本实用新型属于一种水、蒸汽、空气能量测量控制表。

目前，对于作为能源的水、蒸汽、空气的测量计量，均以体积或重量流量为单位进行测量计量。这种测量计量方法，一方面计量的状态基准不统一，另一方面没有真正反映水、蒸汽、空气所具有的能量的本质，测量精度比较低，适用范围小，而且在能源管理中进行能源数据统计分析时，需要人为地进行水、蒸汽、空气的当量能量转换计算，不便于能源科学管理和控制。国内现有的水、蒸汽、空气流量测量智能仪表，大多是由单板机构成，体积大，价格高，且只能进行流量测量，均不具备控制和通讯功能。上海光华仪表厂虽然生产有以热量为单位的热水热量表和水蒸汽热量表，但只能测量，不能控制和与外部联网通讯，且能量模型适用范围小，又不能用于水和空气，通用性差。国外美国INTERSIL公司研制的RAMDACS系统虽然也采用了单片机进行水、蒸汽、空气流量测量，但不是以能量为单位进行测量，也不能进行连续控制调节，只具备位式控制输出，同时只能适用于单一介质测量，其精度也比较低，测量参数范围小。

本实用新型的目的是为了适应能源管理现代化的需要，直接以能量为计量单位，扩大水、蒸汽、空气测量参数范围，提高测量精度，减少人工干预操作，增强仪表的通用性，实现能量测量控制的全微机化、自动化、通用化，便于微机能源管理控制网络系统的推广应用。

本实用新型的构成如图1、图2及图3所示：它由单片微处理器IC1（型号8039或8049），外部扩展程序存贮器IC2（型号2716A／D转换器IC3（AD0809），D／A转换器IC4（DA0832）， 通讯接口IC5（型号8251），扩展接口IC6（型号8155）及打印机uP和参数设置开关DP19站号设置开关DP2等构成。扩展接口IC6接有键盘及数字显示器。IC7（型号74LS245）是总线驱动器，增强总线的负载能力。

扩展程序存贮IC2：如图1所示，扩展程序存贮器IC2通过单片微处理器IC1的端口P0、P2和控制线 PSEN与单片机IC1相联，其工作过程是：IC1通过端口P0在ALE控制线的作用下，将低位地址锁存在地址锁存器IC8（型号74LS273），然后与端口P2送去的高位地址一起送到IC2的地址端，在控制线 PSEN的控制作用下，IC2中的指令或常数值再通过IC2的数据端经数据总成DB送到IC1的端口P0，进入单片微处理器IC1中。

A／D转换器IC3：如图1所示，A／D转换器IC3通过单片微处理器IC1数据总线DB及控制线 RD、 INT、地址译码器IC9（型号74LS138）与单片微处理器IC1相联结，同时通过三片功能相同的IC22与外来信号相联接。其工作过程是：IC1通过端口P0将地址锁存在地址锁存器IC8中，通过译码器IC9译码，在控制线 WR的控制作用下，启动IC3，前置放大器IC22，将现场外部传感器或变送器的输出信号转换成电压信号，经限幅后送入IC3的模拟输入端，在IC3内进行模数转换，变换成数字量之后，IC3再通过数据端将转换的数据经数据总线DB送到IC1的端口P0，在地址译码器IC9和控制线 RD的控制作用下，将数据送入IC1中，IC1按照程序进行数据处理。

D／A转换器IC4：如图1所示，D／A转换器IC4通过数据总线DB及控制线 WR与单片微处理器IC1相联接，同时还与IC25和IC26相联，组成输出转换电路。其工作过程是：IC1通过端口P0经数据总线DB将运算处理后的数据送给IC4的数据端，并在地址译码器IC9及控制线 WR的作用下，将数据送入IC4，IC4通过模拟 输出端输出，送给放大器及电流转换电路，将模拟输出量转换成统一标准信号输出给控制装置进行控制调节。RL为控制装置的负载。

通讯接口IC5：如图1、图2所示，通讯接口IC5通过数据总线DB及控制线 RD、 WR与单片微处理IC1相联接，同时IC5通过接收和发送端 RXD、 TXD与图2电流环串行输入输出电路相联接，其工作过程是：IC1通过端口P0经数据总线DB分别在控制线 WR和 RD及地址译码器IC9的控制作用下，发送或接收数据，而IC5分别通过接收端 RXD和发送端 TXD，接收通过图2A电流环接收电路接收的串行数据或串行数据送给图2B电流环发送电路。图2A电流环接收电路的作用是将通讯总线BUS上的脉冲电流信号转换成脉冲电压信号，图2B电流环发送电路的作用是将IC5发送端送来的脉冲电压信号转换成脉冲电流信号送到通讯总线BUS上，IC27为分频计数器提供IC5的接收和发送时钟。

扩展接口IC6：如图1所示，扩展接口IC6通过数据总线DB和控制线 RD、 WR、T0、T1与单片微处理器IC1联接，同时IC6通过端口PA、PC与数码显示器联接，通过端口PBPC与键盘联接，其工作过程是：单片微处理器IC1通过端口P0经数据总线DB在端口P1和控制线 WR、 RD的控制作用下，接收或发送数据。IC6再通过端口PA和PC将IC1送来的数据送给IC11～IC14组成的显示数码缓冲器，再由IC15～IC21组成的驱动及七段译码电路带动数码管进行数字显示，而通过端口PB和PC扫描接收键盘的键值并将它送给IC1。

打印机部分：如图1所示，打印机通过数据总线DB、P2及控制线 WR，与单片微处理器IC1联接。其工作过程是：单片微处理器IC1通过端口P0经数据总线DB在端口P2及控制线 WR的控制作用下，将数据送给打印机。并启动打印机进行打印。

参数设置开关DP1：如图1所示，参数设置开关DP1通过单片微 处理器IC1的端口P1与DP1联接，其工作过程是：DP1开关的开与关，使单片微处理器IC1的端口P1的某输入线为高或低电平。

站号设置开关DP2：如图1所示，站号设置开关通过数据总线DB及控制线 RD与单片微处理器IC1联接。其工作过程是：单片微处理器IC1通过端口P0在控制线 RD及地址译码器IC9的控制作用下，经数据总线DB读取DP2的开关值来识别站号。

电流环串行接口部分：如图2所示，它由电流环串行发送部分A和电流环串行接收部分B组成。由图1中通讯接口IC5的串行发送端 TXD送来的脉冲数据，反相后驱动晶体管BG6导通和截止，进而带动光电隔离管BG7导通和截止，晶体管BG7的导通和截止使晶体管BG5导通和截止，因而使D8、D9、BG4等元件组成的恒流电路提供的电流以脉冲形式发送到发送线上。另外，由接收线上接收的脉冲电流信号经D11后驱动光电隔离管BG8导通和截止，进而使晶体管BG9导通和截止，变成脉冲电压信号，反相后送入图1中通讯接口IC5的接收端 RXD。

电源部分：如图3所示，工频交流电220V经变压器B由次级分别取得五个降压交流电压，通过D12～D15、D16～D19、D20～D23、D24～D27整流电路后，再由电容C6C8、C10、C12、C14滤波送入集成电路IC27～IC31、IC27～IC31输出后再经电容C7、C9、C11、C13、27C15滤波得到直流＋5V、＋24V、－12V、＋15V、－15V五个电源，分别联接到图1、图2的各个电源端。

仪表的工作程序有：上电复位主程序、打印机子程序、键盘处理子程序、通讯处理子程序和时钟中断子程序，其程序框图分别如图4、图5、图6、图7、图8、仪表开机接通电源后自动进入上电复位主程序开始仪表工作。首先初始化各端口，在显示器上显示0，再打开时钟中断，然后进入图6的键盘处理子程序，键盘处理子程序首先判断是否有键按下，如有键按下， 则延时20毫秒让键稳定后再扫描各行各列键，读取按下的键值直到该键释放，然后对键值译码，是命令键则对该命令进行处理，不是命令键便返回图4的主程序，如果没有键按下，则返回图4的主程序，由图6键盘处理子程序返回后，又进入图7的通讯处理子程序，通讯处理子程序首先判断是否有通讯数据可接收，如没有数据则返回图4主程序，如有数据，判断数据是否高位为1的本站号，如果是，则置通讯状态，建立通讯联系，然后再判断有没有新的数据接收，如果有，则判断是不是高位为0的命令数据，如果是则对该命令进行处理，处理完后清通讯状态，返回图4主程序，如果不是本站号或不是命令都返回图4主程序，由图6通讯处理子程序返回图4主程序后，接着判断是否八小时到了，再判断是否要打印，如果八小时已到并要打印时，则调用图5打印机子程序，打印八小时能量累计值等数据，否则返回图4主程序。图5是打印机子程序，执行打印机子程序时，首先判断打印机是否忙，如果忙则等待，如果不忙时，将要打印的数据送打印机，同时启动打印机打印数据，循环一直到所有要打印的数据打印完后再返回图4主程序。从打印机子程序返回到主程序后，又自动转入调用键盘处理子程序入口，这样周而复始，主程序在运行中无论到什么地方，如果秒钟时间到，则产生中断，即中断此时主程序的执行，转入图8的时钟中断子程序。图8时钟中断子程序开始便对时钟计数，并调整时、分、秒，然后对采样周期计数，判断是否到了规定的采样时间，如果时间没有到，则从中断返回，如果采样时间到了，则首先从参数开关上判断介质是水、饱和蒸汽、过热蒸汽、压缩空气中的哪一种，由此来决定采样的通道数，然后启动A／D进行采样，每个通道采样四次，标度转换后计算平均值进行数字滤波。所有通道采样输入完后，又从参数开关上判断出介质，对规定的介质进行瞬时能量计算，显示瞬时值，进行小时累计，再计算偏差。然后判断仪表是否工 作于自动状态，如果不是自动状态，则保存偏差值后从中断返回，否则，判断偏差是否大于控制精度，如果小于控制精度则从中断返回；如果大于控制精度，则进行超限保护判断运算，首先判断是否超限，如果越限，则进行超限保护运算，并进行增量PID运算，否则直接进行增量PID运算，然后将运算的结果进行标度转换后从D／A上输出进行控制调节，最后从中断返回。中断返回到图4进入中断的地方继续运行主程序，使得主程序周而复始地进行下去。

本实用新型以单片微处理器为核心元件，采用高精度、宽范围水、蒸汽、空气的密度与能量模型，其测量数据直观、准确、可靠，同时兼具水、蒸汽、空气能量测量和控制的双重功能，既可作单独现场仪表应用，又可作为微机能源管理网络系统的测量控制终端仪表使用。其技术特点如下：

一、采用高精度、宽范围水、蒸汽、空气密度与能量模型，直接以能量为计量单位，适合于微处理机应用。

1.饱和水蒸汽密度与能量模型：

（1）饱和水蒸汽密度模型：

PH＝a0＋a1tH＋a2tH2＋a3tH3＋a4tH4kg／m3（公尺／米3）

式中：a0……a4为回归系数；

tH为饱和水蒸汽温度℃。

ρH为饱和水蒸汽的密度

在0～3.0MPa（表压）范围内进行多重回归计算，求出各回归系数，其相关系数为0.99999980。

（2）饱和水蒸汽能量模型：

iH＝b0＋b1ttH＋b2tH2＋b3tH3＋b4tH4KJ／kg（千焦／公斤）

式中：b0……b4为回归系数；

tH为饱和水蒸汽温度℃。

iH为饱和水蒸汽的单位能量。

在0～3.0MPa（表压）范围内进行多重回归计算，求出各回归系数，其相关系数为0.9999777

2.过热水蒸汽的密度与能量模型：

（1）过热水蒸汽的密度模型：

ρ＝1／（A0＋A1e－t／b＋A2te－t／b）kg／m3（公斤／米3）

式中：A0A1、A2为与压力有关的回归方程；b为常数；t为过热水蒸汽的温度℃；ρ为过热水蒸汽的密度。

在0～2.5MPa（表压），100～450℃范围内进行多重回归计算，求出各回归方程，其相关系数为0.9999998。

（2）过热水蒸汽的能量模型：

i＝B0＋B1e－t／b＋B2te－t／b＋B3t2e－t／bKJ／kg（千焦／

式中：B0、B1、B2、B3为与压力有关的回归方程，t为过热水蒸汽的温度℃；i为过热水蒸汽的单位能量：b为常数。

在0～2.5MPa（表压），100～450℃范围内进行多重回归计算，求出各回归方程，其相关系数为0.9999955。

3.压缩空气的密度模型与能量模型：

（1）压缩空气的密度模型：

ρ＝（A0＋A1P）／（B0＋B1t＋B2t2）kg／m3（公斤／米3）

式中：A0、A1、B0、B1、B2为回归系数。t为压缩空气的温度℃；ρ为压缩空气的密态。

在0～2.0MPa（表压），0～100℃范围内进行多重回归计算，求出回归系数，其相关系数为0.999999093。

（2）压缩空气的能量模型：

i＝C0＋C1e－t／b＋C2te－t／bKJ／kg（千焦／公斤）

式中：C0、C1、C2为与压力有关的回归方程；t为压缩空 气的温度℃；i为压缩空气的单位能量；b为常数。

在0～2.0MPa（表压），0～100℃范围内，进行多重回归计算，求出各回归方程，其相关系数为0.99998。

4.水的密度与能量模型：

（1）水的密度模型：

ρ＝1／（D0＋D1P＋D2P2）kg／m3（公斤／米3）

式中：D0、D1、D2为与温度有关的回归方程；P为水的压力MPa（表压）；ρ为水的密度。

在0～2.0MPa（表压），5～120℃范围内，进行多重回归计算，求出各回归方程，其相关系数为0.9999979。

（2）水的能量模型：

i＝E0＋E1P＋E2P2＋E3P3KJ／kg（千焦／公斤）

式中：E0、E1、E2、E3为与温度有关的回归方程：P为水的压力MPa（表压）；i为水的单位能量。

在0～2.0MPa（表压），5～120℃范围内，进行多重回归计算，求出各回归方程，其相关系数为0.9999998。

5.本仪表的能量模型：

本仪表根据菱形杆均速管流量传感器的特点，选用菱形杆均速管流量传感器配套，其能量模型为：

I＝0.00042693αiD2ρΔP T／h（标煤）

式中：α为菱形杆均速管流量传感器的流量系数，精度为1％；i为被测介质的单位能量KJ／kg；D为被测管道内径（毫米）；ρ为被测介质的密度；ΔP为菱形均速管的测量差压（毫米水柱）。当测量水蒸汽时，式中管径应作温度修正，其修正方程为：

D＝D20〔1＋β（t－20）〕。

式中：D20为20℃时管道内径，mm（毫米）；β为管材的线胀 系数（毫米／毫米·℃）；t为介质温度℃；D为在t温度下的管径。

目前，国内现有的水、蒸汽、空气流量仪表中，大多采用密度校正方法，但其密度校正方程大多采用分段回归拟合的方法，其精度较低。本实用新型的密度与能量模型，在工业常用水、蒸汽和空气的压力和温度范围内，根据纯物质的维里状态方程式和标准数据表，只用一个拟合模型，且拟合误差最大不超过0.25％。本仪表以单片微处理器为核心元件组成，与目前大多数用单板机组成的多回路测量系统比较，结构简单、体积小、价格比低。并且仪表内存有水、蒸汽、空气的能量测量模型和能量控制模型，并设有介质选择开关和压力、温度、差压量程自由设定功能，与传统的统一介质型水、蒸汽、空气流量测量仪表比较，具有更好的灵活性和通用性，可以选择不同的介质和适应参数的不同范围，一表多用，本仪表采用标准的RS232电流环串行通讯接口技术，并具有测量和控制双重功能，既可作单独仪表使用，又可作为微机能源管理控制网络系统的终端测量控制仪表使用，组成多级微机能源管理网络系统，网络系统示意图如图9。本仪表采用统一标准信号为输入输出信号，便于与现有国产各类传感器、变送器和执行机构配套。本仪表能存贮能量数据八个小时，当在微机网络中应用时，八小时内上位机可不与本仪表通讯，可做网络系统以外的管理工作，充分发挥了上位机的作用，扩大了微机能源管理网络系统的应用范围。

本仪表的主要技术参数：

输入信号：0～10mADC或4～20mADC（直流电流）。

输出信号：0～10mADC或4～20mADC（直流电流）。

输入通道：3个，可扩展至8个。

输出通道：1个。

采样周期：大于1秒

采样精度：1／256。

最大通讯距离：＜1600米。

电        源：220V±10％        50HZ±10HZ（赫兹）

本实用新型可用单板机，各种微型机或功能更强的单片实现，但以单片微处理器最为简单、经济。当把其它能源介质的能量方程存入本仪表内时，可测量、控制包括水、蒸汽、空气和其它各种能源介质中的任何一种。在多级微机能源管理控制网络系统中应用时，一台上位机可与        156台本仪表联网。

附图说明：

图1：仪表系统总图；

图2：电流环串行通讯接口图；

图3：电源图；

图4：上电复位主程序框图；

图5：打印机子程序框图；

图6：键盘处理子程序框图；

图7：通讯处理子程序框图；

图8：时钟中断子程序框图；

图9：仪表在多级微机能源管理控制系统中的应用示意图。