熱量表

　　熱量計算

　　我國北方冬季要供暖，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，當然要收費了。可是目前因為居民家里還沒安裝熱量表，只好暫且按建筑面積收費。但是按建筑面積收供熱費顯然是不合理的，應該按照用戶實際用的熱能來計算。自動累計熱量的儀器并不是沒有，只不過價格較高，還未進入家庭，現(xiàn)在已經(jīng)用于供熱總管上了。

　　我們在談及計量熱能時，首先必須知道如何計算熱能？從物理課本中我們學過熱量的單位是“焦”，符號是J。但是工程上常用的單位是“千卡”即“大卡”，符號是kcal。換算關(guān)系是1kcal=4186.8J。每一千卡的熱量相當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算用戶使用的熱能數(shù)，必須測量進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導致的。但這并不足夠，我們還必須知道在此過程有多少水在放熱，因此必須測得此時刻的熱水的瞬時流量，然后把它和溫度差相乘，就可以得到這一時刻熱水釋放熱量的千卡數(shù)（也就是用戶消費的熱量）。再用自動累加的方法隨時把用戶的消費熱量加在一起，累計滿一個月就是當月消費的熱量總數(shù)。

　　分類

　　種類劃分

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

　　1、機械式熱量表

　　機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)從一個方向單股推動葉輪轉(zhuǎn)動的表為單流束表。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)從多個方向推動葉輪轉(zhuǎn)動的表為多流束表。該表相對磨損小，使用年限長。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的熱量表的統(tǒng)稱。它是利用超聲波在流動的流體中傳播時，順水流傳播速度與逆水流傳 播速度差計算流體的流速，從而計算出流體流量。對介質(zhì)無特殊要求；流量測量的準確度不

　　受被測流體溫度、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射式，工作原理是：超聲波換能器直接發(fā)射和接收信號確定流量。另一種是反射式也叫對流式，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。目前，國內(nèi)有些熱量表生產(chǎn)企業(yè)利用用戶對熱能表的結(jié)構(gòu)和原理不十分了解的情況，將一般機械熱表當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)與設計原理的不同，熱量表可分為

　　1、整體式熱量表

　　指熱量表的三個組成部分中（積算器、流量計、溫度傳感器），有兩個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，機械式熱量表當中的標準機芯式（無磁電子式）熱量表的積算器和流量計是不能任意互換的，檢定時也只能對其進行整體測。

　　2、組合式熱量表

　　組成熱量表的三個部分可以分離開來，并在同型號的產(chǎn)品中可以互相替換，檢定時可以對各部件進行分體檢測。

　　3、緊湊式熱量表

　　在型式檢定或出廠標定過程中可以看作組合式熱量表，但在標定完成后，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：單用于采暖分戶計量的熱量表，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)別在傳感器的信號采集和運算方式上，也就是說，兩種表的區(qū)別是程序軟件的不同。

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

　　2、由于空調(diào)系統(tǒng)的供回水設計溫差和實際溫差都很小，因此，（冷）量表的程序采樣和計算公式的參數(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配對溫度傳感器，配對誤差﹤0.1℃。一根有紅色標志，安裝在進水口，一根有藍色標志，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。R0=1000，即0℃時，溫度傳感器的電阻為1000Ω；

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

　　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線傳到很遠的地方去測量，根據(jù)鉑電阻的變化我們就可以得到溫度的變化。當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小水輪發(fā)電機，和水力發(fā)電用的水輪發(fā)電機是一個道理。只不過非常小巧而簡單，僅僅是由管道里的一個葉輪和管外的線圈所構(gòu)成。葉輪上有一小塊磁鐵，當葉輪被水沖動而旋轉(zhuǎn)時，線圈切割磁力線就會發(fā)出交流信號來。管道里的水流量越大，當然葉輪轉(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。

　　由溫度傳感器測量的溫度信號和流量傳感器測量的流量信號最終都送到微處理機中，由它的軟件來完成相乘、相減、累加等運算。最后把結(jié)果用數(shù)字顯示在儀表的窗口里，甚至可以進一步通過網(wǎng)絡送到銀行，自動從你的戶頭里把供暖費扣掉，既省心又省事。

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

　　韋根元件優(yōu)點：1. 產(chǎn)生脈沖耗電為零。

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

　　3. 無機械可動部分，無觸點，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，流量計所發(fā)出的流量信號，進行熱量計算、存儲和顯示的部件。目前多數(shù)熱量表積算儀的核心單片機采用集成單片機，性能強大，穩(wěn)定可靠，超低功耗，能適應惡劣供熱環(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，極大地滿足了計量檢定顯示要求。

　　計量檢測

　　計量精度

　　熱量表共分為三個精度等級，即：一級表、二級表和三級表。首先需要說明的是熱量表的精度等級不能用一個固定的誤差數(shù)字來描述，比如2%或5%等等，因為即便同一精度級的熱量表，隨著工作條件不同，對它的誤差要求也是不同的。

　　1、整體式熱量表的計量精度

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

　　一級表：E=（示值-標準值）/標準值*100%

　　二級表：E=（示值-標準值）/標準值*100%

　　三級表：E=（示值-標準值）/標準值*100%

　　其中：E——相對誤差極限，%

　　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、分體式熱量表的計量精度

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

　　在分體式熱量表中，由于流量計精度分為三個級別，所以導致分體式熱量表的計量精度也分為三個級別。

　　檢測方法

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

　　1、整體檢定法

　　整體式熱量表最好用整體檢測方法進行檢定，具體做法是由標準的檢定裝置分別設定一個流量和溫差，熱量的標準值由標準裝置直接給出，把被檢熱量表的熱量示值與標準裝置的標準值進行比較，即可得到被檢熱量表的誤差。只有這種檢定方法對于熱量表才是真正意義上的檢測，但是，這種方法對于檢定裝置的要求是極高的，目前國內(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熱量表的三個組成部分，流量計、溫度傳感器和積算器分別進行檢定，在得到三個部分的誤差后，它們的算術(shù)和即認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：就是只檢測流量計在流量計量方面的性能，其性質(zhì)就如同檢測一塊水表，不過對于熱量表的流量計，還要檢測其在不同溫度的熱水狀態(tài)下的計量特性。一般的做法是，根據(jù)被檢流量計的額定流量Qn在標準裝置上設定不同的流量點（流速）和不同的溫度條件，來綜合考察被檢流量計的誤差。流量點的設定如下：

　　出廠檢驗分三點：1.1qmin，0.1qp，qp

　　型式檢驗分六點: 1.1qmin，0.1qp，0.3 qp，0.5 qp，qp，0.9 qp，

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

　　所得到的測量結(jié)果按下式計算誤差：

　　E=（示值-標準值）/標準值*100%

　　其中標準裝置通常采用容積法，稱量法和標準表法三種。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準表法結(jié)合使用，即用標準表來保證操作的自動化，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，就地溫度傳感器進行單獨檢定。其做法是，把溫度傳感器放入恒溫裝置中，在不同的溫度點下，考察其所示溫度與標準溫度的誤差。需要注意的是，對于溫度傳感器不光要進行單支檢測，更重要的是還要檢測其配對誤差。

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

　　3、關(guān)于首次檢定：

　　做為計量器具，熱量表在安裝使用前必須由國家有關(guān)部門進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方法上是有區(qū)別的，因為首次檢定的熱量表是做為商品進行的使用前的檢定，其檢定方法不能對產(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其進行檢定。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，而這對于干簧管和霍爾原理的熱量表來說是不能實現(xiàn)的，因為它們的流量數(shù)據(jù)最小只能是1升。也就是說，這樣的熱量表不能對其進行首次檢定，從而也無法保證其質(zhì)量標準。

　　設計

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

　　壽命因素

　　影響熱量表壽命的關(guān)鍵是超聲波傳感器

　　中國科學院物理研究所研究員、中國住建部專家委員會成員、中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會技術(shù)委員王樹鐸教授對在中國使用的熱量表超聲波流量計進行了初步調(diào)查研究，測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)果令人擔憂！

　　目前，中國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。從近兩年上報住建部的幾十項相關(guān)科研成果中可看出，絕大部分的研究重點都集中在流量計的基表機械結(jié)構(gòu)（包括反射器和測量管段）設計，只有少量涉及傳感器輸出信號處理；普遍忽視了對超聲波換能器件性能研究，有些企業(yè)甚至對主要技術(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，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)有明顯錯誤；或者過于簡單，主要參數(shù)沒有提供；或者名不副實，實測結(jié)果偏差很大。

　　例如：幾乎所有的熱量表超聲波流量計換能器中心頻率標稱的都是1MHz。實測的結(jié)果是：僅有30%達到1MHz（1000KHz）5%；偏差最大的超過了12%?；蛟S可以認為：如果能在電路上調(diào)諧補償、配對使用，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)忽略了流量計超聲波換能器其它重要參數(shù)的配對一致性；包括：電容、電導、機械品質(zhì)因數(shù)、阻抗等。應該知道：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間差也就是超聲波流量計的精度。同樣條件下，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和進口的流量計超聲波換能器對這5個靜態(tài)參數(shù)的測量結(jié)果是：中心頻率偏差：1%；其它4個參數(shù)配對偏差：4%；而國產(chǎn)熱量表流量計的超聲波換能器能達到這個水平的極為罕見。這一差距，實在不可忽視！

　　即便是好的基表和信號處理電路設計，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量達不到技術(shù)要求，還可能在測量運行中發(fā)生無規(guī)律而無法補償?shù)淖兓?，以致縮短熱量表的使用壽命。