专利名称：锅炉供热量化管理智能监测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种对热量测定与记录装置，具体地说是对温度与流量的测试装置，应用于锅炉供热的量化管理。
至目前为止，利用热水锅炉集中供热乃是国内外普遍应用的一种采暖方式。由于目前设计上的脱节现象，供热系统中外网管道设施及室内散热装置与热源及动力设备不匹配，运行过程严重失调。由于供热系统回路远近有异，则造成“近热”“远冷”现象，为改善这一局面，管理人员加大供热总量则又出现“大马拉小车”的浪费现象。虽然部分供暖系统由于采暖技术人员的计算和调整可能达到暂时匹配，由于供热用户的增加或设备状态变化而造成供热不平衡时，大部分运行管理人员则盲目采取增加锅炉台数和运行水泵容量等方式，而不是科学地根据外网系统真正需要的热量充分调动现有设备能力和充分利用热量。于是造成更加大的浪费，在目前能源极端紧张的情况下确是一个十分严重的问题。为解决以上问题现有技术方案多采用模拟仪表监测方法，通过测量供回水温度、流量来判断系统的供热状况。采用的基本仪表包括《多点温度测量仪》、《流量测量仪》、《热量测量仪》等，管理人员根据仪表的模拟读数计算出热量分配状况，与标准计量值对比后指导司炉工人调整各支路的阀门开启程度及水泵排流量，以求达到额定指标下的热平衡。以上技术方案虽然可以达到基本控制指标，但热平衡调整周期长，工人劳动强度大，读数不便，仪表精度低。由于司炉工人文化水平低，全面记录工作繁琐，实际工作上流于形式，无法反应锅炉运行的全部真实状况，更无法检查司炉工人的工作优劣，最终是无法根本改善锅炉供热量化管理的状况，浪费现象有增无减。本发明人曾在88年初步研制成功了单板机控制下的水温、流量监测仪，实现了对监测点自动准确测量和数字化显示，试运行中收到了较好的效果。但是，该项设计硬件多，线路复杂，对传感器适应性差，累计热量计数不够准确，本较高，其性能价格比阻碍了这项新技术的进一步推广应用。
本实用新型的目的在于设计一种可以实现自动化随机监测、记录的锅炉供热值的智能化监测仪。其不但可以向管理人员提供直观数据和追踪记录，而且可以根据供热系统的情况和设备变化调整和自动修正、监测误差，从而适应司炉人员现有文化水平及热管人员的需要。设计目标要达到硬件电路的最优简化和稳定可靠性的结合，从而形成最佳性能价格比以利于大面积推广应用、节约能源。
本实用新型的基本设计思想是采用单片机为核心的微处理系统来管理对供热系统的采样、信号处理和记录供热量的变化数据。通过完善的硬件设置与周密细致的软件程序支持实现本发明的目的。
智能化监测仪器的设计中，基本上包括一个微处理系统，外部采样电路和特殊记录设备三个主要部分，在微处理系统的常规设计中，包括中央处理器、外存储器、液晶显示器及其驱动电路，功能键盘、模数转换器、微型打印机及其驱动电路和配套电源等部分。除去存储在外存储器EPROM中的程序之外，本实用新型的微处理器硬件结构上并无十分明显的改进。与本应用领域内同类技术相比较特点是首次采用了单片机做中央控制器，以提高整机的可靠性和简化硬件设置。本实用新型的创造发明要点主要体现在特殊的外部采样电路和记录设备。外部采样电路包括两部分，一是供回水温采样电路，另一部分是供热回路流量采样电路。特殊记录设备是个用于累记供热总量的电磁计数器及其驱动电路，由外部采样电路将供热主回路与支回路的温度，流量即时值采集到微处理系统内，借存在EPROM中软件程序的支持可以迅速求出主回路及支路的供热状态，从而指示司炉工去调节各路流量以及调整燃料加入量和速度，从而实现对用户的平衡供热和定量供热。电磁计数器则可以累计供热总量，反应出总热值输出量，为管理人员提供宏观调整或评价的依据，最终实现锅炉供热的量化管理。在整机结构设计中还包括参数拨码盘及其配套电路，用来设置各类传感器，尤其是蜗轮流量计的系数ζ值，以扩大本设计的应用范围和适应能力。
以下结合附图进一步说明本实用新型的设计关键是如何为发明目的服务的。
图1是本实用新型的结构设计逻辑框图。
图2是总回路供、回水温采样电路原理图。
图3是支路回水温度采样电路原理图。
图4是流量采样电路原理图。
图5是电磁计数器触发电路电原理图。
图6是微型打印机上电控制电路电原理图。
图7是本仪器主程序框图。
图8是中断服务程序框图。
其中1是单片机、2是外存储器EPROM、3代表液晶显示器及其驱动电路、4代表功能键盘、5为模数转换器0809、6代表打印机、7是打印机的驱动电路(打印机接口电路)、8代表全部供、回水温采样电路，其中8A代表总回路中的供、回水温度传感器、8B是放大电路、8A1代表支路回水温度测量元件，8B1代表支路回水温度放大电路，8C是一个选通键转换开关，8D代表高精度基准电源，9代表流量采样电路，9A代表流量传感器，9B代表滤波器，9C代表电平比较器，9D代表光电隔离电路，9E代表计数器，9F代表锁存／缓冲器，10为电磁计数器，11为电磁计数器的触发电路，12、13、14为设置参数的拨码盘及配套电路，15代表系统配套电源。
从附
图1、图2和图3可以看出，本设计中供回水温信号采样电路8设置有三条信号采集通道，分别接到模数转换器5(0809)的IN0、IN1、IN2引脚上，这三条通道分别用来采集总回路供水和回水水温，以及各支路回水水温信号，分别称为供水通道，回水通道和支路回水通道。总回路供、回水温通道所采用的结构与电原理图基本上是相同的(见
图1、图2)。支路回水通道的电路结构上基本与前两个相同，即都具有一个温度传感器和一个将温度传感器上反应的电信号进行处理的放大电路，所不同的是在支路回水通道中温度传感元件8A1和放大电路8B1之间设置有一个转换按钮键8C，通过按键转换可以方便地将具体设置在某一支路出水口的热敏电阻(Rt1－Rtn)接至放大电路8B1的比较输入端，从而完成对该支路回水温度的测量。很显然，所采用的热敏电阻个数取决于支路的个数，热敏电阻(Rt1－Rtn)具有一个公共接点K1，余端并行接在转换按键8C上(见图3)。由于支路测温一般情况下均是在仪器投入运行初期调整各支路阀门开启程度以求各支路热平衡时才应用，平时处于空置，所以在转换按键8C的公共接点K与热敏电阻(Rt1－Rtn)的公共接点K1之间设置了匹配电阻RB，这就使得模拟口在长期运行时处于隔离状态，有效地防止外干扰信号引入。在整个水温采样电路8中还设有一个基准电压源8D，它直接引至模数转换器5(0809)，提供一个高精度基准比较电压。以提高对水温采样的监视精度，具体可采用AD581。因为温度直接参与积分运算，计算热量，因而，必须保证精度。在这里要特别指出的是总回路的供、回水通道的温度测量要求高，因而在选择温度传感器元件时也要求其线性好、本身抗干扰能力强，具体设计上选用AD590K，设置在供热系统总回路的出水口和回水口。而支路入口温度主要用来调整热平衡时参考，其要求精度较低，且使用个数较多，因而选取价格较便宜的热敏电阻元件。其互换性强，电阻温度系数大，受导线电阻影响小，适于支路测量场合。但热敏电阻线性不好。不过这一缺点可以由软件中的非线性调整程序来加以补偿，这样就有效地克服了弱点，不但能实现测量精度，而且降低了整机成本。为了提高测量精度，在采样电路8中的各通道的放大电路(8B、8B1)中均采用了低漂移的OP07来搭接，OP07的一个比较输入端引入来自温度传感器的电信号，比较放大后转换成0－5V的电压信号送至模数转换器5的IN0、IN1、IN2引脚上，再与标准电压比较后进行模数转换，在软件的支持下微处理器定时启动0809将即时数据读入内部RAM，经过预定程序处理后即可通过液晶显示器显示各监测点温度或定时驱动打印机记录。
外部采样电路中另一主要部分是回路流量采样电路9，通过对流量的准确监测，结合供水温差才能计算出锅炉的输出热量及各支路用户的耗散热量，为量化管理提供定量依据。在设计流量采样电路中，首要考虑的是采样点分布及采样电路的抗干扰问题，以适应锅炉房内用电设备多，耗电量大，启动频繁的恶劣环境，提高计量的准确度。因而，在本设计中，回路流量采样电路9中包括流量传感器9A，消除杂波干扰的滤波器9B，回差电平比较电路9C，抗干扰光电隔离电路9D，脉冲计数器9E和锁存／缓冲器9F。流量传感器可采用涡轮流量传感器，其信号频率为20－500Hz，输出幅度≥9V。由流量传感器9A采取的脉冲信号经滤波器9B滤波后送到回差电平比较电路9C经处理整形后送入光电隔离器电路9D，进行信号光电转换，排除各类有效脉冲信号导入计数器，由光电隔离电路9D送出的信号可直接驱动计数器9E进行连续计数，计数值送入锁存／缓冲器暂存等待主机读入RAM。锁存／缓冲器9F的数据传送线与单片机的八位数据总线并接。由CPU中断定时读取锁存／缓冲器9F内的数据，为保证CPU读取数据的稳定与可靠操作，计数、暂存、读取三个环节应协调配合工作。为此，在计数器8E采取在有效脉冲fTH下降沿计数，并与锁存／缓冲器8F的CLK引脚之间增设一个与门CD4081B，在有效计数脉冲信号FTX上升沿时同时封锁计数器8E和锁存／缓冲器8F。这样可利用其脉冲宽和CD4081B与门的延时来躲过计数器翻转时间。在CPU读选通时同时封存了锁存／缓冲器8F内的数据，阻断了计数器通道，从而保证了读过程的稳定实现(详参考图4)。这样借助于软件的管理，可以定时读入与总回路及各支路流量相对应的数字化流量值。
从整体电路结构上来看总回路流量采样通道与各支路的完全一样，通道的设置完全取决于实际供热系统所具有的支路个数，所采用的涡轮流量传感器分别设置在供热主回路与各支路之中。
图4给出了按以上设计思想实现的一个实施例，对比
图1中结构框图可以看出其中f1即代表了涡轮流量传感器，滤波电路9B是由1／2LM747与电阻R1、R2、R3，电容C1、C2搭成二阶滤波电路，电平比较电路9C由一个运算放大器G和电阻R4、R5、R6搭接成的比较放大电路，光电隔离电路9D采用一个光电开关管GT1与晶体管BG1搭配组成的脉冲开关电路，计数器9E采用集成电路393，锁存／缓冲器9F采用集成电路374，9E与9F之间用八位信号传输线连接。锁存／缓冲9F的数据输出与CPU八位数据总线相连，读选通受CPU的RD或YO控制，锁存信号来自于脉冲信号fTX与CPU的读选通信号。
本实用新型的设计特点之一是设置了一个特殊的记录设备，用来记录锅炉供热量的累计值。这个数值是量化管理中的重要参考数据。在量化管理中，在采热总面积额定的情况下有一个确定供热总值，这个总值就是科学的量化供热指标，在该指标以下实现多用户平衡供热就是实现量化管理的标志。使这个累计值完整正确的保存下来对了解供热系统的变化及考核司炉人员的工作显得十分必要。其最大问题是排除停电因素的干扰。利用存储器存储该项数据必须配置备用电源，方法并不可靠且设备复杂，价格贵。本设计中采用电磁计数器做为热值“存储器”则保证了可靠性。电磁计数器10是市场上通用产品，本设计中为其设计了一个触发电路11来驱动计数器计数。这个触发电路由一个74LS00与R、C组成的展宽单稳态电路，光电开关管GT2与三极管BG2组成的抗干扰(信号转换)电路和由三极管BG3、BG4搭成的复合放大式驱动电路三部分组成。单稳态电路主要用来发出触发计数脉冲，单稳态电路自身的触发端通过逻辑门电路(G1、G2)接至单片机的WR引脚上，依靠软件支持将瞬时热值变化为量化数字脉冲信号驱动电磁计数器计数。当CPU积分出来的热量达到一个计量单位就从CPU的WR输出一个信号，单稳态电路翻转送出一个脉冲信号启动BG2导通，经TG2光电转换后脉冲信号导通BG3、BG4复合放大电路，驱动电磁计数器10记数，其电原理图参考图5。
本设计的创新点之一还在于设计了一个打印机上电开关电路，主要针对WP－16一类的微型打印机在工业现场连续加电工作易损坏，其原因是微打印机在连续工作中总处于“准备”工作状态，易为干扰信号选通，造成误动作使机头线圈烧坏或驱动晶体管过电流损害。在工业现场，环境恶劣条件下此矛盾就显得十分突出。本实用新型的工作环境恶劣，工作连续且打印随机监测数据又是整个量化工作中唯一可取方式。因此本设计中采取在微机打印机驱电路7中加入了一个上电开关电路。参考图6可以看出，它由一个光电隔离式开关电路(由光电开关管GT3、晶体管BG5组成)控制一个由BG6搭成的三极管放大电路，放大电路负载设定一个继电器J，放大电路导通后继电器J线圈有电流通过，J的触点闭合使打印机电源接通。这个上电开关电路的触发端接在单片机准双向接口的一个引脚上(图上所标为P1、4)，在软件支持下，程序执行到“打印”时首先从引脚P1、4输出一个启动信号，信号加至BG5的基极引起导通，光电管工作后给晶体管BG6的基极上加上一个导通偏压从而导通致继电器J吸合、微打印机上电，“打印结束”标志出现后，P1、4脚引出触发信号消失打印机掉电，这样实际上保证了微打印机经常处于关闭状态，大大提高了其安全系数有利于整机的长期连续工作。
在实际工作环境下，供热系统的具体条件均有很大差异，比如系统的支路数不同。虽然仪器设计中尽可能考虑到充足的采样通道，但在实际安装时均要修改这些涉及到通道个数的参数，尤其是涉及到涡轮流量计，其流量与f／ζ有关，f是发出信号频率，ζ为传感器固有系数，而这个系数又是各有差异的。在具体使用场合利用修改程序或键盘输入修正这些不定参数是十分不方便的，而且往往无法适应掉电丢失。为此，本设计中特殊增加了参数设定拨码盘(12、13、14)及其配套电路，用来设置涡轮流量传感器的系数ζ值或其它相关参数，这拨码盘的个数通常与供热系统支路个数相等，其配套电路可采用244、8155芯片与单片机相连，靠软件支持在运行过程中扫描拨码盘电路读数取相应参数，可以不受停电等因素的干扰。供热系统或元件发生变化时修正直观容易，一般司炉人员即可管理。
本实用新型还设计有功能键盘及其译码电路，在功能键盘上设有随机查询各测点温度、流量、瞬时热值，累计热值的转换按键，以使仪器所监测到的数据可以随时在显示器上读出，便于管理人员应用。
本实用新型还配备有超水温报警、抗干扰配套电源15等装置力求功能强，整机应用起来适应于各种锅炉供热系统。
下边结合本项设计的软件框图(图8。图7)简要述说其工作过程，以进一步解释本实用新型的目的是如何实现的。
图7、图8给出了存在EPROM中的主程序框图和中断服务程序框图，从整体上反映出本实用新型的工作过程。从图7主程序框图可以看出，监测仪上电后首先对单片机1(这里以8031为例)初始化，初始化阶段包括对工作单元清“0”，设定堆栈区指针，定时器初值设定，串行口方式设定，中断优先权标志设定与排队，开中断，然后进入主监控程序。监控程序包括四个主要内容，一是查询中断标志，包括打印标志、温度采样标志、流量采样标志，二是根据中断标志决定程序走向，启动中断服务程序，如有温度采样标志则启动模／数转换器，将其中数据读入CPU中的RAM，启动调用供回水温数据计算程序处理数据，求出温度值送显示，缓冲区以显示水温。当有流量采样标志后从数据总线中直接读锁存／缓冲器9F内的流量脉冲数据，然后调用流量计算程序算出流量值送入流量显示的缓冲区，以待显示流量，同时积分求出瞬时热量值送入相应缓冲区，累加热量值达到一个计量单位时即触发电磁计数器加1……等。通过程序的支持实现对温度、流量、热值的反复测算和记录实现对锅炉供热系统的定量化监测。三、主程序中还包括对功能键盘的扫描实现强迫中断，四是设置抗干扰及中断丢失判别与软件自动复位内容以实现连连续工作下的可靠性，从图8给出的中断服务程序框图中可以看出，每30次中断即3.6S完成一次瞬时热量的计算和热值累加，并在一定时间间隔内使用打印机全面记录采样的结果，这样即为锅炉管理人员提供详细的运行资料，保证了量化管理的真正实施。而且整个监测过程自动完成，在没有中断标志的情况下监控程序重复执行。程序保证了直观数字化结果的准确性和硬件电路配合可以完满实现本实用新型的目的。
采用本实用新型的基本构思设计的智能化监测仪体积小，结构简单，成本低廉但工作的可靠性大大提高。而且使用方便，适应性强，长期运行测量准确，测量的记录完善，为运行管理人员提供量化管理的手段和依据，也给司炉工人提供了直观可靠的调整参数，与已有技术相比性能价格比有大幅度突破。实验证明其测供回水温度10－110℃之间误差低于1％，支路温度测量在10－100℃之间误差低于2％，流量监测范围可以达到999M3／H，热量累计量可达999999×104KcaL而误差小于一个热量单位。在某医院实际运行实验，采暖面积7万平方米，原采用3台4吨锅炉，安装本智能监测仪实行定量化管理后，在最冷季节仅投入两台锅炉即可实现平衡供热，且节掉一台8时泵，一个冬季节煤20％，节电20％以上，其节能源而带来的经济效益和社会效益十分明显，如能推广应用则对社会是一个十分可观的贡献。
权利要求1.一种用于锅炉计量化供热管理的智能监测仪，结构中包括由中央控制器、外存储器2、液晶显示器及其驱动电路3、功能键盘4、模数转换器5、打印机6及驱动电路7和电源15在内的微处理系统，外部采样电路和特殊记录设备，其特征在于微处理系统中的中央控制器采用了单片机1，外部采样电路包括供、回水温采样电路8和回路流量采样电路9，记录设备中包括一个累计供热总量的电磁计数器10及其触发电路11，结构中还包括参数设定拨码盘及其配套电路(12、13、14)根据以上结构组成的监测仪按预置在外存储器内的程序完成对锅炉供热系统水温、流速采样，对瞬时热值计算、累加记录，最终实现对锅炉量化供热管理。
2.根据权利要求1所述的智能监测仪，其特征供回水温采样电路8设置三条信号采集通道供水管道、回水管道、支路回水管道，每个供、回水通道中均包括温度传感器8A和放大电路8B，在支路回水通道的温度传感元件8A1和放大电路8B1之间设置有转换按键8C，由温度传感器采集到的电信号经放大电路8B，8B1放大后分别送至模数转换器5的IN0、IN1、IN2脚，采样电路中还包括一个高精度基准电压源8D，其供给模数转换器5一个标准参考电压值。
3.根据权利要求1或2所说的智能监测仪，其特征在于供回水温度采样电路8中的温度传感器8A采用AD590K，分别设置在供水口和回水口，在供热各支路出口设置的温度传感元件8A1是热敏电阻(Rt1－Rtn)，其并接在转换按键8C上，靠键传换分别接通放大电路8B1，在转换按键8C的公共接点K与热敏电阻(Rt1－Rtn)公共接点K1之间设置有抗干扰匹配电阻RB，温度采样电路8中的放大电路8B(1)均采用低漂移运放OP07搭接而成，标准电压源采用AD581。
4.根据权利要求1所说的智能监测仪，其特征在于外部采样电路中的回路流量采样电路9由流量传感器9A、滤波器9B，回差电平比较电路9C，光电隔离电路9D、脉冲计数器9E、锁存／缓冲器9F组成，由流量传器9A采得的脉冲信号，经滤波器9B和电平比较电路9C，通过光电隔离器9D驱动计数器9E记数，再送入锁存／缓冲器9F，锁存／缓冲9F的数据传送线直接接在单片机的八位数据总线上，借助于程序软件的管理，定时读入与总回路及各支路的流量相对应的数字化流量值。
5.根据权利要求1或4所说的智能监测仪，其特征在于回路流量采样电路9中的流量传感器9A采用蜗轮流量传感器，分别设置在供热主回路与支路中，流量采样通道的个数取决于支路个数。
6.根据权利要求1或4所说的智能监测仪，其特征在于所说的回路流量采样电路9中滤波电路9B由1／2LM747与电阻R1、R2、R3，电容C1、C2搭接而成，电平比较电路9C由运算放大器G和电阻R4、R5、R6搭接而成，光电隔离电路9D采用光电开关管GT1与晶体管BG1组成，计数器9E采用393，锁存／缓冲9F采用374。
7.根据权利要求1所说的智能监测仪，其特征在于电磁计数器10的触发电路11由一个74LS00与R、C组成的展宽单稳态电路，光电开关管GT2与晶体管BG2组成抗干扰电路和一个三极管BG3、BG4搭成的复合放大式驱动电路组成，单稳电路的触发端通过逻辑门电路(G1、G2)接到单片机WR引脚上，依靠软件支持将瞬时热值变化为量化数字脉冲驱动电磁计数器10计数。
8.根据权利要求1所说的智能监测仪，其特征在于在打印机6的驱动电路7中包括一个上电开关电路，它由一个光电隔离式开关电路(BG5、GT3)控制一个三极管(BG6)放大电路，用于驱动继电器J的闭合，上电开关电路的触发端接在单片机双向接口的一个引脚上(P1、4)，借助软件支持在微型打印机工作时上电，“准备”状态下掉电。
9.根据权利要求1所说的智能监测仪，其特征在于参数设定拨码盘(12、13、14)系用来设置蜗轮流量计流量系数ζ值或其它特定参数值，其个数等于供热系统支路个数，其配套电路可以采用244或者8155芯片构成。
10.根据权利要求1所说的智能监测仪，其特征在于功能键盘4上设置有随机查询各测点温度、流量、瞬时热值、累计热值的转换按键。
专利摘要本实用新型涉及到一种对锅炉供热量化管理的智能化监测仪，其结构中包括一个以单片机为核心的微机处理系统，一套对锅炉供热系统中给回水水温与流量的采集电路及配套的累计热量电磁计数器及其驱动电路。依靠软件支持本仪器可以实现对供热系统的多点测温与流量监测，并根据预置的处理方法实现温度、流量、热值的数字化显示和记录，为实现锅炉量化管理提供了准确的数据。其设计上采用高抗干扰处理，在软硬件电路上均加强了可靠性保证。
文档编号F22B37/00GK2054519SQ8921442
公开日1990年3月14日 申请日期1989年7月27日 优先权日1989年7月27日
发明者苟贵, 王发, 刘正满 申请人:河北建筑工程学院