（工程热物理专业论文）热能表检定装置的开发与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国供热体制的改革进行，热能表的研制和应用被提上日程。目前我 国热能表的研究起步比较晚，其研究和生产还停留在一个较低的水平上：另外， 我国在这方面的法律法规还不健全，许多规定需要进一步完善和建立。不过， 由于国家的大力支持，热能表行业的发展现已步入了正轨，具备了一定的研究 和生产能力，并开发出了不同用途、不同口径的热能表产品。但是，如何对热 能表的准确性及稳定性进行检定的问题随之而来。为了进一步提高我国热能表 的研究和制造能力，拥有套具有自主知识产权的热能表检测装置是必不可少 的。 本文根据国家关于热能表检测的相关规定和要求，制定了一套符合我国现 状的设计方案。该方案中，对于流量计量的问题，采用了质量法和标准表法相 结合的设计方案。质量法有便于溯源等方便之处，标准表法有检定过程快捷等 优点，并且该装置具有瞬时流量测量设备，流量点监测设备选择线性比较好的 电磁流量计，可以兼作流量指示仪及标准表。另外，在流量计量方面，还采取 了一些稳压措施，使设备在测量时具有较高的精度和准确性。温度传感器检定 装置由标准浴槽、二等标准铂热电阻温度计和电测设备等作为标准。 整套装置的设计非常注重其不确定度的控制。在完成整套装置的设计后， 对其不确定度进行了全面的分析，并通过试验研究的方法对我们的分析做了验 证，结果表明我们的设计完全满足要求。 为了让设备良好的运转，还根据设备的具体条件设计了一套功能完备的检 测程序，为操作员提供了一个良好的人机界面。在操作员不需要了解设备内部 细节的情况下就可以正确快速的完成热能表的检定。 这套热能表检测装置已经完全满足了国家相关规定的要求，为热能表的检 定提供了一个良好的条件，也为热能表的研究打下了一个坚实的基础。 关键词：热能表热能表检定装置流量温度不确定度 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h 恤r e f o 加o ft h eh e a ts u p p l ys y s t e mi nc h i 峨m 籼f a c t u r i n ga n du t i l i z i n g h e a tm e t e ri sp u to nm ea g e n d a ，a tp r e s e n t ，d u et ot h el a t e n e s so fh e a tm e t e rr e s e a r c h a s 、v e l la st h ei m p e r f e c tl a wa i l dr e g u l a t i o n s ，t h et e c | l i l o l o g yo np r o d u c ea n dr c s e a r c h s t i l lr e m a i nal o wl e v e l h o w e v e r ，u n d e rt l l e s u p p o r to fo u rg o v e m m e n t ，t h c d o m e s t i ch c a tm e t c ri r l d u s t r yh 勰b e e nw a l k i n gu pt h er i g h tp a t l l 如dp o s s e s s e d c e n a i r ia b i l i 够o fm a n u f h c t i l r i n ga i l dr e s e a r c h i n g v 撕。啪h e a tm e t e r s 、i t h d i v e r s i f i e dl l s e sa n dc a l i b e r sh a v eb e e nd e v e l o p e d h o w c v e f ，h o wt oe x a m i n ei 招 a c c l l r a c ya n ds t a b i l 时i sap r o b l e mn e e d st ob es e t t l e d a l t h o u g hs o m ef a c t o r i e sa r e t r y i n gt om a n u f 如t u r et h e i ro 、v ne x a m i l l i n ge q u i p m e n t ，m o s to ft h e ma r ei n t f o d u c e d f o ma b r o a d i ti si n d i s p e f l s a b l et oo 、as e to fe x a m i n i n ge q u i p m e m 、v i t l li n i t i a t i v e i m e l l e c n l a lp r o p e r t yr i g h t si no r d e rt oi m p r o v ei l a t i o n a la b i l i t yo fr e s e a r c h i n ga n d m a n l l f 孔t u r i n gh e a tm e t e r s as e to fd e s i g ns c h e m ew h j c hf i t sf o ri l a t i o n a lc o n d i t i o nh a sb e e nf o 肌u l a t e d a c c o r d i n gt 0r e l a t e dr c q u i r e m e n t s i n 血i ss c h e m e ，w ec o m b i n e sm ea d v a j l 诅g e so f t 、v om e t h o d s ，o n eo fw h i c hc a nb et r a c e dt os o u r c ec o n v e n i e n t l y ，t l l eo m e ro fw h i c h i se a s yt oc a r 】叮o u t t h el a n e ro n ec a l la l s ob eu s e da sv o l 啪e n o m e t e ra n ds t a i l d a r d i n d i c a t o ra tm es a m et i i i l es i r i c ee l e c 仃o m a g n e t i s mi n d i c a t o rw i mb e t t e rr e c t i l i n e a r c 印a c i t yi sn e e d e d i tc a nm e a s u r em ei n s t a i l t a r l e o l l sv o l u m ea i l df i x e dp o i n tv o l u m e 勰w e u b e s i d e s ，i nt l ep c r s p e c t i v eo fv o l u m em e a s u r e m e n t ，w et r i e dt os t a b i l i z i n g t h ea t i n o s p h e r i cp r e s s u r et og u a r a m e ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e m t h es e n s o r e x a m i n i n gd e v i c ec o n s i s t so fs t a i l d a r d 七a t h t u b ，s e c o n d m t es t a l l d a r dt h e r m o g r a p h a n dm e a s u r e m e n td e v i c ew i t hp l a t i n 啪t h e r m o c o u p l e s i n c et e m p e r a t u r es e n s o r sa r e s 协b l ei n a c c u r a c y w i t hm ep l a t i n u m m e 肌o c o u p l e ，t h e e x a m i n i n gp r o c e s si s p r a c t i c a l 锄dm ee x 枷i n a t i o nc a n b ep e r f o n e db yt h ed e v i c e s w h e nd e s i g n i n gm ee q u i p m e n t ，w ep a i ds p e c i a la n e m i o nt ot h ec o n t r o lo f u n c e r t a i n t ) ，a l lt h et i m e ，w em a d eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fu n c e n a i n t ya n dt e s t c d o u ra n a l y s i sb yt r i a la n de r r o lt h er e s u l tp r o v e dt h ee q u i p m e n to p e r a t ew e l l ， 1 1 山东大学硕士学位论文 w 色f o 衄u l 砷e das e to f “锄i n i n gp r o c e s sw 曲s a t i s f k t o r yf h n c t i o n 柚d p r o v i d e dag o o di n t e r f 她eb c 柳e e nh u m 觚b e i n g sc o m p u t e r sb y 、 ，h i c hm eo p e r a t o r c a i lc o m p l e t ct t l ee x 锄i 彻t i o no fh e a tm e t c r sw i t h o u tk n o 、v i n gt t l ei n t e m a ld e t a i l so f t 1 1 ee q u i p m e n t t h ec x 锄i n i n ge q u i p m e mh a sa l r e a d ys a t i s f i e df e l a t e dr e q u i r e m e m so fo u r c o u n t r ya n dp r o v i d e das o l i df o u n d a t i o nf o rh e a tm e t e re x a m i n a t i o na n dag o o db a s i s f o r 如n h e r 佗s e a r c hr e l a t e dt 0h e a tm e t e r k e yw o r d s ：h e a tm e t e r ，e x 锄i n i i l ge q u i p m e mo fh e a tm e t e r v o l 啪e ，t c m p e m t u m ， u n c e n a i n 够 - i l i 山东大学硕士学位论文 一面积，m 2 c c 2 。，c k常系数，- c 。比热容，j “k g k ) d 管道直径，m d d p p ， g 瓯 g f 而， l h 。，h 。 西啊 幽 h ， j 公称直径，m 水力直径，m 主要符号 残差， 力，n 重力加速度，i n s 2 浮力所产生的紊流动能，j q ， r e r e j s x ，s 。 f r t r d r ，。 r 。： 热量，j 半径，m 雷诺数， 圆形管路雷诺数，一 自定义源项 时间，s 驱动力矩，n m 粘性摩擦阻力矩，n m 机械摩擦阻力矩，n m 电磁阻力矩，n m 平均速度梯度所产生紊流动能，j “ 瞬时速度，m s 沿程能量损失，j 局部能量损失，j 比焓，j k g 机械能损失，j 比焓差，j k g 水头，m 紊流强度 叶轮的转动惯量，k m 2 i v 一 万 “ y y 矿 z 七 占 考 时均速度，m s 脉动速度，m s 比容，m 3 k g 体积，m 3 位置水头，m 紊流脉动动能，j 紊流脉动动能的耗散率， 局部损失系数， 山东大学硕士学位论文 热量系数，j ( m 3 k ) 脉冲当量，脉冲升 长度，m 力矩，n m 瞬时压强，p a 时均压强，p a 脉动压强，p a 压强损失，p a 质量流量，k 咖 体积流量，m 3 s v - 9 ”8 口 兄 v p 盯r ，盯c f 温度，k 或 温差，k 或 沿程损失系数， 动力粘度，p a s 紊流粘性系数，p a s 运动粘度，m 2 ，s 密度，k g m 3 普朗特数， 剪切应力，p a 旋转角速度，豫d ，s 七 k 三 m p p 卸 鼽 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：n 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：卑i 纛 导师签 日期：三啤! ：至z 山东大学硕士学位论文 1 1 热能表国内发展状况 1 绪论 目前，供热能源浪费严重，住户供热费用收缴困难，已成为影响我国供热 行业生存和发展的两大难题1 1 1 。集中供热作为城市的基础设施，在节约能源、 减少环境污染、改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会共识。但是，国 家现行的供热价格是按照供热面积和供热系统经营总成本加上微利计算出来 的，这种计算方法不能精确地计算出实际用热的数量，更不能测算出供热的质 量，是一种粗放型的计算方法。但是当交纳取暖费用由包费制变为“谁用热， 谁交费”时，热的“数量”、“质量”和“价格”等问题就十分突出了。近几年 来，随着供热面积的不断扩大，这种供热收费管理体制与市场经济经营机制越 来越不相适应。热能表是用于测量及显示热交换回路中载热液体所释放的热量 的计量器具。它是热量计量的基础。在发达国家，特别是在欧洲，供热按计量 的热量多少收费，热能表的使用已极为成熟和普及。热能表作为热力公司向每 一位住户收费的依据和手段，不仅己广泛被用户所接受，而且由于用热量与费 用直接相关联，加强了住户的节能意识l 。 我国热能表的自行研制开始于上世纪的9 0 年代，当时已有欧洲的热能表样 表进入中国，1 9 9 0 年有关单位作为国家“七五”科技攻关课题，研究仿制。1 9 9 2 年国家质量监督检验检疫总局和国际法制计量组织中国秘书处翻译出版了 o i m l r 7 5 国际建议一热量表( h e a t m e t e r ) 见1 9 9 7 至2 0 0 0 年，欧洲热 量表标准( e n 一1 4 3 4 ：1 9 9 7 ) 逐渐被一些企业单位所了解和重视，包括中国科 学院、清华大学、航天部、兵器部等直属的科研院所、高等学校，先后都以多种 形式，积极参与到热计量仪表装置的研制开发工作中来。 正因为这样，建设部要求2 0 0 0 年以后新建住宅和公建工程的供热室内采暖 系统必须设计为一户一表系统，其系统应具有分户控制，分户计量按户收费的 功能。凡原有住宅建筑的室内采暖补建工程，也必须按供热计量系统设计。由 此开始了我国的热量计量收费改革，同时对国内开发、生产热能表的企业单位 山东大学硕士学位论文 起到了启发和帮助的作用，激励了中国热计量仪器仪表产业的热情。作为一个 新兴产业，如雨后春笋成立了很多热能表的研制开发和生产企业。 继建设部2 0 0 1 年2 月5 日发布的规定于6 月1 日起实施的热量表标准 ( c 儿2 8 2 0 0 0 ) 之后，2 0 0 1 年1 2 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热能表( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) ”，并于2 0 0 2 年3 月1 日起实施。我国的热能表从法制概念上建立了关于生产标准和技术检定的 完善的质量保证和监督的体系。 1 2 热能表检定装置的发展状况 热能表是通过精确检测供热系统瞬时进回水温差和流量、经积算仪积分计 算并储存有关数据的机电体化高科技产品，其研究领域涉及机械、电子、电 气、流体力学、工程热物理、材料和控制学科等。决定其测量精度的两个基本 参数是热流体的流量和温度，影响其寿命、检测精度和可靠性的关键部件是流 量传感器和温度检测电路及其传感器。 由于热能表关系到贸易结算和千家万户老百姓的经济利益，以及节约能源， 减少大气污染，保护环境等重要的国家政策的执行等关键问题。所以国家质量 监督检验检疫总局将热能表列为重点管理的计量器具，在安装使用前必须进行 首次强制检定。那么，热能表检定装置作为计量标准从计量器具的法制管理及 出厂检验等方面都是必不可少的重要装置。 热能表作为重要管理的计量器具，按照计量法的要求，计量产品的生 产必须获取计量产品生产许可证，取证之前必须对准备生产的热能表进行型 式评价试验，以验证是否达到相关标准中的技术要求，试验合格后才能具备获 取计量产品生产许可证的资格。热能表的型式评价试验必须是在具备热能 表检定装置的条件下，才可以完成。 2 0 0 0 年之的国内还没热能表检定装置，自建设部颁布7 6 号部长令民用 建筑节能管理规定之后，北京计量测试院投资2 0 0 万人民币进口了一套 d n l 5 5 0 的热水流量检定装置，配套相应的配对温度传感器检定装置和计算器 检定装置后组成了一套“热能表检定装置”。自从热计量产业兴起之后，目前全 山东大学硕士学位论文 国许多单位也在研制开发热能表检定装置。 1 3 课题内容及研究方法 本文将讨论研制一套能够满足国家相关标准( c j l 2 8 2 0 0 热量表建设部行 业标准) 及计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 l 热能表国家检定规程) ( 以下简称规 程) 要求的热能表检定设备及其运行程序，并通过实验研究及理论分析的方法 对热能表检定装置的设计及其是否能达到国家要求进行检验和论述。 j j g 2 2 5 - 2 0 0 l 热能表中的7 1 2 款要求l j l ：热水流量装置的扩展不确 定度( 覆盖因子为2 ) 应小于等于热能表最大允许误差的l 3 ，标准电阻箱的扩 展不确定度( 覆盖因为为2 ) 应小于等于热能表最大允许误差的1 5 。这是设计 的理论依据。 总体设计主要包括如下内容，热能表检定装置的整体结构及工艺流程，并 确定检定装置的设计参数。 被试验的热能表，一般由三个部分组成，分别是流量传感器、温度传感器 和计算器( 积算器) 。按照规程规定，检定可以分量检定也可以总量检定。 这与被检热能表的型式有一定的关系。根据目前国内热能表的状况，为了使用 检定装置尽可能满足多种型式热能表的检定工作，设计的装置应既能完成分量 检定，也可以做到总量检定。 液体流量装置的标准器一般有三种形式，衡器、量器和标准表：对应的装 置分别称为质量法流量标准装置、容积法流量标准装置、标准表法流量标准装 置。 热能表检定装置由于使用的介质为热水，容积法投入成本较少，结构简单， 但容积法可能会带来对测量结果较多的不确定因素，可选择的测量方法为另外 两种：质量法和标准表法。质量法有便于溯源等方便之处，标准表有检定过程 快捷等优点，并且装置也必须有瞬时流量测量设备用于流量点的监测，流量点 监测设备选择线性比较好的电磁流量计，可以兼作流量指示仪及标准表。按此 方案设计的装置具有质量法和标准表法两种装置的优点。 各个分量部分的开发设计。它包括温度测量、流量计量、压力损失测量、 山东大学硕士学位论文 热量计量等，其中以温度和流量计量为主要计量指标。本设计拟以质量法和标 准表法作为热水流量标准的热能表检定方法；温度采用标准铂热电阻以及恒温 槽进行检定。 设备整体性能测试及分析。主要包含以上几个技术指标及其误差( 不稳定) 分析，并给予设备整体评价。检定程序设计。由于程序由高级语言v b 编写， 整体程序较大，不能给予完全的程序。但本项还涉及设备应用和检定，因此对 其做必要的简单说明。 本文对于热能表检定装置的设计和评价是很有意义的，为以后的进一步完 善提供了良好的参考和基础。 山东大学硕士学位论文 绍。 2 热能表及热能表检定装置的整体开发设计 为了更好地了解热能表检定装置的研制，下面先对热能表做一个简单地介 2 1 热能表组成及工作原理 国家规程j j g 2 2 5 2 0 0 1 热能表检定规程中，对热能表的定义为如：用 于测量及显示热交换回路中载热液体所释放的热量的计量器具。 要了解热能表，首先应该从工作原理开始。下面从流体力学及工程热力学的 角度来做介绍。 2 1 1 热能表的流体力学原理 图2 1 热能表工作原理图 图2 1 给出了提出的测量系统的组织结构。热能表主要由三部分组成：流 量传感器、配对温度传感器和计算器”。热水由进水管路进入散热器，流经散 执雀垦 供热中心 山东大学硕士学位论文 热器放热后经出水管流出。热量的热效应及机械作用会影响系统的状态，考虑 到液体是不可压缩的，机械作用可以忽略。因此，特定的能量变化就等于特定 的焓变化。在时间f 内，被热载体带入系统的热量是特定的焓和质量流量的函 数： f e 一。i ，西 ( 2 1 ) 在温度乃( ) 时的特定焓值 ( j i ( g ) 为： 吩，= f c ，( r ) 出 ( 2 2 ) 其中，c p ( j ，k g ) 是某个压力参数下的比热容，它是温度的函数。 在时间r 内被热载体带出系统的热量( 丘。，) 为： e 。i = l q m h i d f ( 2 系统所消耗的热量( j ) 取决于进入和带出热量之差： 日5j ( 一坼，) 西 ( 2 4 ) 流过热载体的数量可通过体积流量计来测量。由此，我们引入体积流量 g r ( m 3 s ) 以代替质量流量釉： = 卿， ( 2 。5 ) 其中p ( k 咖3 ) 是介质的密度。 流量计产生的脉冲数与流过的水的体积成正比： q = 九g ( 2 6 ) 其中”表示脉冲的个数；q ，( m 3 ) 是表的一个鬻数。因而h 就可以用下式 来计算： 日= 聆q r p ( n 一啊，) ( 2 7 ) 通过公式( 2 7 ) 利用进出口的特定焓( 而不用温差) 和质量流量来计算热 量的消耗。密度和焓值的计算可以通过查表或用复杂的经验公式计算而得到5 1 。 于是，水表输出的脉冲数和温度传感器的信号经过单片机的处理后可得到所消 耗的热量数。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 工作过程及说明 将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上，采集载 热液体在入口和出口的温度信号。将流量传感器安装在入口或出口管道上，用 于产生载热液体的流量信号，该信号是载热液体体积或质量的函数。流量传感 器给出流量信号，配对温度传感器给出入口和出口处的温度信号，计算器将采 集到的流量信号和配对温度信号经过计算处理后显示出载热液体从入口至出口 所释放的热量值j 。 选用热能表的基本部件中，选用符合国际和国家标准的p t l o o o 型配对铂薄 膜电阻测温探头。大多数企业采用的是德国j u m o 公司的产品。j 哪。公司是欧 洲热表的测温头的主要生产企业，他们的产品丹佛斯、西门子、真兰、斯伦贝 谢、荷德鲁美特等著名国外热表企业所采用，占有全欧洲6 0 一7 0 的市场。j 啪。 公司在大连( 大连久茂有限公司，合资企业) 建立了热表测温探头的组装、检 测和配对生产线已有3 、4 年的历史。另外，台湾乾坤科技股份有限公司一华腾 电子科技( 苏州) 有限公司也开始向中国热表生产厂提供台湾生产的、符合 e m l 4 3 4 要求的配对的铂电阻测温传感器。 流量传感器的选用，由最早的干式磁传热水表干簧管拾取流量信号，到韦 根传感器，阻尼无磁式流量传感器等几个阶段。最早大批供应中国户用热能表 流量计的是江苏连云港连利水表有限公司。国产热能表，基本上计算器作为自 主研发的主要工作。在积分计算模式上，大多数不采用欧洲流行的k 系数法， 而是部分采用热焓差值计算法。这是由于早期的微处理器内存或计算处理能力 所限基本采用k 值法，目前的徽处理器大多采用美国t i 公司的m s p 4 3 0 系列单 片机，内存及计算能力及接口能力都很强，所以采用k 系数或采用焓值法计算 都可以满足要求。温度信号采样目前大多采用了斜率a d 方式，该方法处理好 了可以节约成本，还可以提高可靠性。少量还采用普通工作原理的d 方式进 行温度信号的采集。 2 2 热能表检定装置的整体开发设计 按照j j g 2 2 5 2 0 0 1 热能表检定规程，检定方法有两种： ， 山东大学硕士学位论文 分量检定：将组成热能表的流量传感器的参数、温度传感器的参数和计算 器的参数视为热量的分量，按照分量或分量组合分别检定的方法，称为分量检 定。 总量检定：对热能表的热量值直接进行检定的方法称为总量检定。热量的 三个分量不能完全拆开检定时，可按照分量组合的方式进行检定。 分量组合检定按组合方式有如下三种方式： 流量传感器单独检定，温度传感器与计算器组合检定； 温度传感器单独检定，流量传感器与计算器组合检定； 流量传感器与计算器、温度传感器与计算器分别组合检定。 按该要求，热能表在进行定型鉴定时应对三个部分分别进行试验，正常检 定时可进行整体检定。另外，目前还没有一种标准装置可直接提供一个标准热 量的物理量与被检热能表进行比较。也就是说，不管任何形式的热能表检定装 置实际意义上都是由热水流量检定装置、配对温度传感器检定装置和计算器检 定装置三个独立的部分组合而成。因为配对温度传感器检定装置与标准铂热电 阻温度计检定装置、计算器检定装置与热工仪表或流量积分仪检定装置在原理 上完全一致( 只是计算公式不同) ，不存在新的技术成分。配对温度传感器的检 定设备由：恒温槽两台、二等标准铂电阻两支，数字表计算器检定设备：流量 模拟信号发生器( 模拟流量数据) ，电阻箱( 模拟进出口温度) ，上述所配仪器 均有成形产品，因此下面只对热水流量检定装置做说明。 热水流量检定装置是关键部分它在技术上和结构上与现有的冷水表检定装 置有着很大的差异，并不简单地等于热水+ 水表检定装黄。 2 2 1 检定介质的选择 热水与冷水在计量角度上讲其物理特性相差很大，它主要表现在二个方面： ( 1 ) 对流量传感器的影响。流量传感器因直接与被测介质接触，所以其测 量机构就会受到热胀冷缩的影响。从而导致在不同的水温下流量传感器的测量 误差不同。下面是德国p t b 热能试验室所作的一台d n 5 0 口径机械式流量 传感器在不同温度下的试验结果： 山东大学硕士学位论文 5 6 ( ) 口 3 2 l o 1 4 2 一， d 9 0 o 2 o3 0 qo 5o l 2 ，6 l o 2 02 5 q ( m 3 m ) 图2 ，2 温度传感器误差随温度和流量的变化曲线f 4 】 从图2 2 中可看出在最小流量附近，其误差随温度的变化是很大的。虽然 在规程中提到可以用冷水进行检定，但其前提是冷水与热水试验的结果应一致。 此含义是指成批表之间的一致性，而不是单指简单地某块样表的一致性。所以 在热能表欧洲标准e n l 4 3 4 及国际建议r 7 5 中明确应用热水对流量传感器进行 检定。至少目前在国外还没有用冷水与热水测量条件下能一致的或可定量修正 的机械式热能表。当然，超声波式和电磁式另当别论。所以一套完整的热能表 检定装置应具备有热水的能力是最基本的条件。 ( 2 ) 对热水流量检定装置的影响。在常温下水的蒸发与室温已成饱合状态， 所以当检定介质温度高于室温时，其蒸发就会对测量结果带来很大的影响。另 外因介质温度的变化，装置应进行保温、各种温度修正等措施，标准器应采用 质量法、标准表法或动态容积法等形式。 上述二点表明，装置应采用热水检定，简单地对冷水表检定装置进行改造 是很难满足检定要求。 2 2 2 介质的加热方式 目前主要有二种方法：电加热和燃料加热。电加热的方式，其优点在于安 全、方便、自控程序高，但耗电量相对较大，加热时间长。燃料加热有燃气锅 炉和燃油锅炉二种，这两种方法相对来讲加温速度快，但方便性可控性较差。 权衡利弊，以采用电加热方式为佳。 流量计量的我们是通过质量法来实现的。简单的说，就是在天平静止状态 - 9 - 山东大学硕士学位论文 下，称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出流量。具体的实现方法和 原理见3 2 1 的质量法流量测量。 2 2 3 流量稳压措施 流量稳定性是流量标准装鬓必须要考虑的问题，对定型鉴定装置而言，为 确保测量结果的可比性，在分界流量以下的流量范围内应采取水塔稳压措施。 正常检定和大流量检定时通过变频水泵和金属波纹管完全可达到稳定性的要 求。采用稳压容器的方法意义不大，除非要提高检定介质的工作压力。 2 2 4 检定装置的技术要求及其具体设计参数要求“1 ( 1 ) 设计参数： 适用口径：d n l 5 d n 2 5 流量范围：0 0 3 一h 5 om 3 h 热水介质：室温9 0 5 介质温度波动：1 0 流量稳定性：2 0 流量测量不确定度：o 2 ( 仁2 ) 计算器测量不确定度：o 1 5 ( 肛2 ) 配对温度传感器温差测量不确定度：2 0 m k ( 拓2 ) 配套自动检测程序； 数据处理程序经过人工验证； 自控程序具有良好的界面及各种参数选择； 主标准器采用电子天平，具有方便校准量值溯源； 控制阀均为进口气动球阀，控制可靠； 热水温度由人工设定，p i d 自动调节； 检定过程适用于分量检定，也可以总量检定。 ( 2 ) 技术要求 1 ) 流体条件 山东大学硕士学位论文 热水流量标准装置使用的液体应是单相的蒸溜水或软化水。 热水流量标准装置使用的液体温度应能在室温与9 5 之间调节，且每次检 定过程中其水温变化不得超过2 ， 水泵的入口压力不得低于0 o l m p a 。 2 ) 管路条件 管路中的阀门、弯头等阻力件应尽量少。 试验管路应满足被检流量传感器对直管段的要求， 试验管路应能进行荦台多事联多台表的裣定。 流量调节阀和标准流量计应安装在试验管路的下游。 管路中应设有透明视窗，以观察管路中有无气泡。 被检表与进入称量容器之间的中间管路应尽量短，其体积不得大于最小检 定用水量。检定开始与结束过程中其水温变化应不得大于2 ，否则应进行修 正。 进入称量容器的管路与称量容器应有明显的分界点。 在被检表的试验管路前后和标准表处应安装温度测量点，其测温不确定度 应小于o 5 ，显示分辨率应不大于o 1 。 试验管路中应有压损测量设备，其测量误差应不大于士2 5 。 3 ) 流量工作标准 采用的天平应达到i 级的水平。 称量容器不得与外界有任何固定联接。 液体应从容器的上部流入，流入管的上端应与大气相通。囡流入管插入称 量液体中而引起的浮力必须修正。 换向器在最大流量下换向时所产生的压力波动对流量的影响应是定值【1 8 】。 换向器的换向时间虚不大于o 5 s 。 标准流量计在被检流量传感器各流量点的重复性不得超过o 0 5 ，其仪表 系数应在全流程进行修正，其随时间的变化不得超过o 1 。 山东大学硕士学位论文 2 3 各主要部分的开发设计 本部分包含的设计内容较多，下面对其进行分别介绍。 2 3 1 温度传感器检定装置设计 温度传感器检定装置由标准浴槽、二等标准铂热电阻温度计和电测设备等 作为标准。也就是一套二等铂电阻标准装置。唯一的区别是热能表检定装置用 它来检定一对温度传感器配对的准确度，而不仅是单支的准确度。所以按规程 规定检定方法需要至少2 台浴槽和2 支标准铂热电阻温度计【1 0 】。 温度传感器的检定有二种方法： ( 1 ) 铂热电阻常数比较计算法 将被配对温度传感器放入同一标准浴槽内，在三个温度下计算出每只传感 器的三个常数a 、b 、c 。按公式比较计算出二只配对温度传感器的温差。从而 确定被检配对温度传感器的误差，其计算公式为： 墅导坠+ ( o 鲥，一万彳。) + ( 杉占b h ；万厥) 西盟_ 石面万石一灯0 0 ( 2 r 8 彳r + 卧( 彳一f ；) 式中脚标矿和r 分别表示迸回水温度计，表示标准值。 此方法主要用于定型鉴定试验和生产厂家对热电阻进行配对，结果可靠性 强。 ( 2 ) 数值比较法 将二只配对温度传感器放入二个不同温度的标准浴槽内，比较被检配对传 感器与二支标准温度传感器的输出温差值，从而确定被检配对温度传感器的计 量准确度。此方法主要用于正常检定【1 5 】。 规程上的具体检定方法： 1 ) 检定点根据规程7 4 r 2 2 的要求选取。 2 ) 检定时温度传感器应插入恒温水槽或油槽的工作区域内，浸没深度为 3 0 0 m m ，稳定1 5 分钟。检定前后水槽或油槽内温度变化不应超过0 1 。c 。 3 ) 对单支传感器的检定是在同一恒温槽内进行，将恒温槽的温度控制在检 山东大学硕士学位论文 定点温度，每个点至少读两个循环，一个读数循环为：标准铂电阻温度计一传感 器l 一传感器2 一标准铂电阻温度计；对配对温度传感器温差的检定是在两台恒 温槽内进行，按温差检定点的要求控制其温度，每个温差点至少读两个过程，一 个读数过程为：标准铂电阻温度计i 一传感器l 一标准铂电阻温度计2 一传感器 2 。 4 ) 误差计算方法，对单支温度传感器的检定，取被检传感器显示温度的算术 平均值与标准器对应温度值的算术平均值之差作为传感器的误差；对配对温度 传感器温差的检定，取两次被捡传感器显示温度之差的算术平均值与两次标准 器对应温度差的算术平均值之差作为配对温度传感器温差的误差i 。 2 3 2 流量检定装置设计 ( 1 ) 热水流量装置的考核指标： 1 ) 适用口径，从联接管道上要便于安装d n l 5 d n 2 5 符合相应标准的热 能表流量传感器。 2 ) 在流量能满足上述口径的流量能力。d n l 5 的最小流量一般为o 0 3 m ， d n 2 5 的最大流量一般为7 om 3 m 。检定流量为常用流量，般为最大流量的一 半，所以整套装置的流量范围应不小于o 0 3 m 3 ，5 m 3 h 。 3 ) 流量稳定性。在任何流量点不应大于2 ，5 4 ) 水温的波动。在任何流量下，一个流量点的检定过程温度下降一般不得 大于2 k ，如果大于2 k 时应对检定过程中的温度变化记录下来，以便于流量的 修正。 5 ) 高水温试验。热水流量装置应能在( 9 0 土5 ) 下正常工作，不会发生换 向器等控制部件失灵及管道变形等对测量造成影响的事件发生。 热水流量检定装置在热能表流量传感器的检定中，采用累积流量来计算。 流量标准装置按标准器的种类通常有容积法、质量法和标准表法三种。考虑到 热水温度变化对容积测量的不确定因素较多，影响较大，不建议采用容积法。 采用质量法还是标准表法作为计量标准应根据装置的用途来决定。对省级标准 来讲，既要考虑定型鉴定或样机试验的需要，又要承担首次检定。在此前提下， 针对单独采用标准表法而言，因检定标准表的标准装置与所建标准表装置其流 1 3 山东大学硕士学位论文 动条件不可能完全相同，即安装条件和管道布局的不同将对标准表的准确度有 至关重要的影响。所以从保证标准器复现准确度的可靠性角度上讲，单独使用 标准表作为标准器用于定型鉴定不可取。质量法不存在上述标准表法的缺陷， 是流量基准的根源，作为定型鉴定是首选标准器。但用于正常检定它的工作效 率不高。另外单就质量法而言，装置也需要有瞬时流量测量设备，所以若配备 一台好的流量计作为标准表与质量法相结合是最佳的方案【6 1 。 质量法与标准表法按下面不同方式取值： 质量法：在天平静止状态下，称量一段时间内容器中的液体质量，从而计 算出流量。 标准表法：在液体流动过程中，同步采集被检传感器与标准表流量输出信 号，从而计算出流量。 ( 2 ) 质量法流量计量 质量法是通过天平称量出计量的水的体积，其计算公式为： ：旦足k k ( ( 2 9 ) p ( m ) 式中：p 知一一水在0 温度下的密度 k 。一空气浮力修j 下系数 k ，一称量容器插入流水管浮力修正系数 质量法按数据的取值方式，可分为三静类型： 1 ) 启停质量法 通过人工开启和关闭阀门来控制检定的开始和结束，天平和被检表都是在 静止状态下读数。此方法只适用于具有高分辨率显示的被检表。其优点是结构 简单造价低。 其数据采集方式： 天平数据读数有直读式和计算机采集二个可能。若装置选择为全部手动， 无任何计算机控制与计算可选择直接读取天平显示值的方式。但是因为热量的 计算通过人工的话其效率非常低，势必要用计算机柬完成；另外使用天平时通 常通过计算机对天平的系统误差( 即b 类不确定度) 进行自动修正，所以还是 1 4 山东大学硕士学位论文 以计算机自动采集数据的方式为最佳选择。 被检表的读数在此工作方式下，有二种选择，种为直读其自身显示值。 第二种为适用于国外进口表的光学红外通讯口的自动读数方式。国外表通常有 专门用于检定时用的高分辨率显示窗口，或通过红外通讯口得到，其通讯协议 是按m b u s 总线进行的。各个厂家的地址码或有自己定义通讯协议。 2 ) 静态质量法 检定过程是在水的流动过程中进行的，换向器控制水流导入和导出称重容 器，天平在静止状态下读数。被检表的读数是在流动中获取的。此方法的优点 是完全消除了启停质量法在阀门开启和关闭时流量的突然变化对表的影响，且 自动化程度高。但要求相应的配套设备多，投入大。 其数据采集方式： 天平的读数同上，以计算机采集为好。 被检表的读数与表的功能有关，若被检表有脉冲输出口，可通过脉冲信号 来启动换向器的动作。若没有信号则只能通过读表指针的方式，此时应通过二 次摄像抓拍的方式读取换向器进入和导出称重容器时表的计量数。 3 ) 动态质量法 检定过程是在水的流动过程中迸行的，无需换向器，天平和被检表都是在 动力状态下读数。此方法的优点是速度快，效率高。但此法要求天平准确度和 稳定性极高，检定方法在国内也有争议，所以不建议采用此方法。 ( 3 ) 标准表法流量计量 标准表法是通过标准流量计测量出计量的水的体积，其计算公式为： = 矿- k r ( 2 1 0 ) 式中：矿一标准流量计示值，m 3 ； k ，一温度修f 系数，。 使用标准流量计时应对每个使用流量点的误差进行修正，或者说应根据模 拟的仪表系数曲线采用对应的仪表系数。此工作由计算机来完成。 按数据的取值方式，可分为二种类型： 1 ) 静态读数法 山东大学硕士学位论文 标准表与被检表是在水静止的情况下读数。其原理及数据采集方式同启停 质量法。 2 ) 动态读数法 标准表与被检表是在水流动的过程中读数。其原理及数据采集方式同动态 质量法。动态法的前提是被检热能表具有良好的数字显示或脉冲输出的即时性， 大多数热能表不具备此性能。 人工读数的方法是，使热能表流过定流量的热水，当热能表显示一个某 一数字开始时，通过按键通知计算机开始采集标准表后勺脉冲数，经过一定时间， 当热能表显示达到定数值后，再通过按键通知计算机标准表采集脉冲结束。1 。 示值误差： 式中： ：! 上旦。l o o ( 2 1 1 ) 所一被检表的示值，m 3 ； 聆一标准表脉冲数对应的体积流量示值，m 3 。 2 3 3 计算器检定装置设计 计算器检定装置由标准电阻箱、流量标准信号源和多用数字表等组成。主 要用于分体式热能表计算器的检定。 通过标准电阻箱和流量标准信号源，按要求将模拟的温差和流量信号输入 被检热能表计算器，将被检计算器输出热量值与按模拟的温差与流量计算的理 论热量值进行比较，进而确定被检计算器的计量准确度。6 一l 2 数字多用表或 其它满足二等标准铂电阻及配对温度传感器电阻值测量电测仪器在( 2 0 5 0 ) n 、 ( 1 0 0 0 1 5 0 0 ) q 范围内示值误差不得大于0 0 2 。标准电阻箱示值误差不得大于 o o l 。 数字表计算器检定设备：流量模拟信号发生器( 模拟流量数据) ，电阻箱( 模 拟进出口温度) ，上述所配仪器均可在市场购买到。 2 4 设计原理图与工作原理 检定装置的整体结构设计如下图： 山东大学硕士学位论文 图2 3 检定装置设计原理圈 此示意图为d n l 5 5 0 带水塔稳压措施和抽气功能的质量法全自动流量标 准装置 围2 4 检定装置实际图 ( 1 ) 主要部分设计 根据国内现有的冷水装置作参考，进行管道流程的设计，设计中应尽量减 少对水流量产生压力损失弯头等不必要的影响管路流量及流速不稳的环节。 选择衡器及标准表： 衡器选择从两个方面进行考虑：l 称量范围，应根据装置的流量范围，不 山东大学硕士学位论文 得小于装置设计的最大流量下6 0 s 的累计流量值：2 分辨率( 或分度值，天平 的术语) ，要求分辨率对测量结果不可产生太大的影响。但也没有必要选择过高 准确度的天平( 价格等原因) 。 标准表同样也是流量范围及分辨率的问题。1 需要满足0 0 3 m 3 l l 3 5 m 的流量范围，量程比达到1 ：1 0 0 0 ，需要选择多台流量计才能满足使用要求； 2 分辨率不至对测量结果不确定度产生过多影响。 衡器安装要求地基牢固，尽量减少称量容器与外部的联线，以免对称量值 产生过多影响。 标