家庭自动化docWord格式文档下载.docx
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也就是说，它不单有进行“加法运算”的功能，而且还有
“记忆”的功能。
作为收费依据的自动累计仪表，记忆力是非常重要的，它不会把你已经消
费的总量忘掉，否则就没法收费了。
对水来说，如果没有自动累计总消费量的仪表，还勉强可以用已知容积的桶或罐来计量，
或用称重的办法计量。
燃气的立方米数就没法量了，总不能用已知容积的塑料袋，去一袋一
袋地计量吧。
其实，只要在管道上装个燃气表，就能把某个时间里总共用了多少气累计出来，
这就是家用燃气表。
水和燃气还算有形物质，电就更难计量了，它是看不见摸不着的。
何况电费的收取并不
单纯按电流的大小，也不是按电压的高低，而是按电流、电压、和用电时间三者的乘积来收
费的。
因此更得用专门的量具，这就是家用电度表。
在电度表里有“乘法运算”功能、“加
法运算”功能和“记忆”功能。
除了水表、燃气表、电度表以外，涉及自动累计的仪表还很多，比如我们常用的钟表，
它默默地为我们记录着时间的流逝，使得我们得以更准确地把握我们的人生，也使社会更有
序；
还有汽车中使用的里程表等等，这些自动累计表无不为我们的生活提供了各种各样的
方便。
光阴胜似无价宝日夜累计时分秒
―――计时钟表
时间看不见，摸不着，计量它确实很困难，但是聪明的古人还是找到了各种
方法来计时。
最早的日晷（日规）使得人们可以根据太阳的影子来计时，但是到
了夜间就无法使用了。
因此人们又开始利用某种有规律的活动（漏水或漏沙等）
来计时。
直到现在，连最先进的原子钟也是通过铯原子的极有规律的振荡周期来
进行计时的。
铜壶漏滴
“寸金难买寸光阴”对我们来说是再熟悉不过的诗句了，
但是其中却揭示了计量时间的方法。
我国古代计时是用铜
壶滴漏，它使水从高度不等的几个容器里依次滴下来，最
后滴到最低的有浮标的容器里，根据浮标上的刻度也就是
根据最低容器里的水位来读取时间。
这样，就是无形的时
间改换成有形的尺寸了。
光阴自然可以用寸来计量。
那铜壶漏滴中的最低容器里的水位，是由高处的水一
滴一滴流下来，经过长时间的积累而形成的，所以铜壶滴漏的计时原理实质上就
是水滴总数的自动累计。
大约与我国同时使用铜壶滴漏的同时，在西方有了沙漏计时的办法。
在一个
葫芦形玻璃瓶中装半瓶细沙，把瓶子颠倒过来，让沙子经过瓶的细腰慢慢地漏下
来，这种方法计时的实质是沙粒的自动累计。
沙漏没有铜壶滴漏好，因为它没有
刻度标尺不便读数。
但是它小巧轻便，而且简单。
后来伽利略发现了单摆的等时性，即已知摆长的单摆，在重力加速度恒定的
情况下，其摆动周期不变的规律。
根据这个规律人们制成了机械式钟表，起初是
靠重锤，后来多用发条提供动力，都是根据摆的等时性工作的。
机械式钟表里有一个叫做“擒纵机构”的关键部件，它能把重锤或发条里储
存的能量一点一点地施加到摆上，使摆不致因能量损耗而逐渐停下来；
它又使钟
表的指针一点一点地转动，从而将时间一秒一秒地指示出来。
所以这类机械式钟
表的计时原理，实质上就是机械摆动次数的累计。
在手表里为了小巧紧凑，用带
弹性“游丝”的摆轮代替单摆，游丝是个形似蚊香的螺旋弹簧。
擒纵机构
所谓“擒纵机构”是由一个边缘上有一圈尖角
的轮子，和一个与钟摆相连的马蹄铁形钩子组成的。
这个轮子经过若干传动齿轮被重锤或发条驱动，它总
想转动，但是因为旁边有个讨厌的钩子把轮缘上的
尖角绊住了，它必需等钩子放开的时候才能转动。
那讨厌的钩子和钟摆相连，钟摆每摆动一次，右侧
的钩子就释放轮边上的一个尖角，让轮子转一个角
度，如此反复不已，轮子始终不能痛痛快快地连续旋转，只能一点一点地转下去。
不过，这
个总在轮子边上绊腿的钩子也有一定的积极作用，每当它释放一个尖角的时候，就会因重锤
或发条的力量顺势被推一把，于是通过钩子又间接给钟摆加一个力，免得钟摆停下来。
就这
样一绊一放地反复工作，钟表就滴滴嗒嗒地走下去。
时至今日，各种各样的石英表，不论是数字显示的或是带指针的，都是靠石英振荡元件
的稳频特性工作的。
用不着复杂的机件，最多不过有带动指针和日历的少数齿轮，所以价格
低廉，又不需上发条，因此受到普遍欢迎。
电子线路里的振荡、石英振荡元件和钟表里的摆轮的机械振荡似乎迥然不同，但是通过
理论推导可知它们的作用机理一样的。
无论用什么样的振荡电路构成电子钟表，它实质上是
电振荡次数的累计。
而每一次电振荡经历的时间是基本上固定不变的，因此就可以用来计时。
叶轮带动小指针用水多少记得真
——自来水表
大家一定都见过自家自来水管上的水表吧，在水表的表盘上有沿圆弧排列着
的好几个小指针，中央有个红色的小三角形，当龙头拧开有水在流动时，这个小
红三角就转动起来。
至于那些小指针，无论水流不流都几乎纹丝不动。
标度盘上
还写着“m3”的字样，即立方米的意思。
那就是说，这个表的读数的单位是立方
米。
因为每一立方米的水恰好是一吨重，读数直接就是吨数，因此水费可以方便
地按用水总量的读数（吨数）计算出。
那么水表的工作原理是什么呢？
实际上很简单，因为水表的壳体是固定的，
其内部的体积是固定的，而水是流动的，它推动一个叶轮旋转，每当叶轮旋转一
圈，就有一恒定体积的水流过。
因此，只要把叶轮旋转的圈数累计下来，乘以这
一恒定体积，就可以得到流过的总的水量。
原理我们已经清楚了，那么来具体看看水表的里面是什么样吧，因为为了防
止用户作弊，盖子上有铅封，不允许打开。
我们只有看看下图（图1）所示拆开的
零部件吧。
图1
水表的内部结构从外向里可分为壳体、
套筒、内芯三大件。
壳体是生铁铸成的，
水从进水口出来之后通过壳体的下部环形空
间，这里叫做“下环室”。
在这个环形空间
的上面有“上环室”和出水口相通。
套筒的
底部有个带有小孔的过滤网，滤出水中的杂
物。
套筒侧面有上下两排圆孔，孔的位置恰
好与壳体的上下环室对着，显然，下排是进
水孔，上排是出水孔。
特别值得注意的是，
这两排孔都是沿圆的切线方向斜着打的，它
的工作如动画所示。
注意上下两排孔的方向
相反。
水从下排孔沿切线方向流进去，势必
形成旋转的水流，这对于水表的工作是十分
重要的。
再来看看内芯，内芯又分为上、中、下三层，我们从玻璃窗看到的是上层，只有指针和
刻度盘。
其实最关键的是下层，这里面有个塑料轮，轮边上有许多塑料叶片，如上图（图1），
叫做“叶轮”。
叶轮所处的位置正好在套管下层孔所形成的旋转流里，水流冲击轮周的叶片，产生转矩，
使叶轮旋转起来。
龙头开得越大，水流越急，叶轮就转得越快。
叶轮的轴垂直向上到达中层，轴上面有个小齿轮，用它和“十进制数齿轮”啮合，达到
累计转数的目的。
“十进制数齿轮”的作用是每当个位数齿轮转十圈，十位数齿轮就转一圈。
换句话说，个位数齿轮转一圈，十位数齿轮就转十分之一圈。
个位数齿轮是主动者，靠它来
带动十位数齿轮。
实际上每一级十进位用两对齿轮完成，以使转动方向一致，其中一对传动比
是9:
30，另一对是10:
30，这两对串联在一起，总的传动比就是这两个的乘积，即0.099999，完
全可以近似为0.1。
照这样计算，如果要读七位数（小数点前读四位是黑刻度，小数点后读三位是红刻度），
就得用12对齿轮。
再加上别的一些用途，在这个中层小小的空间要挤进18根轴和34个齿轮，
也可算是高密度安装了。
真没想到，一个自来水表里居然还有这么多齿轮呢！
我们现在虽已经进入21世纪了，但这种机械水表凭借其简单价廉，能在潮湿环境里长期
使用而无需维修，而且不用电源，停电也不影响工作的优点依然会为我们长期服务。
电子技
术的自来水表虽已出现，但是要普及到我们寻常百姓家还需要相当长的时间。
你家用了多少气薄膜风箱来统计
——燃气表
随着生活水平的提高和环保意识的加强，人们日常做饭用的燃料已经从木柴、
煤等资源浪费严重，污染严重的常规能源转变为使用天然气和煤气，甚至是电等清
洁能源了。
在这里燃气表就要发挥其作用了，有了它的自动累计功能，使得那些使
用天然气或管道煤气的人家，可以方便地知道用了多少气，以便能按照每月消耗燃
气的立方米数缴费。
从燃气表的外面只能看到小玻璃窗里有个带数码的滚轮，滚轮上也有七位数
字，小数点前四位黑色，后三位红色。
用气的时候能看到最低位的数字轮慢悠悠
地转动。
当最低位从0转到9时，它前面的那一位数字轮就转动一下，使读数增加
一个数，这就是进位。
显然，这也是一种十进位的计数装置，叫“滚轮计数器”。
其外形如下图。
滚轮的外表虽然是光溜溜的只有数字，实际上每一位数字的两侧都有一圈轮
（有的是藏在数字轮里边的），相邻的两位旁边还有一个小齿轮和两个数字轮啮
合。
但是小齿轮的形状特殊，平时是打滑的，只在进位的时候带动比它高的一位
一起转。
虽然原理不算复杂，说起来却一言难尽，而且不容易用图形描述它的动
作。
这里就不解释其原理了。
滚轮计数器的优点很多，但它有个大缺点，就是进位的时候要同时带动高位
轮时，要克服很大的摩擦阻力。
燃气表由于推动力比较大，可以克服这个缺点。
燃气表与古老的火车头有着相同的原理，靠燃气的压力对外做功，推动滚轮
计数器计数。
具体怎么做呢？
把火车头中的汽缸、活塞机构大大简化一番，用
“风箱”代替汽缸，用“薄膜”代替活塞。
所谓“风箱”不过是用金属做成的空
盒子而已，盒子由两半拼起来，中间夹一张柔软而不透气的薄膜。
薄膜的中间部分有金属片夹着，是硬邦邦不能弯曲的“硬芯”，但周围的薄
膜十分柔软，使硬芯可以在盒子里左右运动。
薄膜把盒内空间一分为二，各形成
两个“气室”，即图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。
每个气室都有通气口，可经过这个口
进气或排气。
当左室的口进气，右室的口排气时，燃气的压力作用在薄膜上，使
硬芯向右运动。
反之，若右边进气，左边出气时，硬芯就向左运动。
可见，如果
把盒子看成汽缸，把薄膜和硬芯看成活塞，这不就和蒸汽机一样了吗？
在燃气表里使用了与蒸汽机相同的技术，使得薄膜和硬芯运动到最左边或最
右边时，燃气表可以继续运动。
具体说来，用两套风箱和薄膜，它们的硬芯都用
杆和同一根竖立着的轴相连，这个轴上有两个曲柄，两个曲柄也是相差90度，使
得两个硬芯的动作差半步。
其中一个运动到头时，另一个恰好在中间，永远不会
停下来。
示意图可参看下图。
这个图的上半部是目光平视时看到的曲轴和连杆，图的下半部分是从上往下俯视的样子。
从这里可以看出曲轴OC和OC'
恰好相差90度。
与前面的图联系起来看，其实连杆AB及BC和左
边的硬芯相连，连杆A'
B'
及B'
C'
和右边的硬芯相连。
从这个图中我们还可以清楚看到曲轴的转
动就带动了滚轮计数器，从而把耗费的气量累计下来。
燃气收费是按立方米来计算的。
风箱里的薄膜每动作一次所排出的气体体积由薄膜的面
积和动作行程（也就是动作的幅度）决定。
通过设计好这个体积，可以使得滚轮计数器读数
的单位正好为立方米，这样用气总量就可由滚轮计数器直接读出了。
一千瓦时算一度电流电压要兼顾
——电度表
电自从其诞生初，就开始改变着我们的生活。
时至今日，电作为一种最重要
的能源跟我们的工作、生活紧密地联系着，可以这么说，如果没有了电，人类社
会就不能正常地运转，整个社会就会混乱。
电作为这么重要的能源，如何来计量
它就具有了重要的意义。
但若要谈及计量它，首先必须知道如何计算电能？
在物理课里我们知道常用的电能单位是“度”，科学一点的叫法是“千瓦
时”。
它代表的就是在一个1伏的直流电压，给某个灯泡供电，电流是1安的情况
下，点亮一千个小时所消耗的电能。
这是在简单的直流电情况下“度”的含义。
在交流电的情况下其计算比较复杂，而工程上由于使用电压和电流的有效值，使
得其意义与直流电的情况基本上一致。
从电能单位的定义可见，要累计某段时间耗费了多少电能，必须把电流的安
数、电压的伏数、时间的小时数全都测出来，然后把三者相乘，才能得到瓦时数。
此数除以1000就是电能的度数。
这看起来挺复杂，但就是安在各家墙上的电度表
轻松地完成了上述计算功能。
从外面看，电度表上除了有类似燃气表的滚轮计数器之外，最突出的特点是
有个圆形的铝盘，能绕着竖轴转动。
盘边上还画了一道红油漆，用电时铝盘一转
就看到红漆记号向右边动。
用电越多（电流大）那红道就动的越快。
一般家用电度表用在单相交流电路里，目前这种表决大多数是靠电磁感应方
式工作的。
接在线路里正在使用的电度表是有铅封的，是不允许拆开的。
这里可
以把它的工作原理简单描述一番，让你对它的结构也略知一二。
为了便于理解，
我们可以演示下面的动画。
下面我们解释动画的内容。
在“U”字形铁心上绕一个线圈，并且通上交流电，当然就会在它的两极间形成交变磁力
线，这就是个交流电磁铁。
再用一个铝做的圆盘，圆心处穿一根轴，用两个轴承把它支撑起来，竖立在电磁铁的旁
边，使铝盘尽可能靠近电磁铁的两个极，但是互相不接触。
交变磁力线穿过铝盘，就在盘上
产生涡流，图上用带箭头的细线表示。
再把另一个电磁铁固定在铝盘的上方，使它的磁极向下并且处在涡流密集的地方。
这时
我们如果把图中的两个电磁铁都通上交流电，将会出现什么现象呢？
下面的电磁铁在铝盘上
形成的涡流恰好处在上面电磁铁的磁场里，物理上学过，通电的导线在磁场里会产生力，这
里铝盘就是导线。
这个力对铝盘来说形成转矩，使铝盘像电动机那样旋转起来。
正是由于它
的旋转使电度表走字的。
进一步分析，铝盘上的力是与上、下电磁铁线圈里各自流过的两个电流的乘积成正比的。
因此，只要把下电磁铁的线圈和用户的用电设备串联起来，使得流过下电磁铁线圈的电流等于
用户的总电流；
把上电磁铁的线圈接到进线电源，使流过它的电流和电源电压成正比。
这样
，铝盘上的力就与电流乘电压的积联系了起来。
但是铝盘转得太快也不行，用户会抱怨计量不准收费太高。
所以每台电度表都要经过校
验标定，调整它的快慢。
为了便于调整，在靠近铝盘处安装一块能调距离的永久磁铁，磁铁
的两级间有个不大的间隙，磁铁是不吸铝的，但是会在转动的铝盘上产生反力矩，阻碍其运
动，其大小随磁铁离铝盘中心的远近而变化。
到这里我们已得到了瓦，而电能是瓦时，因此我们只差一步就大功告成了，这就是还得
和用电的时间长短联系起来。
恰好滚轮计数器帮我们解决了问题，滚轮计数器本身就是个转
动圈数的累计器，它能自动地把已经消耗掉的电能统计出来，它既起了测量作用，又起了运
算作用，连乘法带累加都有了。
而且用的是机械计数器，即使停电，所计的数也能无限期的
保存。
至此，一个完整的电度表完成了
热量供销要做好公平合理还靠表
——热量表
北方冬季要供暖，为了节约能源，减少烟尘，大多数地区已通过热网集中供
热。
但是热能作为一种商品来出售，当然要收费了。
可是目前因为居民家里还没
安装热量表，只好暂且按建筑面积收费。
但是按建筑面积收供热费显然是不合理
的，应该按照用户实际用的热能来计算。
自动累计热量的仪器并不是没有，只不
过价格较高，还未进入家庭，现在已经用于供热总管上了。
我们在谈及计量热能时，首先必须知道如何计算热能？
从物理课本中我们学
过热量的单位是“焦”，符号是J。
但是工程上常用的单位是“千卡”即“大卡”
，符号是kcal。
换算关系是1kcal=4186.8J。
每一千卡的热量相当于一千克的水温
度下降一摄氏度所放出的热量。
由此我们知道了要计算用户使用的热能数，必须
测量进入用户和流出用户的水的温度差，这一部分的温度降低是由于用户的消费
导致的。
但这并不足够，我们还必须知道在此过程有多少水在放热，因此必须测
得此时刻的热水的瞬时流量，然后把它和温度差相乘，就可以得到这一时刻热水
释放热量的千卡数（也就是用户消费的热量）。
再用自动累加的方法随时把用户
的消费热量加在一起，累计满一个月就是当月消费的热量总数。
根据上面的分析，我们就可以开始设计热量表了，首先要把温度差测出，这
就需要两个“温度传感器”；
然后再把流量测出来，这就需要一个“流量传感器
”；
最后还要具有相减和相乘功能的辅助器件，以便能随时把得数累加起来；
就
这样一个热量表就制成了。
数字式热量表
图中为清华同方公司开发的数字式热量表。
该表可以通
过液晶显示器将所用热量和流量显示出来，并且可以将记数
值以数字的形式传送到供热中心进行统计。
热量表中常用的温度传感器，是由铂丝绕成的电阻，温
度越高它的阻值越大，电阻的大小可以通过导线传到很远的地
方去测量，根据铂电阻的变化我们就可以得到温度的变化。
当
然温度传感器并不是这一种，也可以采用其它种的传感器。
流量传感器种类也很多，热量表里常用的有孔板差压式、旋涡式、涡轮式等。
那么，什
么是涡轮式流量传感器呢？
其实它就是一个小水轮发电机，和水力发电用的水轮发电机是一
个道理。
只不过非常小巧而简单，仅仅是由管道里的一个叶轮和管外的线圈所构成。
叶轮上
有一小块磁铁，当叶轮被水冲动而旋转时，线圈切割磁力线就会发出交流信号来。
管道里的
水流量越大，当然叶轮转得越快，发出的交流频率就越高。
用频率来代表流量，这样就容易
传到别处去了，所以这才称得上是传感器。
虽然和水轮发电机原理相同，用途当然不是为了
提供电力，仅仅是传感而已。
至于差压式和旋涡式的道理，确实有点一言难尽，就不在这里
细说了。
由温度传感器测量的温度信号和流量传感器测量的流量信号最终都送到微处理机中，由
它的软件来完成相乘、相减、累加等运算。
算起来又快又准，最后把结果用数字显示在仪表
的窗口里，一目了然。
甚至可以进一步通过网络送到银行，自动从你的户头里把供暖费扣掉，
既省心又省事。
喇叭一响车轮转转数就把里程算
——里程表
乘出租车已成为大家日常生活中一件很平常的事，而出租车收费的主要依据
是所行驶的里程，收费多少是由计价器根据里程表的数据算出来的。
知道里程表
的原理吗？
且听我慢慢道来。
其实其原理很简单，因为汽车车轮的直径已知，车轮的圆周长便是恒定不变
的。
由此可以计算出每走一里路车轮要转多少圈，这个数也是恒定不变的。
因此
只要能够自动把车轮的转数积累下来，然后除以每一里路对应的转数就可以得到
行驶的里程了。
这样简单的原理古人就已经发现，并且开始使用了。
“记里鼓车
”就是这样的装置，它是利用上述原理，再加上巧妙的机构使得车轮每转一定圈
数就自动敲一下鼓，此时只要有专人把它记下了，就可以得到所走里程。
此装置
十分巧妙无论白天、黑夜均可使用，而且盲人也可使用，体现出了我国古代劳动
人民的聪明才智。
不过，如果车上没有人默记鼓声数目的话，单靠记里鼓车本身
还不能累计一共走了多少里。
而且车停下来之后谁也不知道这车曾经走过多少里
路，这是美中不足之处。
现在汽车上的里程表可就不一样了，它克服了“记里鼓车”的不足之处，既
能告诉你这次走了多少公里，也能记忆自从出厂以来一共走了多少公里，于是，
车辆是否需要大修，发动机比例关系是否应该报废，全都有记录可依。
汽车发动机的轴把动力传给变速箱，从变速箱的输出轴到车轮的传动比是不
变的。
在变速箱的输出轴上装有一根“软轴”，一直通到驾驶员面前的里程表里
去。
所谓“软轴”就是像自行车线闸用的拉线那样有钢丝芯的螺旋管，管壁和内
芯之间有润滑油，外管固定而内芯可以转动，这个内芯的转速与车轮的转速有着
恒定的比例关系。
软轴通到车速表，使得指针能把车的行驶速度指示出来。
同时，
软轴旋转还经过蜗轮蜗杆传到车速表中间的滚轮计数器上，把车轮的转数所代表
的里程数累计了下来，因为车速和里程都是靠同一根软轴传来的旋转动作驱动的，
所以这两个表在一起，前者用指针指示，后者由滚轮计数器累计。
工作原理参
见下图。
图中软轴1把旋转动作传来，经过减速器6送到滚轮计数器7，累计出的里程在小窗口里显示。
新型小汽车的里程表里包括由同一软轴带动的两个滚轮计数器，分别累计本次里程和总
里程。
本次里程通常有四位数，供短期计数，这是可以清零的；
总里程则有六位数，不能清
零。
本次里程的单独指示和清零对于出租车的计费十分不方便。
最近电子式车速里程表逐步推广，它不用软轴，而是在变速箱输出轴上安装脉冲发生器，
用导线把电脉冲传到仪表里，用脉冲频率指示速度，用脉冲计数器累计里程。
看起来电子式
车速里程表比先前的机械电磁式的更合理，因为它不用软轴传动。
但是因为机械电磁式的价
格比较便宜，在目前汽车里用得仍然比较多。
直线膨胀一点点，弯曲变形真明显
——双金属温控
在日常生活中，温度开关可能是
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