智能卡热量表技术原理及发展分析

１ 智能卡热量表的组成及工作原理
智能卡热量表是测量供热系统供热量的计量仪表，它是由流量传感器、温度传感器、阀门及其控制单元、ＩＣ卡操作系统以及积分仪处理单元等组成的智能型热量表。

通过ＩＣ卡进行数据传递，即可完成供热系统的预付费管理。

流量传感器：测量热水流量（可用耐热水表基表）。

温度传感器：需要２个，分别安装在热水的进／出口，测量热水的进／出口温度。

积分仪：根据与其相连的流量传感器和温度传感器提供的流量、温度测量参数，通过运算得出用户最终消耗的热量值。

其基本原理公式为：
式中：Ｑ：释放的热量（ＭＪ）；ｑｍ：热水的质量流量（ｋｇ／ｓ）；
Δｈ：入口和出口水的焓差（可由温度算出，ｋＪ／ｋｇ）；
Ｔ：时间（ｓ）。

２ 智能卡热量表技术的发展情况
２．１ 智能卡热量表流量计的技术及发展情况
热水流量计是用于测量流经换热系统的热水流量。

通常的流量计按照原理来划分，主要有面积式流量计、差压式流量计、流速式流量计和容积式流量计四大类（见表１）。

其中，主要应用于
热量表的形式有机械流速式、文丘里管式、电磁式、超声波式流量计等。

（１）机械式流量计。

机械式流量计的运动部件为叶轮，叶轮的转动速度与流经的流量成线性关系，一般是以脉冲信号的方式向积分仪提供流量信息。

旋转的叶轮产生脉冲信号，通过对脉冲信号分析就可以测量来水流量。

这种流量计的应用较为普遍，压损较小、拆卸维护方便，量程较宽，启动流速低，但需要过滤水质，防止转动部件阻塞。

（２）电磁和超声波流量计①超声波流量计
超声波流量计的原理在于测量高频声波在水流中的穿行时间，由于声波的波速直接受水流影响，管道中的水流速度可通过函数关系计算：
ｖ＝ｆ（ｃ，Ｌ）
式中：ｖ：水流速度；ｃ：在水流中声波的波速；Ｌ：声波穿行的距离。

基于其量程大的优点，这种原理的流量计适用于变流量系统。

根据上述方程，它的流量
智能卡热量表技术原理及发展分析
名 称
玻璃转子流量计、金属管转子流量计、冲塞式流量计
节流装置流量计（孔板、喷嘴、文丘里管及其它特殊
节流装置）、均速管流量计
机械流速式流量计（旋翼式水表、涡轮流量计、旋涡
流量计）、电磁流量计、超声波流量计等
椭圆齿轮流量计
类 别面积式流量计差压式流量计
流速式流量计
容积式流量计表１
测量性能直接受声波穿行的距离Ｌ的影响，因此Ｌ的取值越大越好，实际应用时会造成体积庞大。

超声波流量计精度较高、压损较少，但是易受管壁锈蚀程度、水中泡沫或杂质含量、管道振动的影响，价格较机械式贵得多。

②电磁式流量计
该流量计是根据法拉第电磁感应的原理制成，当导体在磁场中运动时会在导体两端产生可测量的电信号。

在将水流作为导体的前提下，水流速度可根据下列方程计算得出：
式中：ｖ：水流速度；Ｕ：测量端口间的电压；Ｂ：磁场强度；
Ｌ：测量端口间的距离。

这种原理的流量计具有较高的量程比，特别适用于变流量系统，并且有很好的测量精度。

但另一方面，它要求水流的导电性足够强。

电磁式流量计比机械式的精确度高、压损小，价格较机械式的高，工作中需要外部电源，这一特点影响了它的可靠性。

而且电磁式流量计对仪表安装位置要求较高，必须水平安装，还得有较长的直管段，这一点带来了安装、拆卸和维护的不便。

现热量表厂家大多采用多束旋翼式基表（与普通水表相同），由于受热后旋翼材料结水垢变形会影响计量精度，喷涂一层具有防垢、耐磨、耐高温的Ｓ－型系列悬浮涂料，可显著减少结垢，提高计量精度，并在入水口安装不锈钢网进行过滤，以防水中杂质进入。

２．２ 热量表的温度传感计的技术及发展情况
温度传感器用以测量供水温度（Ｔｓ）和回水温度（Ｔｒ）。

目前常用的有铂电阻和热敏电阻两种形式，由积算仪测量其电阻值并根据相应公式计算温度测量值。

金属或半导体的电阻随着温度变化而变化，测出其电阻值，就可以得出与之对应
的温度值。

几乎所有金属与半导体都有随温度变化而阻值变化的性质。

作为测温元件必须满足下列条件：
◆　电阻温度系数α应比较大，α值越大，热电阻灵敏度越高，α值与材料含杂质成分有关，与制造工艺（如拉伸时的内应力大小）有关；
◆　复现性要好，复制性强，互换性好；◆　电阻率大，这样，同样的电阻值，体积可制得较小，因而热惯性也较小；
◆　价格便宜，工艺性好。

（１）铂电阻温度计。

常用的金属热电阻有铂电阻、铜电阻、镍和锰电阻等。

铂电阻性质稳定，在－２５９～９６１℃的温度范围内被规定为基准温度
计。

在０～８５０℃范围内，铂电阻与温度关系可近似为下式：
ＲФ＝Ｒ０（１＋ＡФ＋ＢΦ２）
式中：Ａ、Ｂ：常数，由实验求得：Ф：温度（℃）；
ＲФ、Ｒ０：分别为Ф℃、０℃时的电阻值。

（２）半导体热敏电阻温度计。

半导体热敏电阻温度计通常用来测量－１００～３００℃之间的温度，与金属热电阻比较，有较大的负温度系统，因此，配用的二次仪表简单，灵敏度高，它的电阻比很大，因传感器体积小，结构简单，可以测量点温度和动态温度，连接导线引起的误差可忽略。

大多数热敏电阻，其电阻与温度的关系可以近似用下式表示：
式中：　ＲФ、Ｒ０分别为ＴΦ（Ｋ）、Ｔ０（Ｋ）时的电阻值；
Ｂ：常数，与半导体的成分、制造方法有关。

热敏电阻测温范围较窄，温度与电阻变化呈非线性，必须进行线性化处理；制造时的性能不稳定，给互换、调节、使用、维修带来困难。

比较热敏电阻、铂电阻的优点，铂电阻的优点是测量准确、阻值漂移小，因此一般的热量表采用的是成对的铂电阻做温度传感器，通常有ＰＴ１００、ＰＴ５００、　ＰＴ１０００型（以ＰＴ１０００为例，　即在
０时，电阻值为１０００Ω）。

测量方法可以分为２线制和４线补尝式。

２线制测量会因电阻而带来额外的误差。

为了将误差控制在一定范围内，减少引线长度变化引起的误差，出厂前应对电缆的长度与粗细进行严格的控制与标定，或者采用４线制测量电阻方式避免电缆造成的测量误差。

２．３ 智能卡热量表阀门的技术情况
目前市场上采用的控制阀主要分为三类，即电动球阀、电动陶瓷阀和电动先导阀。

电动球阀：采用小功率电机通过减速直接驱动的球阀开闭。

它的优点是结构相对简单，水阻小，只是球阀的球环加工精度要求高。

它的缺点是使用一段时间后存在由于水垢或微颗粒等使转动阻力增大。

目前众多厂家是采用每月定时开关阀门几次来解决此问题。

电控陶瓷阀：它的工作原理与球阀类似，只是阀门是平面结构。

电动先导阀：它是通过小功率电机带动磁柱运动先打开先导孔，通过有压力的水进入先导孔，利用水压打开阀门，所以一般来说它的功耗要小一些。

但目前它的结构比较复杂，加工成本要高一些，并且由于先导孔比较小容易堵塞。

在现有水表厂家中采用电动陶瓷阀的有２家，采用电动先导阀有４家，其他的厂家都是采用电动球阀。

目前一种浮动式球阀，由于开关阀的功耗较小，球阀无预紧力，压力转移到了聚四氟乙烯阀垫上，从而达到了既保证密封又能轻松开关阀门的目的，这种球阀被普遍采用。

２．４ 智能卡热量表电控板的技术及发展情况热量表的电控板除了包括积分仪电路、阀控电路、流量采集电路、ＩＣ卡接口、热量表参数显示电路、温度采样和放大电路等，且所有的电子元件都要耐高温。

积分仪电路根据流量计与温度传感器提供的流量和温度信号计算温度与流量，并且计算供暖系统消耗的热量和其它统计参数，显示记录输出。

通常热量表的电控板至少能够计算、显示和
储存如下数据：ａ累计热量；ｂ累计流量；ｃ瞬时流量；ｄ功率；ｅ供水温度与回水温度差；ｆ累计运行时间。

一些积算仪还能够显示记录其它参数，如峰值、谷值和平均值，可以远程输出数据，若是输入热量单价还可以计算热费，其它参数还有存储数据性能、传输数据性能、寿命可靠性、自备电源等。

目前智能卡热量表的电路板向着小型化、低功耗、抗干扰、低成本、实用功能方向发展。

在电路板上由贴面件取代插接件，机器自动焊接取代手工焊接，使部件更小、性能更稳定、成本更低。

在对单片机的选择上趋向于容量适中、功能丰富、性能可靠、价格低的元件。

在电路板的设计上淘汰了电光、蜂鸣报警而采用了更实用的关阀报警。

智能卡热量表的显示一般采用ＬＣＤ显示而不用ＬＥＤ，这是因为ＬＣＤ功耗小，更加精巧美观。

智能卡热量表的电池，正逐渐采用高容量的锂锰电池，其特点是容量大，可以密封在产品中，并且不产生钝化层。

３ 智能卡热量表的发展分析
３．１ 热量表的发展情况
根据专利文献，中国最早研制采暖用热量表的是１９８９年山西的一位教师，随着欧洲热量表进入中国，国家有关单位作为国家的“七、五”科技攻关课题开始研究仿制。

１９９７～２０００年，欧洲〈热量表〉标准（ＥＮ－１４３４）逐渐被一些企业单位科研院所和高等院校所了解和重视，中国热能表的研制开发走上了正轨。

２０００年２月１８日，建设部发布了“７６号令”——〈民用建筑节能管理规定〉，明确了“鼓励发展分户热量计量技术与装置”和“推行温度调节和户用热量计量装置”，进一步激发了中国热计量仪器仪表产业的热情。

继建设部２００１年２月５日发布，规定于６月１日起实施《热量表标准》（ＣＪ１２８－２０００）之后；２００１年１２月４日，国家质量监督检验检疫总局发布了《中华人民共和国国家计量检定规程（ＪＪＧ２２５－２００１）－热能表》，并规定２００２年３月１日起实施。

中国的热量表从法制概念上建立了关于生产
标准和技术检定的质量保证和监督的体系。

这两个国家标准和规程，都是以最新的国际标准为参考和依据的。

目前全国包括深圳华旭、北大三金、大庆联宜、天津创世、天津赛恩、大连佳德、山东博大、威海天罡、吴忠仪表等大约有６０多家大小企业在从事热量表的生产或销售工作。

２００４年１２月建设部组织召开的尽快编写热量表鉴定装置的研讨会，又为热量表的发展起了积极的推动作用。

３．２ 智能卡热量表现阶段存在的问题分析（１）技术方面：流量传感器的材料和技术问题严重的影响其使用寿命，塑料和金属材料的价格和性能偏差较大，应尽快找到一种性价比优良的材料应用到流量传感器上，否则它将制约国内热量表的发展。

（２）价格方面：现在热量表价格昂贵，在千元左右，特别是旧住宅应用热量表在费用上的负担很重，所以降低成本，保证质量，力争把价格控制在４００元以内，热量表应用阻力将大大降低。

（３）收费政策方面：现阶段热价的制定没解决，收费不配套。

由于我国住宅户型形式多样，即使同一住宅的住户达到同一温度时的用热也不同，关阀后户间还存在传热，再加上我国使用的暖气片有１６００多种、几万种规格，这使得热修正问题难以解决，难以制定出一个公平合理的收费政策。

（４）鉴定装置的问题：开始鉴定装置只一套，现已有六七套之多，且价格昂贵，虽然各厂家都按照热量表的鉴定规程来做，但没有统一的行业标准，标定台的问题很多，甚至出现一块表在一台标定台的不同部位上测出不同的结果，更不用说不同厂家之间的装置，所以制定热能表检定装置行业标准非常必要和紧要。

（５）供热行业的服务体系问题：现阶段我国的供热温度只能达到１８℃±２℃，用户不能设置高于２０℃，达不到一些用户的需求；目前我国供热系统的水质较差，管网和散热器的材料也主要是铸铁和钢材，在停止供热时期，管道内水放空、氧化、锈蚀问题无可避免地普遍存在。

多方面的原因造成水中不仅含有大量的有害化学物质，还有各种对流量计具有破坏性的杂质。

这些都对供热企业和中国的热量表提出了更苛刻的要求。

此外，再加上许多管网需要改造，成本较高，个别供热企业在没有明显优势的情况下，对使用热量表持排斥态度。

３．３ 智能卡热量表的前景分析
目前，供热计量改革正处于试验试点阶段，几乎所有的热表企业领导都因为市场未能达到预期的那样大而处于焦虑之中。

以热量表为唯一产品的企业更压力沉重而有“骑虎难下”的感觉。

热量表企业更需要处理好技术储备和产品储备二者之间的关系。

特别是在产品的可靠性上，既向外国同行学习，也投入研发的力量，针对中国的国情，不能照抄照搬、全盘仿制外国的产品，与外国技术先进的公司采取适当方式的合资、合作，取得独到的技术发展和水平提高，为规模生产发展打好技术基础。

供热收费体制改革是大势所趋，潜在市场巨大，在越来越多的厂家和科研单位关注和投入下，在国家收费政策、检定标准出台后，热计量技术会不断的完善，其产品的可靠性、稳定性、抗干扰性、价格及外观设计会有巨大的提高。

可以说热计量表的未来市场巨大，热计量厂家的发展前景可观。

参考文献
１ 于宏军，赵冬艳．智能（ＩＣ）卡技术全书．北京：电子工业出版社．１９９６年１０月第１版，１９９７年８月第二次印刷
２　王爱英主编．智能卡技术．　北京：电子工业出版社．１９９６年１月第１版
３　王卓人等．ＩＣ卡的技术与应用．　北京：电子工业出版社．１９９９年２月第１版
４　陆永宁．ＩＣ卡应用系统．南京：东南大学出版社．２０００年５月第１版
５　王树铎．中国热量表情况简介．２００３。