热量表抗干扰研究 热量表技术指标

摘 要： 本文从硬件、软件及印制电路板的设计三方面阐述了热量表的抗干扰措施。在硬件方面论述了系统供电、流量计的选取；软件方面论述了“看门狗”技术和软件数字滤波；印刷电路板抗干扰设计论述了电源线和地线的处理、模拟电路与数字电路处理、电容的布局和印刷电路板尺寸和元器件、连线的布置。这样热量表的抗干扰能力能显著提高，热量表的实用性大大增强。
关键字： 热量表；抗干扰；软件；硬件

热量表是一种计量热量的装置，其能够显示采暖用户所用热量的多少，用户可以根据所用的热量缴费，以实现采暖用户计量收费的目标，因此该表的使用和推广对于节约能源和改革供热系统，提高供热系统的能量有效利用率起到巨大的促进作用。但是，目前我国部分地区水质很差，对热量表的元器件具有破坏性的作用。这样，供热系统怎样去除干扰就显得特别重要了。针对干扰源和干扰的传播途径，采用恰当的软硬件抗干扰技术是提高单片机系统可靠性的重要手段。

一、硬件抗干扰设计

通过合理的硬件设计能有效抑制干扰源，切断干扰传播通道。只要合理地设置与选择相关参数，硬件抗干扰技术就能抑制系统的绝大部分干扰。

1.系统供电的抗干扰设计

由于大部分热量表采用电池供电，电池本身有高频噪声，干扰系统的正常运行。因此消除电源干扰对于保证系统可靠运行尤为重要，在热量表的设计中可以采取两种措施：一是，可以采用TI公司的TPS76350型稳压芯片，这使电源供电的稳定性性大大提高；二是，可以在电路板上每个IC芯片的电源和地之间接都连接电容进行退耦，消除电源中的高频干扰和低频干扰。

2.涡轮流量计的抗干扰设计

为了保证涡轮传感器输出的脉冲信号有足够的灵敏度，在配置信号传输线时，应注意以下方面：第一，限制信号线的最大长度；第二，信号传输线应采用屏蔽电缆，防止外部的感应噪声，传输线屏蔽接地，传输线不能靠近强点设备。第三，在脉冲信号进入单片机时进行光耦隔离。

二、软件抗干扰设计

通过软件的可靠性设计，可以降低干扰对热量表系统工作的影响，确保热量表中的单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或报警。

1“.看门狗”技术为了解决单片机受到干扰而失控的问题，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，使程序脱离“死循环”。在正常操作期间，一次WDT定时时间到，将产生一次器件复位，让程序从头开始重新运行。

2.软件数字滤波

软件数字滤波是执行一段程序对采集的数字量通过计算减少干扰信号的幅度，提高信噪比。软件滤波的常用方法有算数平均值滤波法、中值滤波法、防脉冲干扰平均值法。

三、印刷电路板抗干扰设计

电路板设计的是否合理对系统的抗干扰能力影响很大，故印刷电路板的设计必须遵循一些抗干扰的设计原则，在设计中采取以下抗干扰措施。

1.电源线和地线的处理

在电路板的设计中，应尽量的加宽电源线和地线的宽度，在电路板布线完成后，对底层和顶层进行铺地处理，把电路板上的元器件需要接地的引脚都和都用覆铜层相连，这样可大大提高的系统的抗干扰性能。

2.模拟电路与数字电路处理

在电路板的设计中，应将电路中的模拟电路与数字电路加以区分，在PCB制作时，线宽上模拟电路应适当大于数字电路。AD转换器模拟地与数字地的分布要参考其芯片资料，严格按其要求进行布局。

3.电容的布局

电容的布局尽量将退耦电容和滤波电容、旁路电容放置在对应元件的周围。印制电路板的走线、引脚连线和接线引起电感，其存在会在电源线上引起纹波和毛刺，而在电源和地之间放置一个退耦电容可以有效滤除高频纹波。

本文分别从硬件和软件等方面对热量表系统的抗干扰进行了阐述，这样能显著提高热量表的抗干扰能力，增强热量表的实用性，为热量表的广泛应用奠定了基础。

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[5]宏滨，周莉，陈宏东.单片机嵌入式系统软件容错技术设计[J].工矿自动化.2002，（l）：29-31. 热量表在我国是一种新的计量器具产品。近几年来，热量表生产企业发展迅速；国家建设部等八部委联合签发的《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》的下达，更是直接鼓舞、推动了热量表企业的发展。随着我国民用建筑供暖体制的改革进程，集中供热用的热量表是属于国家规定“实行强制检定”的仪表产品，是作为计量收费的依据，也就是“用于贸易结算”的计量器具，按照《中华人民共和国计量法》第十二条和第十五条的规定：“制造、修理计量器具的企业、事业单位，必须对制造修理的计量器具进行检定，保证产品计量性能合格”“必须具备所制造修理的计量器具相适应的设施、人员和检定仪器设备”。现在，强调认真学习检定规程，实施建立检定系统装置；研究讨论检定技术方法，正是现阶段最值得关注的问题。

一，检定的意义

首先，如前所述，对热量表要实行检定，是法律的规定。2001年6月1日建设部发布实施的《热量表》CJ128-2000标准，在给出对热量表技术性能要求的同时,已规定了试验方法和检验规则，这是一个热量表生产时需遵循的部颁行业标准。我国《计量法》规定：“计量检定必须执行计量检定规程”“国家计量检定规程由国务院计量行政部门制定”。也就是由国家质量监督检验检疫总局于2002年3月1日批准开始实施的JJG225-2001《热量表检定规程》，正式成为“热量表首次检定、后续检定、使用中检验、定型鉴定及样机试验”适用的国家标准。已有此法，不可不依。然而，现在的相关企业，从领导、技术主管到工作人员，恐怕还没有普遍得到足够明确的理解和认识。

第二，检定对相关生产企业来说，是其产品质量的验证。正因为国产热量表都还没有经历多年实用的考验；对生产企业来说，都还未能积累必要的、来自使用中发现问题和解决问题的经验。出厂时认为合格，使用中发现了问题，售后服务的费用之高大大出乎予料，致使得不偿失，“急功”而未能“近利”。这方面的教训不少。因此，通过科学合理的检定，防患于未然，是非常重要的。作为新世纪热量表企业的特点，可以说凡是认真负责的企业领导, 都更自觉地把建立、改进、完善热量表的检定系统设备，放在比组织生产更重要的地位上了。

第三，检定对“顾客”来说，是决策购买的依据。同样因为热量表是一种“新”的“商品”。“上市”时间还很短，还没有形成显著的若干“名牌”的效应。认真负责的“内行”“买主”，会关注所选购的热量表检定的情况。为了赢得顾客的信任，吸引“买主”，热表生产企业搞好自己的检定系统显然也是十分重要的。我们曾建议：有关单位在大批选购热量表产品之前，要委派专人考察该生产企业的检定系统设备装置和实际运作情况。

综上所述，一个热量表生产企业，他们的产品出厂检定系统 —— 包括设备硬件和检定方法程序设计软件，是否科学、完备；检定操作技术人员在按照检定规程运作实施中，是否认真、负责；可以基本反应出其产品的质量和可靠性程度。既能体现企业领导是否有明确的计量法制观念，也必将会影响到企业的发展和效益。

国家标准JJG225-2001《热能表检定规程》中，对热量表的检定，从检定条件﹙包括环境和设备﹚、项目、方法及结果的处理，都有着明确的原则规定，是热量表生产企业建立检定系统的依据。关于按照检定规程建立检定系统装置，检定方法，等等；中国计量科学研究院的专家们有专门的论述。这里不再赘述。

二，几个相关的问题

近几年来，作者在一些相关研发成果的评估、新产品试制、和批量生产的鉴定中；以及和一些已有若干年生产、检定经验的热量表生产企业的交流、讨论中，遇到了一些问题，认为值得予以关注，特在此提出讨论。

1． 需要明确区别：用于计量管理机构对热量表进行定型鉴定及样机试验（相当于〈热量表〉行业标准中的〝型式检验〞）的系统；和生产企业用于出厂检验的系统；二者包括装置、设备和方法各有不同的要求和特点。一般说来，当然是前者要求严格，技术参数水平要高。但是后者也有其特点，而且做起来未必简单。譬如说，

——出厂检验系统必须考虑与生产批量相应的批量检定能力；即“日检量”。

——出厂检验系统应该是自动检定，包括检验结果数据的自动打印。应避免手工记录检测数据。这样才能既保证了高速、高效；也避免了人为因素可能造成的影响。

2． 讨论建立国内出厂检验系统（包括装置技术参数和方法）的相对统一的技术要求。这样做的目的，或者说其实质，是提高企业出厂检验系统的可靠性和可信性。从有利于供热体制改革和热量计量技术的发展的宏观上考虑，应该鼓励跨地区的竞争，优胜劣汰。但如果没有一个相对统一的技术要求的基础，要想避免地区保护，就没有足够的说服力。

3． 关于计量检定机构对送检（特别是作定型鉴定和样机试验）表发生部分指标未合格时的处理方法。希望能够在坚持原则的前提下，对某些非关键性指标、偶然发生，而该企业确实能及时改进而达标的项目，适当地、有限地、再给一些机会。〈热能表〉检定规程（JJG225—2001）在7．4章“检定结果的处理”中规定了：“经检定，符合本规程的热能表，签发检定证书；不合格的热能表，签发检定结果通知书，並说明不合格项目。”当然，有不合格的项目，就不能签发检定合格证书。这是原则。

由于热能表对我国来说，是一种新的计量器具产品，在生产和检验两方面都还没有积累足够完善的经验。因此，有时不可避免地会出现一些由于认识和理解而发生的问题。那么，是否能在指出某企业、某产品、的某项不合格的同时，给企业一个限期调整改进的机会，然后，再进行鉴定考核，而后作出否定或肯定的判据。当然，这也和检定收费的规定有关。希望计量检定机构能适当考虑中国的热量表生产企业，多是小规模或新项目，前期投入较大，而市场尚未形成规模这样一种特殊的阶段的状况；予以合理的照顾。

4．关于检定操作人员

《中华人民共和国计量法实施细则》第29条中，规定了计量检定人员必须考核取证。热量表涉及的技术比较复杂，对检定的工作人员，应该有更高的要求。因此适当的培训是必不可少的。

在丹佛斯公司关于热量表检定系统的方案中，专门有一章“操作训练”。他们认为：操作人员需要一个14天的训练。这个训练过程包括以下主题：

--- 对检定系统和它的性能的一个总的介绍

--- 在检定系统上工作；参考检定和参考仪表检定

--- 测量理论的一个总的介绍

--- 检定系统中质量系统的一个介绍（按照EN 45001标准操作质量系统）

--- 检定系统的不确定性估算（能理解，分析和评估）

此外，在丹佛斯公司的方案中，他们认为：应该有一个特殊的训练，使实验室检定操作人员能够使用质量手册，按照标准操作质量检定系统。这个质量手册是得到中国权威热量仪表校准实验室鉴定的基础。

三， 几点希望和建议

1. 每一个热量表的生产企业，都必须重视产品检定的工作。如果说产品的质量是企业的生命，那么“检定”正是产品质量的保证。

2. 在我国, 热量表作为一个新的产品，行业标准和检定规程公布实施还只有不过两、三年的经验。因此，企业建立的检定系统装置，需要不断地、及时地总结经验，发现问题；以适合检定规程的要求。这将需要持续地努力，需要一段可能不会太短的改进提高的过程。

3. 我们特别强调重视检定工作，因为这不仅仅是一个企业的产品市场能占有多大，效益能取得多少的问题。如果中国的热量表生产企业不能通过认真的检定工作以确保产品的质量，它所产生的消极的社会影响，存在着使热计量仪表这一新兴产业夭折的危险。众所周知, 中国国民对进口，特别是欧洲产品质量的信任度一向很高。中国市场上进口的热量表主要正是来自欧洲许多著名公司，他们正以30多年积累的经验，加上针对中国的特点,不断地在调整和改进，以适应中国的需要。如果我们的产品质量得不到保证，而进口产品再打出“价格”这张底牌，这前景将很难预料。

建设部等八个部位签发的《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》，对中国热量表的生产企业带来了机遇，既是鼓舞；也将是考验和挑战。我们衷心的祝愿：中国热量表的生产企业共同努力、认真、负责的工作，确保中国热计量仪表产业健康地成长; 在社会和政策条件进一步成熟时，在中国的热计量仪表大赛场上,“主场”取胜；在实现我国热计量仪表国产化的过程中，经受考验，取得胜利。为我国城镇供热体制改革做出贡献，同时，也获取应得的效益。 摘要： 提出了基于流体力学原理的热量表基表进水口导流片，形成双流束流动方案,调整水流方向、推动叶轮按预定方向旋转，在叶轮式顶盖径向位置设置调节筋条，来调节基表脉冲当量的新方法；开发了专用流量芯片TMS3723B的控制程序，实现了流量信号的准确、可靠采集。对相关研究具有重要的指导作用。
关键词：双流束 热量表 无磁式

1.引言

我国热量表技术较国外先进水平还有较大的差距。从国产热量表的三个重要组成部分积算仪、流量传感器和温度测量技术现状看，由于多采用进口微处理器，积算仪的有关问题得到了较好的解决。温度测量多采用技术较成熟PT1000铂电阻，也得到较好的解决。目前问题较多的是流量测量部分，国产热量表基表多采用原有热水表，其测量精度和可靠性难以达到热量表的流量技术要求，因此开发精度高、工作可靠的热量表基表，是目前热量表研制的重要课题。本文对热量表单流束基表技术问题进行分析探讨，提出了“导流片”分流和叶轮室顶盖设置“调节筋条”调节当量脉冲的新方法，得到了很好的效果。

2.单流束基表设计的技术方案

传统的单流束基表结构如图1所示，为了保证叶轮按一定的方向旋转，其进水口和出水口往往偏心设置，并在一定的部位设置当量脉冲的调整部件。这种结构存在以下弊端，首先进水口和出水口的偏心设置，给机械加工带来一定的难度，在加工进、出水口时，由于偏心设置，给工件的装夹、找正带来不便，费时费工，效率低下；同时给外形设计造成一定的困难，难以设计出美观的外形。再者，以往热量表基表多采用原有的单流束热水表，由于价格等因素的制约，其设计精度、材料的使用等存在较多的问题，其精度难以满足热量表流量检测精度的要求。

图1 传统的单流束基表结构示意图

为了消除上述弊端，本研究对热量表基表进行了全新设计。其结构如图2所示，为了便于加工，将进、出水口设计在一条直线上，这种设计给工件加工带来很大的方便，便于保证精度，可大大提高机加工效率。和传统基表相比，增加了叶轮式底座，底座和金属表壳过盈配合，叶轮室上盖和底座采用耐高温的PPS制作，可保证热水长时间浸泡不致发生变形，以保证热量表工作的可靠性。

图2 新型单流束基表
1－表壳底座 2－叶轮室底座
3－整流隔栅 4－叶轮
5－叶轮室上盖 6－表壳盖
7－挡块 8－半圆膜片
9－刚玉 1 0－轴套

叶轮式底座的俯视形状如图3所示，为了保证水流对叶轮叶片有一定的冲击角度和水流顺利流出基表，叶轮式底座进水口和出水口与表壳的进水口、出水口有一定的夹角，同时在进水口处设置一三角形的导流片。为了调节脉冲当量，在叶轮式上盖朝向叶轮的一面设置一横向筋条，通过调整筋条和基表进、出水口轴线之间的夹角，达到调节脉冲当量的目的。

图3 叶轮式底座

3.基表内部水流特性的分析

热量表工作时水流从基表进水口经整流隔栅进入基表，在叶轮室底座入口处由导流片分流成两股，分别从两个通道进入叶轮室。水流在叶轮室内产生旋转运动，推动叶轮旋逆时针旋转，之后依次经叶轮室出口、基表出口流出。本设计中所采用了无磁式流量传感方式，就是通过叶轮室上盖上方设置的三个电感在叶轮旋转时产生振荡信号来实现的。

由图3可见，叶轮室入口的收缩流道截面积A1沿水流方向逐渐减小，而扩张流道截面积A2逐渐增大，由不可压缩流体的连续性方程可知，过流面积和流速成反比，进入收缩流道的水流速度V1将增大，而进入扩张流道的水流速度V2将减小。由伯努利方程可以得到，V1减小，p 1增大，V2增大，p2减小，如此从两个通道进入叶轮室的水流之间就存在压强差 ，此压强差将推动水流向压强小的方向流动，从而推动叶轮逆时针旋转；收缩通道提高了进入腔体的水流速度，增大其动量，在微小流量时，叶轮受轴与轴承之间摩擦阻力的影响较大，如果基表中不设此导流片而是一个单一通道，水流更易直接从叶轮间隙流过，而不推动叶轮旋转，从而使始动流量值增大。

由上述分析可知，在流动初始时刻，两通道的几何形状对决定叶轮旋转方向至关重要，该设计依靠两通道出口的压强差使水流在基表腔体内沿逆时针方向流动。第二通道出口水流速度V2大于第一通道出口速度V1,并且偏转的角度较V1更大，这种流动机制决定了水流开始流动时叶轮必须沿逆时针方向旋转。

最初设计的叶轮室及导流片形状如图3，导流片前端靠近叶轮室外径处是一尖角，其与中心连线和横轴的夹角为8度，在进行85℃热水试验后，导流片变形受损，因此，必须加以改进。改进从两个方面着手，一是更换耐高温的材料，再就是改变导流片的几何形状。

导流片的改进示意图见图4。改进前的导流片横截面为三角形ABC，改进后为五边形AAB’BC。A’，B’比A、B两点向中心线方向偏移2°。如此改动之后导流片的横截面积增大，厚度增加，强度也必然相应提高。同时，导流片靠近中心线一侧倾斜角度减小，改变了收缩通道的形状，流经此通道的水流流动情况相应的会发生变化。

图4 导流片改进示意图

导流片截面积加大，收缩通道变窄，由连续性条件知，此处水流速度必然增大，水流就会以更大的动量冲击叶轮。另外，在导流片顶端平面加一小圆柱体挡头，可以起到加固导流片的作用，增强其承受水流冲击力的能力。改进后的导流片经实验证明，高温时大流量下，导流片也不会发生变形，可保证基表的正常工作。

为了进一步改善基表的性能，对叶轮的材料也进行了改进。原设计叶轮材料采用的是PPS，改用尼龙66＋玻璃纤维，改进后叶轮重量减轻，其与轴承间的摩擦阻力相应减小，通过对基表以上综合改进，基表的始动流量减小，脉冲当量增加明显。试验结果表明，始动流量值由原来的16L/h降低为10L/h左右。脉冲当量增大8％左右，大大改善了及表的性能。

为了保证基表间当量脉冲一致，以往基表往往在不同的部位设置调节部件，以调整脉冲当量的大小，为了简化设计、改善工艺性，本研究在叶轮室顶盖下面的径向位置上设置筋条，如图5所示。通过调整筋条和水流方向之间的夹角β，来改变脉冲当量的大小。实验表明这一方法对调节基表脉冲当量十分灵敏、有效。该方法与传统的其它方法相比，具有结构简单，工艺性好、易于调节的优点。

图5 调节筋条示意图

4.流量信号的采集

传统的流量信号采集方案多为有磁式，具有抗干扰能力差，永久性磁铁退磁和含铁性杂质易吸附等缺点。本研究采用无磁式传感器方案，具体电路方案为TMS3723B方案。

TMS3723B是美国德州仪器公司生产的流量芯片，被广泛应用于欧洲热量表产品。它的内部有12个控制寄存器和13个数据寄存器，通过向控制寄存器中写入数据可以实现对采样频率、比较器比较电压、中断方式、时钟信号源、电感的开启和关闭等项目的控制，读出数据寄存器中的内容可以知道各个电感的状态、叶轮旋转圈数、叶轮旋转方向等信息。

实际在热量表中使用TMS3723B主要是读取1/4旋转寄存器和电感状态寄存器中的内容。当叶轮旋转一圈时1/4旋转寄存器中的数据加4，当1/4旋转寄存器中的数据读出后可自动清0。只要定期读取1/4旋转寄存器中的内容，就可以计算出在这一时间间隔内的叶轮转速。电感状态寄存器中保存当前电感的状态等信息，通过读取电感状态寄存器中的数据可以判断电感是否存在故障。下面简要说明一下TMS3723B是如何判断电感状态并计数的。

流量传感器由3个电感线圈构成，它们在旋转轨道上间隔90度均匀分布，其下部为叶轮，叶轮顶面在半圆区域内涂附了用蒸汽处理过的阻尼材料。

每个电感均和电容组成LC振荡电路，由TMS3723B定期对LC电路充放电以使LC电路产生逐渐衰减的正弦信号，比较器把衰减的正弦信号转换成数字脉冲，只要输入电压高于设定的内部值,脉冲就将持续高值。

无阻尼振荡 阻尼振荡
图6无阻尼和有阻尼振荡波形

当电感位于阻尼材料处时，由于会在阻尼材料中感应出电流，正弦信号的衰减速度会加快，电感处于有阻尼状态。相反当电感位于无阻尼材料处时，正弦信号的衰减速度较慢，电感处于无阻尼状态。TMS3723B芯片通过内部的比较器可判断出这两种状态。两种状态的波形如图6所示。

当叶轮旋转时，三个电感依次在有阻尼状态和无阻尼状态之间切换，TMS3723B判断各个电感的状态，写入相应的状态寄存器中。每旋转一圈，TMS3723B内的1／4旋转计数器加4。微处理器定时读取TMS3723 中的数据，并根据这些数据计算出流量。

5. 结 论

本研究提出了利用流体力学原理在基表进水口设置导流片来改变水流方向、形成对叶轮有效冲击的新方法。且通过调整导流片的几何形状和尺寸提高了基表检测精度，降低了始动流量，改善了基表的机加工工艺。提出了在叶轮室顶盖径向设置调节筋条、来调整基表脉冲当量的新方法，该方法较其它传统方法简便有效。采用美国德州仪器TMS3723B专用流量芯片，保证了基表流量信号的采集准确、可靠。实验检测表明，通过以上综合措施，本研究开发的热量表基表，整体性能达到国家标准的相关要求，达到国外同类产品的先进水平。

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The flux measure technique discuss of single-stream heat meter for domestic use
Du Guang-sheng Liu Zheng-gang Guo Llan-lan
Wang Ning Lin Qin-chun
(Shandong University, Jinan 250061)
Abstract: a new scheme using the hydromechanics theory of setting up a leading-flake in the inlet of the flowmeter to adjust the flow direction, therefore, to push the impeller rotate in a predetermined direction, and adjust the impulse equivalent of the flowmeter by adding ribs on the coping of the impeller chamber was proposed. Developed a special control program of flux chip TM3723B, and realized the accurate and credible collection of flux signal .it is useful to the relative research.
Keyword: heat meter flux single-stream

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