基于labview的智能热量表本科生毕业设计论文(编辑修改稿)

基于labview的智能热量表本科生毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

所示。 (l)应用程序。 它包含两个方面的程序 : 图 虚拟仪器软件构成 1)实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 山东科技大学学士学位论文 11 2)定义仪器测试功能的流程图软件程序。 (2)I/O 接口仪器驱动程序。 这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 NI 的虚拟仪器的开发平台助 LabVIEW 作为目前国际上唯一的编译性图形化编程语言，把复杂的语言编程简化为用菜单或图表提示的方法选择功能，并用线条把各种功能连接起来的图形编程方式。 LabVIEW 中编写的源代码接近程序流程图。 除了具备其他语言所提供的常规函数外， LabVIEW 中还集成了大量的生成图形界面的模板以及多种硬件设备驱动功能 (包括RS232， GPIB， VXI，数据采集板卡 )，另外还提 供了几十家仪器厂商的源码级仪器驱动程序，为用户开发仪器控制系统时节省大量的编程时间。 将LabVIEW 编程环境应用于仪器仪表测试领域有它的优越性 : 1)LabVIEW具有友好的用户界面 :由于测试人员需要通过不同的按钮及控制方式来进行测试，同时还需要通过不同的曲线和颜色来显示经过科学计算及分析出的测试结果，因而通过这种图形化的编程方式可以更直观有效的完成测试任务。 2)LabVIEW 不仅是一种图形化的编程语言，更是一种图形编程环境。 LabVIEW 具有和常规编程语言等价的语言能力，包含了基本的数据类型、数据结构、程序控制结构、函数库等要素。 同时还提供了两种运行状态，即编辑状态 (Edit)和运行状态 (Run)，给出了多种调试方法，如数据流动态显示等，从而将系统的开发与运行环境有机地统一起来。 3)LabVIEW 拥有丰富的仪器驱动库及统计分析库，因而特别适合仪器仪表测试领域的数据采集及分析。 4)LabVIEW 具有很强的数据统计和分析功能。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。 综合这些开发平台的 优缺点，本课题采用的是NI 公司的图形化虚拟仪器开发平台。 山东科技大学学士学位论文 12 3 系统总体规划 系统总体设计 整个系统由物业管理中心 PC 机及管理软件、采集器和用户热能表等组成，其中物业管理中心 PC 机通过 RS485/RS232 转换接口与各采集器通信，完成对采集器送来的各用户热能表数据的加工处理、报表生成，对采集器中的仪表数据进行远程监测、召唤和用户管理；采集器为单片机应用系统，接收用户热能表送来的数据和工作状态信息，并负责 PC 机和各用户热能表之间信息的传递；热能表进行各种消耗能源的计量与显示，采集器实现计量数据的转换和采集。 采集器由单片机系统构成。 采集器定时或实时巡检各户机，接收各表具送来的数据信息和工作信息。 采集器利用 RS485 串行接口完成与 PC 机通信或与下位机的各表具通信的功能。 智能热能表 (或采集器 )安装于每个用户家中，包括流量传感器、温度传感器、单片机系统等部分，其原理框图见第四章。 流量传感器用以检测热媒的流量，两只温度传感器分别测量供暖装置的进水温度和回水温度。 三个信号在单片机中进行处理和积算后得到用户的耗用热能。 热量计算方法 当热媒以一定温度从进水管流入一个热交换器（散热片、换热器等），用户在通过热交换而获取热量的同时，热媒便以较低 (高 )的温度从回水管流出。 在一定的时间内，用户所获得的热量可以下列方程计算出： TKVV）TT（KQ outin  () 山东科技大学学士学位论文 13 式中： Q热交换的热量； K—— 热水比重、热焓修正系数； Δ T—— 进、回水温度差； V—— 流过供热系统的热水流量。 引入修正系数 K 是因为进水（或回水）温度不同，即使在进回水温差相同的条件下，从流进系统等量热水中获得的热量也是不同的，此外相同体积的比重是随水温变化的。 由式 ()可知 ,交换热量大小主要由流量 V 和温差Δ T 确定。 由于供暖系统的负荷是季节性的 ,其大小随室外温度的变化而变化。 同时 ,为了保证供暖质量 ,防止水压失调 ,又要求供暖系统分阶段改变流量调节运行。 因此 ,系统中热交换的热量的两个参数 V 和Δ T 都是变量 ,其大小应由积分计算得到 ,即 dt）T,(Q 0  t Vf () 实际测量时 ,假设测量的时间间隔 dt 很小 ,则水温变化也很小 ,可近似认为温差Δ T 为一定值 ,因此积分计算可由累加和求得： n1nn1i inqQqQ   () iii VTKq  () iV —— 第 i 次测量的瞬时流量； iT —— 第 i 次测量的瞬时温差 iq —— 第 i 次测量的瞬时用热量； Q—— n 次测量所得的累积用热量 实际测量时，可以定时间间隔 dt 进行测量，也可以定瞬时流量进行山东科技大学学士学位论文 14 测量，第二种方法具体来讲就是当流量测量仪计量到一定量的水量流过时就对进、回水管道中的水温之差进行一次测量，按式 ()计算出 ，并对累计用热量进行一次累加计算，一定的水量可由程序设定。 显然，定流量测量方法比定时间间隔测量更为简便，而且在水流量大时测量间隔较短，水流量小时测量间隔长，可保证热量计量精确。 因此，本系统采用定流量的方法进行测量。 流量的测量 流量的概念 单位时间内通过流动的流体中任意一横截面的流体数量，称为“瞬时流量”，用 q 表示；在一定的时间间隔内流过该截面的流体总量，称为“累积总量”，用 Q 表示。 两者之间的关系是：  21tQ t qdt () 根据计算流体数量的办法或单位不同，可分为质量流量 (表示为 ，单位为 Kg/h)和体积流量 (表示为 ，单位为 h/m3 )。 两者之间的关系是： vm qq  () ρ为流体的密度，随流体的温度、压力而变化的。 与 之 相对应，累积总量 Q 也可分为累积总质量 (单位为 Kg)及累积总体积 (单位为 3m )。 质量流量不受温度或密度等流体诸条件的影响，但由于不容易测定，所以一般是先测定体积流量，必要时加以密度修正，然后求质量流量。 流量测定大致可分为两大类，即直接测定流量的方式和先求流速再通过流速乘以横截面积来求流量等方式。 由于流量测量仪表比温度、压力仪表受介质特性的影响要突出的多，流体的粘度、腐蚀性、导电性的不同都对流量测量仪表山东科技大学学士学位论文 15 有不同的要求，因此，要根据科研和生产的具休目的，合理选用原理和仪器。 流量传感器的分类 按照测量的方法可分为速度式、容积式和质量式流量传感器。 (1)速度式传感器以测量流体在管道内的速度作为测量依据，有差压式、转子式、机械式、电磁式、靶式、超声波式和涡街式流量传感器等。 (2)容积式传感器以单位时间内所排出流体的固定容积的数量作为测量依据，有椭圆齿轮式、活塞式、腰轮和刮板式流量传感器等。 (3)质量式传感器是一种以测量流过的质量为依据，有惯性力式质量流量传感器和补偿式质量流量传感器。 流量传感器 的选择 集中供热供冷计费中常用的流量传感器主要有电磁及超声波流量传感器、机械式流量传感器和压差式流量传感器几大类。 （ 1） 、超声波流量传感器 超声波流量 传感器是非接触式测量流量的传感器。 利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量，通常测量超声波在顺流与逆流中的传播速度差。 它没有插入被测流体管道的部件，故没有压头损失；传感器不与流体接触，对腐蚀性很强的流体也同样可准确测量。 传感器可在管外壁安装，故安装和检修时对流体流动和管道都无影响。 其缺点为造价太贵。 （ 2） 、电磁流量传感器 电磁流量传感器是测量导电性流体流量的传感器。 根据法拉第电磁感应定理，导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中将产生感应电势，电磁流量传感器正是基于这个原理工作的。 传感器无阻流元件 ，阻力损失极微，流场影响小，精确度高，可以测量含有固体颗粒或纤维的液体、腐蚀性及非腐蚀性液体。 （ 3） 、差压式流量传感器 山东科技大学学士学位论文 16 差压式 (也称节流式 )流量传感器利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。 它是工业生产中测量流量最成熟、最常用的传感器。 （ 4） 机械式流量传感器：从叶轮形式可以分成以下五种流量计： 1)单束旋翼式 2)多束旋翼式 3)垂直螺翼式 4)水平螺翼式 5)涡轮式 超声波流量传感器的测量精度高，使用寿命长，虽然价格较贵，但将来应有一定的前途。 四种传感器中，机械式流量传感器因其价格便宜、维修方便和对工作条件的要求相对不高，使得现在世界上 80%以上的集中供热供冷计费系统的流量计量装置采用的是机械式流量传感器。 其具有以下的优点： 1)压损小，量程比大：由于其他原理的传感器需要较高的启动流速，安装时需要大幅度地缩径，造成很大的压损。 由于机械式流量传感器的启动流速小，故量程比 (Qmax： Qmin)可达 40： 1 甚至 480： 1。 2)测量精度高，抗干扰性好：超声波和电磁式流量传感器的测量精度受水质和管道形状的影响很大。 当管网中有微小的焊渣和其它颗粒时，管道中的超声波和电磁信号会被严重扰乱。 管道振动和周围电磁波强度对非机械式流量传感器的正常工作都有影响，而机械式流量传感器有良好的适应性和测量精度。 3)安装维修方便：机械式传感器安装时，直管段要求较低，可以选择水平或垂直位置安装。 当传感器发生故障，维修十分方便。 4)结构简单、生产批量大，价格比其它原理的流量传感器低廉得多。 系统设计中，智能热能表需要测量瞬时流量，若流量测量仪的输出是与流 量成正比的频率信号，就可以通过计数器简单的得到累计值。 由于流量测量仪需安装在每个暖气用户家中的供暖管道上，要考虑到成本及工艺等问题。 鉴于以上原因，系统选用的是机械式流量传感器。 具体型号为可远传脉冲水表：当流体冲击叶轮旋转时，叶轮的转速与瞬时流量成正比，一段时山东科技大学学士学位论文 17 间内的转速与该时间段内的累积总流量成正比。 水表全部材料均采用高强度，耐腐蚀，耐高温，耐磨损材料，能长久承受高温高压。 量程大，计量准确，灵敏度高，低启动水流性能，低压头损失，可靠耐用，调整维修简易方便。 同时可配装远距离传输用水量信号装置，实现远程计量，其 参数为：工作水温不大于 900℃；公称压力 ； Mpa；可在潮湿环境中使用；远传信号为开关脉冲信号，每流过 升或 25 升 (任选 )发送一个脉冲信号；脉冲信号高电平 15ms，低电平多 15ms。 温度的测量 温度传感器的分类 在不同的测温范围和不同的使用场合，有下列几种测量原理和方法。 (1)利用液体或固体热胀冷缩的特性，以液体的体积变化或固体的变形来测量温度，如玻璃管液体温度传感器和双金属温度传感器等。 (2)利用液体或气体在定容下热胀冷缩后的压力变化或液体的饱和蒸气压力随温度变化的特性，如充液、充气和充蒸气的压力表式温度传感器。 (3)利用导体或半导体热电效应的特性测量温度，如热电偶温度传感器。 (4)利用导体或半导体的电阻随温度而变化的特性来测量温度，如热电阻温度传感器和热敏电阻温度传感器。 (5)利用晶体二极管或三极管 PN 结电压随温度变化的特性测量温度。 如 PN 结温度传感器和集成温度传感器 (半导体集成电路温度传感器 )等。 (6)利用物体热辐射强度随温度而变化的特性来测量温度，如光学高温计、光电高温计 、全辐射式高温计和红外线高温计等。 温度传感器 的选择 山东科技大学学士学位论文 18 集中供热供冷计费中常用热电阻式、热敏电阻式和集成温度传感器等几大类温度传感器，它们各有其独自的特点。 (1)热敏电阻温度传感器是以金属导体制成的热电阻作为感温元件。 其电阻随温度变化而变化，通过测量其电阻得到与其对应的介质的温度值。 根据温度系数分为两类：电阻系数为正的 PTC 热敏电阻和系数为负的 NTC 热敏电阻。 其灵敏度高、体积小、热惯性小、价格低、但非线形严重、稳定性较差、有老化现象、参数一致性较差，一般用于温度补偿，或用于精度不高的温度测 量。 (2)集成温度传感器是半导体集成电路，利用晶体管的 be 结压降的不饱和值 V 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的关系实现对温度的检测。 q/）KTlnI（VRE  （ ） 式中 K 为玻尔兹常数， q 为电子电荷绝对值。 其线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，应用广泛。 缺点为对量程和时间的稳定性较差，无法满足长期温度测量的精度要求。 (3)热电阻式温度传感器也是电阻式温度传感器。 其具有较高的测量精度和灵敏度，便于信号的远距离传送，适宜于低、中温的测量。 综上所述，热电阻式传感器能较好地用于本系统。 在热电阻式温度传感器中，主要有铜电阻、铂电阻和镍电阻温度传感器三种。 铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，性能可靠。 其缺点为价格较贵。 铜电阻的电阻值与温度的关系是线性的，电阻。