一种智能热量计价器的制作方法

本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及一种能准确对热量进行测量，并含有智能计价功能的智能热量计价器。

背景技术：

现如今，我国供热供暖与公共淋浴系统等的计量不够细化，收费不够合理化。随着智能化技术的发展，供热供暖企业进入了新的改革期、转型期。热量计价器是一种计量设备具，在供暖及淋雨系统等领域，能准确测量一定时间内流经设备液体所含热量多少，并根据测量时间及消耗热量显示应付费用。

现有技术中，计价器包括主控制器模块，主控制器模块分别与温度流量采集模块、电源模块、数字显示模块相连接；其中主控制器模块用于热量统计、精度修正、计算费用。当面临不同时段、不同人群计费算法应当有所区别，并且提高热量计算精度也是应当重视的重点。作为热量计价环节，高精度且具有智能计价功能的仪器显得格外具有实用性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服传统供热体计价方式不合理的缺点，提供一种新型智能热量计价器，并提供一种可靠的高精度热量计价方案，结构方面合理的优化方式。

本发明的智能热量计价器，应用于管道式流体热量测量，并予以计量计价，不仅可进行热量采集值，而且同时能分别对供热体温度值与流量值进行实时测量及显示。

本发明的智能热量计价器包括机体与内置管道部分，内置管道于机体上部分为整个发明的上接口，与机体下部管道接口为下接口，上下接口分别与供热体管道连接，使供热体流进内置管道内。内置管道贯穿于机体，并与机体实现一体化造型设计。使管道与机体连接处具有良好的封闭性，具有防水防雾的功能，使机体内控制器模块主体工作环境存在于一个稳定安全的环境中，运行更稳定。具体地，本发明的智能热量计价器包括供热体管道、计价器机体盖、控制器模块、数字显示屏、温度信号传输线、流量信号传输线、传感采集模块、固定螺栓孔、机体外壳、供热体管道、下接口、上接口；供热体管道一端连接下结构，另一端连接上接口，下结构和上接口分别接入外部供热管道；机体外壳与供热体管道为一个整体，并采用高周波塑料焊接；传感采集模块以螺纹连接形式连接于供热体管道之中；机体外壳包括多个固定螺栓孔，控制器模块通过所述多个固定螺栓孔螺栓连接在机体外壳；计价器机体盖与机体外壳之间采用卡扣连接；传感采集模块分别通过温度信号传输线与流量信号传输线连接控制器模块。

所述机体顶部采用流线型弧顶设计，仪器处于复杂环境中，机体顶部不会积水积液，具有一定的防水防酸优点。

所述内置管道内部包含采集模块，同时也实现一体化设计，即采集模块存在于本发明自带的管道中(本管道会存在多型号，实现多用途化)，方便本计价器在外部供热体管道中的安装。本系统在水管组件连接单元采用一体式结构设计，保证水电的强效隔离，保证系统的安全运行。

进一步地，所述采集模块包括：温度传感器与霍尔传感器，所述温度传感器与霍尔传感器通过信号传输线与所述控制器模块电连接；所述温度传感器用于测量供热体流经计价器时的温度，所述霍尔传感器用于测量供热体流经计价器时的流速。

进一步地，所述机体内包括电源模块、显示屏以及控制器模块。其中，所述电源模块与所述控制器模块电连接，用于智能热量计价器供电；所述显示屏与所述控制器模块电连接，用于显示所述显示消耗热量值、计价结果、供热体实时温度值与流速值。

进一步地，所述控制器模块包括信号处理模块、故障诊断模块、存储模块和计费模块。所述信号处理模块完成对采集信号的修正处理与计算处理；故障诊断模块完成对自身计价器的故障判别，判断信号是否置信；所述存储模块与信号处理模块、故障诊断模块以及计费模块相连接，用于储存程序与数据；所述计费模块完成对热量值的计费。

进一步地，所述信号处理模块接受温度与流量信号，并对所接受信号进行误差修正处理，得到一个高精度可靠地温度流量值，并根据温度流量值计算出热量值。

所述可靠高精度误差修正的处理方法步骤如下：

1)选定初始近似值x₀，其中x₀既可表示初始温度T₀，也可以表示初始流量L₀，计算S₀＝S(x₀)，S₀’＝S’(x₀)；其中是一个基于多项标准数组的拟合函数；

2)按照公式(1)迭代得到新的近似值x₁，其中x₁既可表示温度T₁，也可以表示流量L₁，以及与之对应的S₁＝S(x₁)，S₁’＝S’(x₁)：

x₁＝x₀‐S₀/S₀’ (1)

其中，如果x₁满足|α|<ε₁或|f₁|<ε₂，则终止迭代，以x₁为方程的根；否则根据步骤3)进行修改迭代，其中ε₁和ε₂允许存在误差。

3)如果迭代到达预先指定次数N，或者S₁’＝0，则迭代失败，否则以(x₁,S₁,S₁’)代替(x₀,S₀,S₀’)转到步骤2)进行处理。

4)经过N次修正后的x_N作为对x₀的修正，更符合理论规律S(x₀)，提高了所测值精度。

进一步地，所述的信号处理包括计算热量值程序，该程序对所测温度流量信号处理计算得到可靠性热量值。

所述故障诊断模块，当计价器发生故障或有发生函数能故障的预兆时，对所测型号是否能置信，基于神经网络进行故障判别，使本智能热量计价器存在自诊断功能。

所述的神经网络自诊断的算法步骤如下：

1)网络初始化。即确定输入与输出，学习率、隐层数和隐层节点数等，并将各节点间的连接权值和阈值初始化等；

2)计算隐含层输出。根据输入层和隐层间连接权值ω_ij以及隐层阈值a，输入向量X，依据公式计算隐层输出H；

式中，l为隐层节点数，f为隐层激励函数，该激励函数有多种表达形式，这里选择：

3)计算输出层输出。根据连接权值ω_jk和阈值b，隐层输出H，计算BP网络预测输出的公式为：

4)计算误差。网络预测误差e可根据网络预测输出O和期望输出Y计算：

e_k＝Y_k-O_k,k＝1,2,…,m (5)

5)更新权值和阈值。根据步骤四中求得的误差e更新网络连接权值ω_ij和ω_jk、阈值a和b：

ω_jk＝ω_jk+ηH_je_k,j＝1,2,…,l；k＝1,2,…,m (7)

b_k＝b_k+e_k,k＝1,2,…,m (9)

式中，学习速率η一般取值在[0，1]之间；

6)判断算法是否迭代结束，即满足迭代精度与否，若否，则跳回2)继续循环。其中最佳隐层节点数的选择可参考如下公式：

l＜n-1 (10)

l＝log₂n (12)

式中，n为输入节点数，l为隐层节点数，m为输出节点数，a为0‐10的常数。

7)所测温度值T和流量值L作为网络输入特征向量X，反应计价器健康状况的主要特征为流量和温度，根据以上计算得到网络连接权值和阈值，并更新权值和阈值，对测试样本故障分类输出为一组概率向量P＝[p1,p2,p3,p4]，向量中的值代表各类故障所对应的概率，p1表示温度失真，p2为流量失真，p3为两者失真，p4为其他故障，概率值最大的即为所定位的故障类别，最终完成故障诊断。

进一步地，所述计价模块，内置计价程序分时段分人群分情况的多段计价，对所得热量值完成计价计算得到计价结果，并将热量计价结果以及实时温度流量信号传导至显示模块。

进一步地，显示模块上显示计价结果、实时温度值和实时流量值。所以本新型热量计价器集实时流体温度计、流体实时流量计和热量计价器于一身，满足各方面的需求。

本发明热量计价器使用的为整机式安装，即整机一体式安装于管道之中即可对所需热量进行采集、运算和计价等操作。安装使用方便，制造工艺简单，并拥有较好的操作性。

本专利与现有技术相比，具有以下的优点与效果：本新型热量计价智能传感器可以进行水流量监测和显示、误差修正、自诊断以及按热量计价等功能，具有较新的物理量测量思路，并一系列的消除误差与故障诊断的方法，使本发明测试更准确，更稳定，更具有故障预判能力。

基于以上的误差修正方法和故障诊断方法，发明专利给出了实施例用于详细说明本发明专利的各模块功能。

附图说明

图1是本发明专利实施例热量计价器实物的轴测图。

图2是本发明专利实施例热量计价器实物的主视图。

图3是本发明专利实施例热量计价器实物的爆炸结构图。

图4是本发明专利实施例热量计价器系统组成示意图。

图5是本发明专利实施例迭代误差修正的流程图。

图6是本发明专利实施例AD采样温度、流量数据的算法流程图。

图7是本发明专利实施例计价子程序算法流程图。

图8是本发明专利实施例自诊断功能的BP神经网络算法训练和测试流程图。

附图标记如下：

1 计价器机体盖 52 控制器模块

3 数字显示屏 4 温度信号传输线

5 流量信号传输线 6 传感采集模块

7 固定螺栓孔 8 机体外壳

9 供热体管道 10 下接口

11 上接口

51‐传感模块；53‐显示模块；54‐直流供电电源；55‐辅助电源；61‐信号处理模块；62‐故障诊断模块；63‐储存模块；64‐计价模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，实物的轴测图如图。以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施，对本发明做进一步阐述，以下实施例是对本发明的解释。

参照图3，本实例提供一种热量计价器，包括：计价器机体盖1；控制器模块52；数字显示屏3；温度信号传输线4；流量信号传输线5；传感采集模块6；固定螺栓孔7；机体外壳8；供热体管道9；下接口10；上接口11。

参照图4，计价器模块包括：51‐传感模块；52‐控制器模块；53‐显示模块；54‐直流供电电源；55‐辅助电源。控制器模块52包括：61‐信号处理模块；62‐故障诊断模块；63‐储存模块；64‐计价模块。

组件间连接关系：传感采集模块6以螺纹连接形式连接于供热体管道9之中(螺纹未示出)，机体外壳8与供热体管道9为一个整体采用高周波塑料焊接，保证能达到一定的密封整体性；传感采集模块6与控制器模块52之间信号传输通过信号线传输连接；机体外壳8含有4个螺栓孔，控制器模块52采用螺栓连接，固定牢固；计价器机体盖1与机体外壳8之间采用卡扣连接，直接卡进安装，密封性好，安装拆卸简便。

具体的，机体外壳可以为耐热塑料制成的盒体。本智能热能计价器机体结构上采用一体化设计，将本设计整体安装于供热体管道之中，下接口10与上接口11分别接入供热体管道即完成安装，当供热体流经本设计的供热体管道9时，传感采集模块6完成对供热体实时的温度值与流量值的采集，分别通过温度信号传输线4与流量信号传输线5将信号输入控制器模块52。控制器模块52可以与外接电源连接，以使外接电源对热量计价器完成供电。

进一步，控制器模块52内信号处理模块61所含程序，对所测温度与流量信号进行误差修正，提高所测数据精度；同时完成对所流经流体热量值的计量计算。控制器模块52通过自身故障诊模块62判断自身所测数据是否失真，从而判断是否发生故障断。经过处理后的数据存储于存储模块63中，方便查看消耗热量趋势。

所测温度与流量信号可靠高精度误差修正的处理方法步骤如下：

1)选定初始近似值x₀，其中x₀既可表示初始温度T₀，也可以表示初始流量L₀，计算S₀＝S(x₀)，S₀’＝S’(x₀)；其中是一个基于多项标准数组的拟合函数；

2)按照公式(1)迭代得到新的近似值x₁，其中x₁既可表示温度T₁，也可以表示流量L₁，以及与之对应的S₁＝S(x₁)，S₁’＝S’(x₁)：

x₁＝x₀‐S₀/S₀’ (1)

其中，如果x₁满足|α|<ε₁或|f₁|<ε₂，则终止迭代，以x₁为方程的根；否则根据步骤3)进行修改迭代，其中ε₁和ε₂允许存在误差。

3)如果迭代到达预先指定次数N，或者S₁’＝0，则迭代失败，否则以(x₁,S₁,S₁’)代替(x₀,S₀,S₀’)转到步骤2)进行处理。

4)经过N次修正后的x_N与初始数值x₀相比，更符合理论规律S(x₀)，提高了所测值精度。

当计价器发生故障或有发生函数能故障的预兆时，对所测信号是否能置信，进行故障判别，本智能热量计价器将进行自诊断功能。

当信号经过故障诊断模块时，对信号进行的的处理步骤如下：

1)网络初始化。即确定输入与输出，学习率、隐层数和隐层节点数等，并将各节点间的连接权值和阈值初始化等；

2)计算隐含层输出。根据输入层和隐层间连接权值ω_ij以及隐层阈值a，输入向量X，依据公式计算隐层输出H；

式中，l为隐层节点数，f为隐层激励函数，该激励函数有多种表达形式，这里选择：

3)计算输出层输出。根据连接权值ω_jk和阈值b，隐层输出H，计算BP网络预测输出的公式为：

4)计算误差。网络预测误差e可根据网络预测输出O和期望输出Y计算：

e_k＝Y_k-O_k,k＝1,2,…,m (5)

5)更新权值和阈值。根据步骤四中求得的误差e更新网络连接权值ω_ij和ω_jk、阈值a和b：

ω_jk＝ω_jk+ηH_je_k,j＝1,2,…,l；k＝1,2,…,m (7)

b_k＝b_k+e_k,k＝1,2,…,m (9)

式中，学习速率η一般取值在[0，1]之间；

6)判断算法是否迭代结束，即满足迭代精度与否，若否，则跳回2)继续循环。其中最佳隐层节点数的选择可参考如下公式：

l＜n-1 (10)

l＝log₂n (12)

式中，n为输入节点数，l为隐层节点数，m为输出节点数，a为0‐10的常数。

7)所测温度值T和流量值L作为网络输入特征向量X，反应计价器健康状况的主要特征为流量和温度，根据以上计算得到网络连接权值和阈值，并更新权值和阈值，对测试样本故障分类输出为一组概率向量P＝[p1,p2,p3,p4]，向量中的值代表各类故障所对应的概率，p1表示温度失真，p2为流量失真，p3为两者失真，p4为其他故障，概率值最大的即为所定位的故障类别，最终完成故障诊断，具体故障分类诊断流程图见图8。

进一步，得到通过修正后的物理量计算出的热量值，控制器模块52内计费模块64通过设计的计费程序，完成计价计算，并将热量计价结果以及实时温度流量信号显示在数字显示屏2上，并以热量值为基础进行计价收费。其中触发计价程序流程图如图6所示，以及计价子程序算法流程图如图7所示。

进一步，本实施例的热量计价器，在面对不同季节时间段，不同人群进行计价收费。计价收费结果以及实时温度流量信号显示在数字显示屏2上。控制器模块52与机体外壳之间通过固定螺栓孔7完成固定，机体盖1将控制器模块52保护于机体外壳8之中。

控制器模块集成在一体式机体外壳之中，一体式的机体包括机体外壳8和供热体内置管道9构成，其中供热体内置管道中包含传感采集模块6，这三部分一体式的设计使机体具有良好的实用性与封闭性，为控制器模块部分提供安全稳定的工作环境。

进一步，如图2所示，机体的顶部是弧线性新型设计，当供热体管道外部环境产生的液体流经机体盒上部时，液体会随弧形结构继续下流，不会产生积水积液，具有一定的防水防酸优点。

热量计价器还可以包括：电源模块54、显示模块53以及控制器模块52。其中，所述电源模块54与所述控制器模块52电连接，用于智能热量计价器供电；所述显示模块53与所述控制器模块52电连接，用于显示所述显示消耗热量值、计价结果、供热体实时温度值与流量值。

本实例提供的热量计价器，可以准确的确定所消耗供热体所含有的热量值，并根据合理的计价方式予以计价，在直观的显示上，会将实施的温度值与流量值反应在显示屏上，方便了解供热体的供热状态。同时，含有自身故障诊断功能，为计价器是否发生故障，所测数据是否可靠提供重要依据，提高计价器可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。