熱量表

　　熱量計(jì)算

　　我國(guó)北方冬季要供暖，為了節(jié)約能源，減少煙塵，大多數(shù)地區(qū)已通過熱網(wǎng)集中供熱。但是熱能作為一種商品來出售，當(dāng)然要收費(fèi)了。可是目前因?yàn)榫用窦依镞€沒安裝熱量表，只好暫且按建筑面積收費(fèi)。但是按建筑面積收供熱費(fèi)顯然是不合理的，應(yīng)該按照用戶實(shí)際用的熱能來計(jì)算。自動(dòng)累計(jì)熱量的儀器并不是沒有，只不過價(jià)格較高，還未進(jìn)入家庭，現(xiàn)在已經(jīng)用于供熱總管上了。

　　我們?cè)谡劶坝?jì)量熱能時(shí)，首先必須知道如何計(jì)算熱能？從物理課本中我們學(xué)過熱量的單位是“焦”，符號(hào)是J。但是工程上常用的單位是“千卡”即“大卡”，符號(hào)是kcal。換算關(guān)系是1kcal=4186.8J。每一千卡的熱量相當(dāng)于一千克的水溫度下降1℃所放出的熱量。由此我們知道了要計(jì)算用戶使用的熱能數(shù)，必須測(cè)量進(jìn)入用戶和流出用戶的水的溫度差，這一部分的溫度降低是由于用戶的消費(fèi)導(dǎo)致的。但這并不足夠，我們還必須知道在此過程有多少水在放熱，因此必須測(cè)得此時(shí)刻的熱水的瞬時(shí)流量，然后把它和溫度差相乘，就可以得到這一時(shí)刻熱水釋放熱量的千卡數(shù)（也就是用戶消費(fèi)的熱量）。再用自動(dòng)累加的方法隨時(shí)把用戶的消費(fèi)熱量加在一起，累計(jì)滿一個(gè)月就是當(dāng)月消費(fèi)的熱量總數(shù)。

　　分類

　　種類劃分

　　熱能表按照熱表流計(jì)結(jié)構(gòu)和原理不同，可分為機(jī)械式（其中包括：渦輪式、孔板式、渦街式）、電磁式、超聲波式等種類。

　　1、機(jī)械式熱量表

　　機(jī)械表分為單流束和多流束兩種，單流束表的性能是水在表內(nèi)從一個(gè)方向單股推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的表為單流束表。不足之外表的磨損大，使用年限短。多流束表的性能是水在表內(nèi)從多個(gè)方向推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的表為多流束表。該表相對(duì)磨損小，使用年限長(zhǎng)。葉輪分為兩種形式：螺翼式和旋翼式。一般小口徑DN15-DN40戶用表使用旋翼式。大口徑的工藝表DN50-DN300使用螺翼式。機(jī)械表的質(zhì)量保證期一般是2年。

　　2、超聲波式熱量表采用超聲波式流量計(jì)的熱量表的統(tǒng)稱。它是利用超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，順?biāo)鱾鞑ニ俣扰c逆水流傳 播速度差計(jì)算流體的流速，從而計(jì)算出流體流量。對(duì)介質(zhì)無特殊要求；流量測(cè)量的準(zhǔn)確度不

　　受被測(cè)流體溫度、壓力、密度等參數(shù)的影響。超聲波熱量表有兩種形式，一種是直射式也叫對(duì)射式，工作原理是：超聲波換能器直接發(fā)射和接收信號(hào)確定流量。另一種是反射式也叫對(duì)流式，工作原理是超聲波換能器通過反射板平面的反射速度確定流量。

　　3、電磁式熱量表

　　采用電磁式流量計(jì)的熱量表的統(tǒng)稱。由于成本極高，需要外加電源等原因，所以很少有熱量表采用這種流量計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)有些熱量表生產(chǎn)企業(yè)利用用戶對(duì)熱能表的結(jié)構(gòu)和原理不十分了解的情況，將一般機(jī)械熱表當(dāng)做電磁式熱量表介紹給用戶。此種現(xiàn)象需要警惕。

　　結(jié)構(gòu)劃分

　　根據(jù)熱量表總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理的不同，熱量表可分為

　　1、整體式熱量表

　　指熱量表的三個(gè)組成部分中（積算器、流量計(jì)、溫度傳感器），有兩個(gè)以上的部分在理論上（而不是在形式上）是不可分割的結(jié)合在一起。比如，機(jī)械式熱量表當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)芯式（無磁電子式）熱量表的積算器和流量計(jì)是不能任意互換的，檢定時(shí)也只能對(duì)其進(jìn)行整體測(cè)。

　　2、組合式熱量表

　　組成熱量表的三個(gè)部分可以分離開來，并在同型號(hào)的產(chǎn)品中可以互相替換，檢定時(shí)可以對(duì)各部件進(jìn)行分體檢測(cè)。

　　3、緊湊式熱量表

　　在型式檢定或出廠標(biāo)定過程中可以看作組合式熱量表，但在標(biāo)定完成后，其組成部分必須按整體式熱量表來處理。

　　功能劃分

　　熱量表按使用功能可分為：?jiǎn)斡糜诓膳謶粲?jì)量的熱量表，和可用于空調(diào)系統(tǒng)的（冷）熱量表。（冷）熱量表與熱量表在結(jié)構(gòu)和原理上是一樣的。主要區(qū)別在傳感器的信號(hào)采集和運(yùn)算方式上，也就是說，兩種表的區(qū)別是程序軟件的不同。

　　1、（冷）熱量表的冷熱計(jì)量轉(zhuǎn)換，是由程序軟件完成的。當(dāng)供水溫度高于回水溫度時(shí)，為供熱狀態(tài)，熱量表計(jì)量的是供熱量；當(dāng)供水溫度低于回水溫度時(shí)，是制冷狀態(tài)，熱量表自動(dòng)轉(zhuǎn)換為計(jì)量制冷量。

　　2、由于空調(diào)系統(tǒng)的供回水設(shè)計(jì)溫差和實(shí)際溫差都很小，因此，（冷）量表的程序采樣和計(jì)算公式的參數(shù)也比單用途熱表的區(qū)域大。

　　功率劃分

　　1、戶用熱量表：口徑DN≤40mm。

　　2、工業(yè)用熱量表：口徑DN>40mm

　　器件

　　傳感器

　　1、溫度傳感器是采集水的溫度并發(fā)出溫度信號(hào)的部件。它一般采用熱電阻材料，材料的電阻值隨溫度的變化而變化。熱量表采用的是Pt1000配對(duì)溫度傳感器，配對(duì)誤差﹤0.1℃。一根有紅色標(biāo)志，安裝在進(jìn)水口，一根有藍(lán)色標(biāo)志，安裝在出水口。Pt為鉑的分子式，其具有溫度系數(shù)大及在一定溫度范圍內(nèi)溫度系數(shù)是一常數(shù)的特點(diǎn)。R0=1000，即0℃時(shí)，溫度傳感器的電阻為1000Ω；

　　2、流量計(jì)（基表）：采集水的流量并發(fā)出流量信號(hào)的部件。熱量表采用韋根型流量計(jì)。

　　熱量表中常用的溫度傳感器，是由鉑絲繞成的電阻，溫度越高它的阻值越大，電阻的大小可以通過導(dǎo)線傳到很遠(yuǎn)的地方去測(cè)量，根據(jù)鉑電阻的變化我們就可以得到溫度的變化。當(dāng)然溫度傳感器并不是這一種，也可以采用其它種的傳感器。

　　熱量表流量傳感器常用的有孔板差壓式、旋渦式、渦輪式等。渦輪式流量傳感器是一個(gè)小水輪發(fā)電機(jī)，和水力發(fā)電用的水輪發(fā)電機(jī)是一個(gè)道理。只不過非常小巧而簡(jiǎn)單，僅僅是由管道里的一個(gè)葉輪和管外的線圈所構(gòu)成。葉輪上有一小塊磁鐵，當(dāng)葉輪被水沖動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈切割磁力線就會(huì)發(fā)出交流信號(hào)來。管道里的水流量越大，當(dāng)然葉輪轉(zhuǎn)得越快，發(fā)出的交流頻率就越高。用頻率來代表流量，這樣就容易傳到別處去了，所以這才稱得上是傳感器。

　　由溫度傳感器測(cè)量的溫度信號(hào)和流量傳感器測(cè)量的流量信號(hào)最終都送到微處理機(jī)中，由它的軟件來完成相乘、相減、累加等運(yùn)算。最后把結(jié)果用數(shù)字顯示在儀表的窗口里，甚至可以進(jìn)一步通過網(wǎng)絡(luò)送到銀行，自動(dòng)從你的戶頭里把供暖費(fèi)扣掉，既省心又省事。

　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)的IC卡熱量表大都采用磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，雙干簧管接收脈沖計(jì)數(shù)。現(xiàn)在又開始逐步采用韋根元件。

　　韋根元件優(yōu)點(diǎn)：1. 產(chǎn)生脈沖耗電為零。

　　2. 在脈沖重復(fù)頻率0~10KHz范圍輸出脈沖幅度與寬度恒定，與被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)（移動(dòng)）速度無關(guān)，適合超低速檢測(cè)。

　　3. 無機(jī)械可動(dòng)部分，無觸點(diǎn)，固態(tài)封裝，環(huán)境耐受性好

　　4. 工作溫度范圍寬（-196℃~+300℃）

　　積分儀

　　采集溫度傳感器所發(fā)出的溫度信號(hào)，流量計(jì)所發(fā)出的流量信號(hào)，進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示的部件。目前多數(shù)熱量表積算儀的核心單片機(jī)采用集成單片機(jī)，性能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠，超低功耗，能適應(yīng)惡劣供熱環(huán)境要求，也多采用漢字和數(shù)字字符顯示各測(cè)量參數(shù)，參數(shù)可循環(huán)顯示，清晰、直觀，參數(shù)顯示分辨率高，極大地滿足了計(jì)量檢定顯示要求。

　　計(jì)量檢測(cè)

　　計(jì)量精度

　　熱量表共分為三個(gè)精度等級(jí)，即：一級(jí)表、二級(jí)表和三級(jí)表。首先需要說明的是熱量表的精度等級(jí)不能用一個(gè)固定的誤差數(shù)字來描述，比如2%或5%等等，因?yàn)榧幢阃痪燃?jí)的熱量表，隨著工作條件不同，對(duì)它的誤差要求也是不同的。

　　1、整體式熱量表的計(jì)量精度

　　由于整體式熱量表的各計(jì)量部件在邏輯上是不可分割的，所以它的精度必須由標(biāo)準(zhǔn)裝置一次性給出，它的誤差極限分別由下述公式給出：

　　一級(jí)表：E=（示值-標(biāo)準(zhǔn)值）/標(biāo)準(zhǔn)值*100%

　　二級(jí)表：E=（示值-標(biāo)準(zhǔn)值）/標(biāo)準(zhǔn)值*100%

　　三級(jí)表：E=（示值-標(biāo)準(zhǔn)值）/標(biāo)準(zhǔn)值*100%

　　其中：E——相對(duì)誤差極限，%

　　Δtmin——最小溫差，℃。

　　Δt——使用范圍內(nèi)的溫差，℃。

　　qp——常用流量，m³/h。

　　q——使用范圍內(nèi)的流量，m³/h。

　　2、分體式熱量表的計(jì)量精度

　　分體式熱量表的計(jì)量精度是由組成熱量表的三個(gè)部分：流量計(jì)、溫度傳感器和積算器各自的計(jì)量精度共同決定的，其誤差極限是上述三個(gè)部件各自誤差的算術(shù)和（也就是絕對(duì)值的和）。

　　在分體式熱量表中，由于流量計(jì)精度分為三個(gè)級(jí)別，所以導(dǎo)致分體式熱量表的計(jì)量精度也分為三個(gè)級(jí)別。

　　檢測(cè)方法

　　熱量表的檢定從原則上來說，應(yīng)當(dāng)盡可能模擬實(shí)際工作的狀態(tài)來進(jìn)行。但是熱量表的實(shí)際狀態(tài)是由流量和溫差二個(gè)參數(shù)的任意組合而確定的，很難模擬所有的實(shí)際狀態(tài)，所以，通常用下面的方法進(jìn)行檢測(cè)。

　　1、整體檢定法

　　整體式熱量表最好用整體檢測(cè)方法進(jìn)行檢定，具體做法是由標(biāo)準(zhǔn)的檢定裝置分別設(shè)定一個(gè)流量和溫差，熱量的標(biāo)準(zhǔn)值由標(biāo)準(zhǔn)裝置直接給出，把被檢熱量表的熱量示值與標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，即可得到被檢熱量表的誤差。只有這種檢定方法對(duì)于熱量表才是真正意義上的檢測(cè)，但是，這種方法對(duì)于檢定裝置的要求是極高的，目前國(guó)內(nèi)尚無這種檢定裝置。

　　2、分體檢定法

　　分體檢定法就是用不同的裝置對(duì)熱量表的三個(gè)組成部分，流量計(jì)、溫度傳感器和積算器分別進(jìn)行檢定，在得到三個(gè)部分的誤差后，它們的算術(shù)和即認(rèn)為是熱量表的整體誤差，而且不再產(chǎn)生新的誤差。具體做法是：

　　流量傳感器的檢定：就是只檢測(cè)流量計(jì)在流量計(jì)量方面的性能，其性質(zhì)就如同檢測(cè)一塊水表，不過對(duì)于熱量表的流量計(jì)，還要檢測(cè)其在不同溫度的熱水狀態(tài)下的計(jì)量特性。一般的做法是，根據(jù)被檢流量計(jì)的額定流量Qn在標(biāo)準(zhǔn)裝置上設(shè)定不同的流量點(diǎn)（流速）和不同的溫度條件，來綜合考察被檢流量計(jì)的誤差。流量點(diǎn)的設(shè)定如下：

　　出廠檢驗(yàn)分三點(diǎn)：1.1qmin，0.1qp，qp

　　型式檢驗(yàn)分六點(diǎn): 1.1qmin，0.1qp，0.3 qp，0.5 qp，qp，0.9 qp，

　　以上流量點(diǎn)分別在常溫，55+/-5℃，85+/-5℃的條件下各測(cè)量一遍。

　　所得到的測(cè)量結(jié)果按下式計(jì)算誤差：

　　E=（示值-標(biāo)準(zhǔn)值）/標(biāo)準(zhǔn)值*100%

　　其中標(biāo)準(zhǔn)裝置通常采用容積法，稱量法和標(biāo)準(zhǔn)表法三種。容積法受溫度的變化和介質(zhì)的氣化影響較大，所以很少采用。目前流行的做法是把稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法結(jié)合使用，即用標(biāo)準(zhǔn)表來保證操作的自動(dòng)化，用稱重來保證精度。

　　溫度傳感器的檢定：如果某些整體表的溫度傳感器和積算器是固定在一起的，那么將把溫度傳感器的誤差和積處器的誤差是加在一起的，否則，就地溫度傳感器進(jìn)行單獨(dú)檢定。其做法是，把溫度傳感器放入恒溫裝置中，在不同的溫度點(diǎn)下，考察其所示溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的誤差。需要注意的是，對(duì)于溫度傳感器不光要進(jìn)行單支檢測(cè)，更重要的是還要檢測(cè)其配對(duì)誤差。

　　積算器的檢定：由于積算器的設(shè)計(jì)原理各不相同，所以最好針對(duì)其各自的原理使用相應(yīng)的檢定方法。具體做法是，通過模擬裝置把溫差信號(hào)和流量信號(hào)輸入積算器，然后考察其計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果的誤差。

　　3、關(guān)于首次檢定：

　　做為計(jì)量器具，熱量表在安裝使用前必須由國(guó)家有關(guān)部門進(jìn)行安裝前的首次檢定。首次檢定與生產(chǎn)檢定或型式檢定在檢測(cè)方法上是有區(qū)別的，因?yàn)槭状螜z定的熱量表是做為商品進(jìn)行的使用前的檢定，其檢定方法不能對(duì)產(chǎn)品本身產(chǎn)生影響甚至損壞，這樣就意味著，不能用分體檢定的方法對(duì)其進(jìn)行檢定。這樣就需要熱量表在使用狀態(tài)下也能輸出很高的數(shù)據(jù)精度，而這對(duì)于干簧管和霍爾原理的熱量表來說是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗鼈兊牧髁繑?shù)據(jù)最小只能是1升。也就是說，這樣的熱量表不能對(duì)其進(jìn)行首次檢定，從而也無法保證其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　設(shè)計(jì)

　　首先要把溫度差測(cè)出，這就需要兩個(gè)“溫度傳感器”；然后再把流量測(cè)出來，這就需要一個(gè)“流量傳感器”；積分儀通過進(jìn)回水的溫差，流量及預(yù)制在內(nèi)部的熱涵值計(jì)算出熱能，通過內(nèi)部的儲(chǔ)存裝置連續(xù)儲(chǔ)存記錄能耗。最后還要具有相減和相乘功能的輔助器件，以便能隨時(shí)把得數(shù)累加起來；就這樣一個(gè)熱量表就制成了。

　　壽命因素

　　影響熱量表壽命的關(guān)鍵是超聲波傳感器

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、中國(guó)住建部專家委員會(huì)成員、中國(guó)城鎮(zhèn)供熱協(xié)會(huì)技術(shù)委員王樹鐸教授對(duì)在中國(guó)使用的熱量表超聲波流量計(jì)進(jìn)行了初步調(diào)查研究，測(cè)量分析了具有代表性的一批超聲波換能器的靜態(tài)參數(shù)。結(jié)果令人擔(dān)憂！

　　目前，中國(guó)幾乎所有的熱量表企業(yè)都已開始研發(fā)、生產(chǎn)超聲波熱量表。從近兩年上報(bào)住建部的幾十項(xiàng)相關(guān)科研成果中可看出，絕大部分的研究重點(diǎn)都集中在流量計(jì)的基表機(jī)械結(jié)構(gòu)（包括反射器和測(cè)量管段）設(shè)計(jì)，只有少量涉及傳感器輸出信號(hào)處理；普遍忽視了對(duì)超聲波換能器件性能研究，有些企業(yè)甚至對(duì)主要技術(shù)參數(shù)還缺乏必要了解。

　　首先:大約60%以上的熱量表企業(yè)在外購超聲波換能器時(shí)，沒有提出足夠全面的技術(shù)性能參數(shù)要求。一半以上的超聲波換能器生產(chǎn)廠提供的技術(shù)參數(shù)有明顯錯(cuò)誤；或者過于簡(jiǎn)單，主要參數(shù)沒有提供；或者名不副實(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果偏差很大。

　　例如：幾乎所有的熱量表超聲波流量計(jì)換能器中心頻率標(biāo)稱的都是1MHz。實(shí)測(cè)的結(jié)果是：僅有30%達(dá)到1MHz（1000KHz）5%；偏差最大的超過了12%?；蛟S可以認(rèn)為：如果能在電路上調(diào)諧補(bǔ)償、配對(duì)使用，中心頻率不在1MHz（1000KHz）也可行；問題在于：80%以上的生產(chǎn)企業(yè)忽略了流量計(jì)超聲波換能器其它重要參數(shù)的配對(duì)一致性；包括：電容、電導(dǎo)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、阻抗等。應(yīng)該知道：這些參數(shù)隨溫度的變化都將影響超聲波在水中傳播的時(shí)間差也就是超聲波流量計(jì)的精度。同樣條件下，國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和進(jìn)口的流量計(jì)超聲波換能器對(duì)這5個(gè)靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果是：中心頻率偏差：1%；其它4個(gè)參數(shù)配對(duì)偏差：4%；而國(guó)產(chǎn)熱量表流量計(jì)的超聲波換能器能達(dá)到這個(gè)水平的極為罕見。這一差距，實(shí)在不可忽視！

　　即便是好的基表和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，如果采用了劣質(zhì)及未經(jīng)老化處理的超聲波換能器，不僅是使得熱量表的流量測(cè)量達(dá)不到技術(shù)要求，還可能在測(cè)量運(yùn)行中發(fā)生無規(guī)律而無法補(bǔ)償?shù)淖兓?，以致縮短熱量表的使用壽命。