熱量表自動檢定系統(tǒng)設(shè)計

　　引言
　　
　　按照《中華人民共和國計量法》第十二條和第十五條的規(guī)定：”制造、修理計量器具的企業(yè)事業(yè)單位，必須對制造修理的計量器具進行檢定，保證產(chǎn)品計量性能合格”。熱量表是安裝在熱交換回路的入口或出口，用以對采暖設(shè)施中的熱耗進行準確計量及收費控制的智能型儀表。其工作原理是當水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)時，熱量表根據(jù)流量傳感器給出的流量和配對溫度傳感器給出的供回水溫度，以及水流經(jīng)的時間，計算并顯示該系統(tǒng)所釋放或吸收的熱量。熱量表在出廠之前都必須經(jīng)過檢定，為此設(shè)計了一種可以檢定多種口徑熱量表的檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為手動和自動兩種檢定方式，極大地方便了工作人員的使用，在檢定結(jié)束后通過比較控制系統(tǒng)計算的標準熱量值和被檢熱量表給出的熱量值是否在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，從而做出檢定結(jié)果。
　　
　　1、系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　檢定系統(tǒng)由熱水流量檢測系統(tǒng)、溫差檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。
　　
　　系統(tǒng)中熱水流量標準檢測系統(tǒng)主要由主標準器、供回水系統(tǒng)、試驗管路系統(tǒng)和流量、溫度、壓力計量顯示儀表等組成。其中，主標準器可選擇不同的結(jié)構(gòu)和類型組合，構(gòu)成不同形式、不同準確度等級的熱水流量檢測系統(tǒng)，主要有質(zhì)量法和標準表法。
　　
　　本設(shè)計中采用了自動和手動兩種方式、檢定方法包括質(zhì)量法和時間法（標準表法）兩種。
　　
　　1）質(zhì)量法標準計量器具采用電子稱;
　　
　　2）標準表法標準計量器具采用標準電磁流量計;
　　
　　3）供水系統(tǒng)主要由水泵、穩(wěn)壓罐、連接管路和閥門等組成;
　　
　　4）試驗管路系統(tǒng)主要由滿足標準流量計和被檢熱量表安裝要求的前后直管段、夾表裝置、瞬時流量指示、檢測表工作臺及安全保護罩、啟停閥、流量調(diào)節(jié)閥、換向器等組成。
　　
　　本檢定系統(tǒng)實驗管路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。　　　　
　　系統(tǒng)設(shè)計有4個檢定通道，分別對應不同口徑的熱量表檢定，設(shè)計zui多可以同時檢定7個熱量表。
　　
　　1.2熱水流量檢測系統(tǒng)
　　
　　熱水流量檢測系統(tǒng)在檢定過程中，通過電動調(diào)節(jié)閥和變頻器來控制流量，并通過兩個穩(wěn)壓罐來恒壓供水，使流量穩(wěn)定在設(shè)定值。在循環(huán)水的入口，出口和球閥等處裝有溫度和壓力傳感器，軟件主界面實時顯示其數(shù)值，到達檢定條件后即開始檢定過程。
　　
　　1.3溫差檢測系統(tǒng)
　　
　　溫差標準檢測系統(tǒng)由精密恒溫槽、標準鉑電阻溫度計及配用的電測設(shè)備等組成。兩個精密恒溫槽用來模擬熱量表的入口溫度和出口溫度;系統(tǒng)所選用的標準鉑電阻溫度計、配用的電測設(shè)備，具有合格、有效的計量檢定證書。恒溫槽應符合表1的規(guī)定。
　　
　　對普通熱量表設(shè)計的工作溫度≤95℃，溫度上限tmax取95℃，可采用恒溫水槽;對高溫熱量表設(shè)計的工作溫度>95℃，溫度上限tmax取150℃，可采用恒溫油槽。
　　　　
　　1.4計算機檢測控制系統(tǒng)
　　
　　計算機檢測控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)如圖2所示。采用了工控機和PCI采集卡，PCI通訊卡等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動控制。泄流閥、底閥、換向器的開啟通過DQ卡或者控制柜前面板開關(guān)，DA卡輸出4~20mA信號來控制3個電動調(diào)節(jié)閥開度，也可以通過前面板旋鈕手動調(diào)節(jié)，采集的模擬量信號有標準流量計流量、溫度、壓力等，變頻器、電子稱、被檢表通過RS485方式和計算機通信。　　　　
　　本設(shè)計采用手動和自動兩種檢定方式，在控制柜前面板進行選擇，設(shè)計中采用了小型大功率電磁繼電器，具有兩組常開、常閉轉(zhuǎn)換觸點形式，開關(guān)電壓為5V，計算機控制接到常閉觸點，手動控制接到常開觸點，如圖3所示。
　　　　
　　2、檢定方法
　　
　　檢定方法采用質(zhì)量法和時間法兩種。檢定通道的選擇通過換向閥或者人工手動切換。
　　
　　質(zhì)量法：通過電子稱累積的熱水質(zhì)量來計算循環(huán)水所釋放的熱量。
　　
　　時間法：通過在設(shè)定的時間內(nèi)對循環(huán)水所釋放的熱量不斷的積分。
　　
　　根據(jù)被檢熱量表的不同口徑系統(tǒng)配備了3000kg，1500kg，600kg3臺電子稱，上面裝有兩組換向器，一組對應3000kg的電子稱和直排管道，用于大口徑熱量表的檢定，另一組連接1500kg和600kg的電子稱，用于小流量檢定，3臺電子稱下面的底閥，通常是常開狀態(tài)，如果采用質(zhì)量法，則底閥閉合，循環(huán)水就進入儲水罐，開始累計質(zhì)量。
　　
　　檢定方法的選擇通過換向器來實現(xiàn)的，如果循環(huán)水進入儲水罐，則選用質(zhì)量法;如果循環(huán)水直排到回水管進行循環(huán)，則選用時間法，在設(shè)定時間內(nèi)進行熱量積分。
　　
　　檢定中熱量的計算可采用“比焓差法”及“k系數(shù)法”兩種方法。
　　
　　比焓差法按下式進行計算：　　
　　式中：Q—系統(tǒng)釋放或吸收的熱量，kJ;qm—流經(jīng)熱量表檢定裝置的主標準器的水的質(zhì)量流量，Kg/h;qv—流經(jīng)熱量表檢定裝置的主標準器的水的體積流量，m3/h;p—流經(jīng)熱量表檢定裝置的主標準器的水的密度，kg/m3;△h—熱交換系統(tǒng)入口與出口處水的溫差值對應的水的比焓值差，kJ/kg;t—時間，h。水的焓值和密度可按文獻附錄:選取。公式（1）中的qv與P應為同一處測得的值。
　　
　　3、檢定流程
　　
　　本檢定步驟及方法滿足《熱量表檢定裝置》計量檢定標準要求。
　　
　　加熱循環(huán)熱水箱的水溫至設(shè)定溫度值，啟動變頻水泵將熱水送入試驗管道，流經(jīng)標準流量計及被檢熱量表，返回到熱水箱。通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥和變頻水泵的轉(zhuǎn)速，將流量大小調(diào)節(jié)到所設(shè)置的流量點上，將標準溫度計和被檢表的溫度傳感器一起分別置于兩個恒溫水槽中（模擬入口和出口溫度），待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后開始檢定，計算機在檢定過程中采集有關(guān)流量、溫度等信號，運行一段時間后停止檢定，依據(jù)相關(guān)熱力學公式由計算機自動計算檢定期間的標準熱量值。通過標準熱量值和被檢表的熱量示值進行比較計算，實現(xiàn)對被檢表的檢定測試。
　　
　　檢定過程可以選擇自動或者手動方式，控制柜前面板有計算機和本地選擇開關(guān)，本地控制作為計算機控制的補充，可以有效解決在檢定過程中計算機出現(xiàn)意外而不能控制的情況，檢定流程如下：
　　
　　1）給循環(huán)水加熱到50℃±5℃;
　　
　　2）給穩(wěn)壓罐注水，達到壓力;
　　
　　3）打開總進水閥和需要檢定的相應管道;
　　
　　4）調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥，使流量大概達到范圍，然后通過調(diào)節(jié)變頻器，使流量準確達到的流量點;
　　
　　5）通過RS485讀取恒溫槽溫度，等待到達設(shè)定值;
　　
　　6）待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，根據(jù)選擇時間法還是質(zhì)量法檢定，而決定是否切換換向器，如果選擇質(zhì)量法，就把換向器打到電子稱一側(cè)，開始檢定過程，讀取熱量表數(shù)據(jù);
　　
　　7）檢定結(jié)束，關(guān)總進水閥，和通道的泄流閥，并把電子稱底閥打開，恢復到初始狀態(tài)。
　　
　　4、檢定應用程序
　　
　　如圖4所示，檢定程序主要分為3部分：顯示控制界面、參數(shù)設(shè)置界面，查詢顯示界面。程序中加入了數(shù)據(jù)庫，用于保存被檢表的檢定記錄，并實現(xiàn)了調(diào)用EXCEL打開表格功能，打印檢定結(jié)果。　　　　
　　自動檢定程序流程圖如圖5所示。　　　　
　　主界面如圖6所示，頂部顯示恒溫槽，循環(huán)水溫度和電子稱的累計質(zhì)量，中間部分主要用于顯示備檢表的各項數(shù)據(jù)，底部主要是檢定方法的選擇，閥門和變頻器的控制，檢定結(jié)束把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫等功能。

　　

　　
　　參數(shù)配置界面如圖7所示，可以通過設(shè)置流量點流量、電子稱的zui大承受質(zhì)量、AD采集卡、485通訊卡、DA卡的通道等，提高了檢定系統(tǒng)的靈活性，極大地方便了工作人員的檢定。
　　
　　在檢定之前需要對參數(shù)進行設(shè)置，流量點數(shù)值為在檢定過程中被檢定通道的流量值，變頻器設(shè)置框可以選擇在調(diào)節(jié)流量過程中起作用的變頻器，并可以設(shè)置調(diào)頻步長，電子稱的zui大承受質(zhì)量不能設(shè)置超過其zui大量程，如果超限，就自動停止本次檢定，被檢表個數(shù)必須設(shè)置為本次檢定中的熱量表個數(shù)。
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　本檢定系統(tǒng)框架清晰，經(jīng)過簡單培訓即可操作，在滿足《熱量表檢定裝置》計量檢定標準要求下經(jīng)實際試水檢定，各項指標都符合要求，達到了預期的結(jié)果，順利通過了計量院的驗收，可以運用于實際的熱量表檢定工作當中。