半導體制冷片具有溫差發(fā)電效應(yīng)，通過半導體制冷片的熱流量與半導體制冷片溫差發(fā)電效應(yīng)的發(fā)電量在理論上相等既熱流量Q等于發(fā)電量A乘以發(fā)電效率n。Q= I^Q1，通過計量半導體兩電極的電流量可以得到已知發(fā)電量Q1，發(fā)電效率n由制冷半導體器件決定，則可以計算出Q就可以實時測出導熱量。由于除了熱量采集面17和散熱面18之外的整個導熱體外表面都采取了絕熱措施，所以根據(jù)能量守恒定律，熱流量Q就等于載熱流體單位時間內(nèi)流過熱量采集面17所損失的熱量，通過導熱體散失的熱量會引起載熱流體在導熱體的熱量采集面17上游處3和下游處4的溫度變化，在這兩處設(shè)置溫度傳感器既可測得又一個溫度變化量值△ t2。設(shè)載熱流體流量為U，并給定系數(shù)V，則可以推出V*U*At2 = Q，其中系數(shù)V和載熱流體的比熱容(已知)成正比，與載熱流體的密度(已知)成正比，可通過實際實驗測量計算并修正確定，此時就計算出了流量U，一旦確定了管道內(nèi)載熱流體的流量，結(jié)合設(shè)置在上游處3或下游處4的溫度傳感器測出的數(shù)值(如果散熱器6設(shè)置在用熱單位空間內(nèi)，則取上游處3處的溫度傳感器數(shù)據(jù)計算，否則，取下游處4的溫度傳感器數(shù)據(jù)計算)，可以計算出用熱單位的輸入熱量。如果是多個用熱單位串聯(lián)，還應(yīng)該在該用熱單位的供熱管道出口設(shè)置溫度傳感器測量載熱流體溫度，結(jié)合前面測得的載熱液體流量U可以測量出用熱單位的輸出熱量，則可以計算差值得出該單位實際用熱量。實施例3實施例3適用于管道直徑較大或載熱流體流量較大情況下的供熱量測量。本如圖3所示，實施例3與實施例1的不同之處在于，當管道直徑較大或載熱流體流量較大時， 采用實施例1的結(jié)構(gòu)測得的上游溫度傳感器3與下游溫度傳感器4間的溫差會很小，不利于采集和計算，為了更好的計量，大管徑管道熱量表采用復(fù)合管道結(jié)構(gòu)，既在主管道中設(shè)立利用保溫材料包裹外壁的復(fù)管13，流經(jīng)復(fù)管的載熱流體由于管徑細，流量少，所以上游處3 和下游處4的溫度變化較大，在這兩個位置各設(shè)置一個溫度傳感器，可以測得此處的溫差值A(chǔ)t2，由于復(fù)管和主管道的管徑比例等影響流量的參數(shù)已知或者可以通過實驗標定，從而可以得到流量比。計算出復(fù)管內(nèi)載熱流體的流量，將其乘以流量比即可得到主管道內(nèi)載熱流體的流量了，一旦確定了管道內(nèi)載熱流體的流量，再結(jié)合在上游處3設(shè)置的溫度傳感器的溫度值就可以計算出通過主管道的供熱量了(此時下游溫度傳感器4的溫度不能代表主管道的溫度所以不可用于計算供熱量)。實施例3對實施例1的熱量采集方式進行了改進，這種改進可以提高測量精度，并能減少由于計量供熱量而產(chǎn)生的熱量損失。
權(quán)利要求
1.一種熱量表信號采集裝置，包括一個導熱單元，所述的導熱單元設(shè)置有兩個端面，一個端面與載熱流體相互接觸，稱之為熱量采集面，導熱單元的另一個端面設(shè)置有散熱器，稱其為散熱面；整個導熱單元的外表面，除了這兩個端面之外，均設(shè)置有保溫層或絕熱層；所述的導熱單元包括用于測量兩個端面之間熱流量相關(guān)信號的傳感器；所述的采集裝置還包括用于測量流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量的兩個溫度傳感器，該兩個溫度傳感器分別設(shè)置在載熱流體流過熱量采集面的上游和下游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱量表信號采集裝置，其特征在于，所述的導熱單元包括兩個溫度傳感器，分別設(shè)置在導熱單元的兩個所述的端面上或附近，用于測量導熱單元兩端的溫度差，所述的溫度差用于計量兩個端面之間的熱流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱量表信號采集裝置，其特征在于，所述的導熱單元包括第一導熱體、第二導熱體和制冷半導體，所述的制冷半導體設(shè)置在兩個導熱體之間，第一導熱體的一個端面為熱量采集面，第二導熱體的一個端面為散熱面，利用制冷半導體的溫差發(fā)電效應(yīng)計量兩個端面之間的熱流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱量表信號采集裝置，其特征在于，在載熱流體流經(jīng)的管道內(nèi)設(shè)置一段外面設(shè)置有保溫或絕熱層的副管，所述的導熱單元的熱量采集面設(shè)置在副管內(nèi)。
5.一種熱量表，用于測量有載熱流體通過的管道的供熱量，所述的熱量表包括與管道相連的接頭、導熱單元和計算單元，所述的導熱單元設(shè)置有兩個端面，一個端面與載熱流體相互接觸，稱之為熱量采集面，導熱單元的另一個端面設(shè)置有散熱器，稱其為散熱面；整個導熱單元的外表面，除了這兩個端面之外，均設(shè)置有保溫層或絕熱層；所述的導熱單元包括用于測量兩個端面之間熱流量相關(guān)信號的傳感器；所述的熱量表還包括用于測量流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量的兩個溫度傳感器，該兩個溫度傳感器分別設(shè)置在載熱流體流過熱量采集面的上游和下游；兩個溫度傳感器采集的溫度信號和導熱單元中與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號被送入計算單元，計算單元根據(jù)與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號計算熱流量，并結(jié)合流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量，計算供熱量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱量表，其特征在于，所述的導熱單元包括兩個溫度傳感器， 分別設(shè)置在導熱單元的兩個所述的端面上或附近，用于測量導熱單元兩端的溫度差，所述的溫度差用于計量兩個端面之間的熱流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱量表，其特征在于，所述的導熱單元包括第一導熱體、第二導熱體和制冷半導體，所述的制冷半導體設(shè)置在兩個導熱體之間，第一導熱體的一個端面為熱量采集面，第二導熱體的一個端面為散熱面，利用制冷半導體的溫差發(fā)電效應(yīng)計量兩個端面之間的熱流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱量表，其特征在于，在載熱流體流經(jīng)的管道內(nèi)設(shè)置一段外面設(shè)置有保溫或絕熱層的副管，所述的導熱單元的熱量采集面設(shè)置在副管內(nèi)。
9.一種熱量表，用于測量有載熱流體通過的管道的供熱量，包括與管道相連的接頭、導熱單元和無線通信接口，所述的導熱單元設(shè)置有兩個端面，一個端面與載熱流體相互接觸， 稱之為熱量采集面，導熱單元的另一個端面設(shè)置有散熱器，稱其為散熱面；整個導熱單元的外表面，除了這兩個端面之外，均設(shè)置有保溫層或絕熱層；所述的導熱單元包括用于測量兩個端面之間熱流量相關(guān)信號的傳感器；所述熱量表還包括用于測量流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量的兩個溫度傳感器，該兩個溫度傳感器分別設(shè)置在載熱流體流過熱量采集面的上游和下游；兩個溫度傳感器采集的溫度信號和導熱單元中與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號利用無線通信接口被傳送到外部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱量表，其特征在于，所述的導熱單元包括兩個溫度傳感器，分別設(shè)置在導熱單元的兩個所述的端面上或附近，用于測量導熱單元兩端的溫度差，所述的溫度差用于計量兩個端面之間的熱流量。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱量表，其特征在于，所述的導熱單元包第一導熱體、第二導熱體和制冷半導體，所述的制冷半導體設(shè)置在兩個導熱體之間，第一導熱體的一個端面為熱量采集面，第二導熱體的一個端面為散熱面，利用制冷半導體的溫差發(fā)電效應(yīng)計量兩個端面之間的熱流量。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱量表信號采集裝置，其特征在于，在載熱流體流經(jīng)的管道內(nèi)設(shè)置一段外面設(shè)置有保溫或絕熱層的副管，所述的導熱單元的熱量采集面設(shè)置在副管內(nèi)。
13.一種利用權(quán)利要求1所述的熱量表信號采集裝置實現(xiàn)的供熱量計算方法，包括下列的步驟(1)根據(jù)與兩個端面之間的熱流量相關(guān)的測量信號計算導熱單元的熱流量Q；(2)根據(jù)公式V*U*At2 = Q計算載熱流體的流量U，其中，V為修正系數(shù)，At2為由兩個溫度傳感器采集的流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量；(3)根據(jù)載熱流體的流量U和載熱流體的溫度，計算供熱量。
全文摘要
本發(fā)明屬于供熱供暖技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱量表信號采集裝置，包括一個導熱單元，導熱單元設(shè)置有兩個端面，一個端面與載熱流體相互接觸，稱之為熱量采集面，導熱單元的另一個端面設(shè)置有散熱器，稱其為散熱面；整個導熱單元的外表面，除了這兩個端面之外，均設(shè)置有保溫層或絕熱層；導熱單元包括用于測量兩個端面之間熱流量相關(guān)信號的傳感器；采集裝置還包括用于測量流過熱量采集面后的載熱流體的溫度變化量的兩個溫度傳感器。本發(fā)明同時提供兩種采用此種信號采集裝置的熱量表，并提供了一種熱量計量方法。本發(fā)明的熱量表和信號采集裝置，測量準確度高，計量量程大，低流速準確度高，并且具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點。
文檔編號G01K17/12GK102221424SQ20111006070
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者凌子龍 申請人:凌子龍