摘 要： 設計了一種可以檢定多種口徑熱量表的多功能自動檢定系統。該系統由熱水流量檢測系統、溫差檢測系統、數據檢測系統和自動控制系統等部分組成。在檢定中，熱水流量檢測系統給試驗管路供以循環(huán)水，溫差檢測系統模擬實際的入口和出口溫度，數據檢測系統和自動控制系統在檢定過程中采集相關流量，溫度等信號，依據相關熱力學公式計算出標準熱量值，與被檢表的熱量示值進行比較計算，從而實現對被檢表的檢定。實驗表明該裝置能很好地完成熱量表的自動和手動檢定。檢定系統達到了設計要求，實現了實時監(jiān)測，保存檢定記錄，打印報表等功能，具有自動化程度高、檢定管徑多、靈活性強等特點。 
關鍵字： 熱量表 自動檢定 流量 溫度 
0 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熱交換系統時，熱量表根據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，以及水流經的時間，計算并顯示該系統所釋放或吸收的熱量。熱量表在出廠之前都必須經過檢定，為此設計了一種可以檢定多種口徑熱量表的檢定系統。該系統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，在檢定結束后通過比較控制系統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，從而做出檢定結果。 
1 系統設計 
1.1 系統結構 
檢定系統由熱水流量檢測系統、溫差檢測系統、數據檢測系統和自動控制系統等部分構成。 
系統中熱水流量標準檢測系統主要由主標準器、供回水系統、試驗管路系統和流量、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構和類型組合，構成不同形式、不同準確度等級的熱水流量檢測系統，主要有質量法和標準表法。 
本設計中采用了自動和手動兩種方式、檢定方法包括質量法和時間法（標準表法）兩種。 
①質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、流量調節(jié)閥、換向器等組成。 
本檢定系統實驗管路結構框圖如圖1所示。 
圖1 試驗管路結構框圖 
系統設計有4個檢定通道，分別對應不同口徑的熱量表檢定，設計最多可以同時檢定7個熱量表。 
1.2 熱水流量檢測系統 
熱水流量檢測系統在檢定過程中，通過電動調節(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值，到達檢定條件后即開始檢定過程。 
1.3 溫差檢測系統 
溫差標準檢測系統由精密恒溫槽、標準鉑電阻溫度計及配用的電測設備等組成。兩個精密恒溫槽用來模擬熱量表的入口溫度和出口溫度；系統所選用的標準鉑電阻溫度計、配用的電測設備，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 
計算機檢測控制系統包括數據檢測系統和自動控制系統如圖2所示。采用了工控機和PCI采集卡，PCI通訊卡等來實現數據采集和自動控制。泄流閥、底閥、換向器的開啟通過DO卡或者控制柜前面板開關，DA卡輸出4～20mA信號來控制3個電動調節(jié)閥開度，也可以通過前面板旋鈕手動調節(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。 
圖2 計算機檢測控制系統框圖 
本設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，設計中采用了小型大功率電磁繼電器，具有兩組常開、常閉轉換觸點形式，開關電壓為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。 
質量法：通過電子稱累積的熱水質量來計算循環(huán)水所釋放的熱量。 
時間法：通過在設定的時間內對循環(huán)水所釋放的熱量不斷的積分。 
根據被檢熱量表的不同口徑系統配備了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)，如果采用質量法，則底閥閉合，循環(huán)水就進入儲水罐，開始累計質量。 
檢定方法的選擇通過換向器來實現的，如果循環(huán)水進入儲水罐，則選用質量法；如果循環(huán)水直排到回水管進行循環(huán)，則選用時間法，在設定時間內進行熱量積分。 
檢定中熱量的計算可采用“比焓差法”及“k系數法”兩種方法。 
比焓差法按下式進行計算： 
式中：Q—系統釋放或吸收的熱量，kJ；qm—流經熱量表檢定裝置的主標準器的水的質量流量，kg/h；qv—流經熱量表檢定裝置的主標準器的水的體積流量，m3/h；ρ—流經熱量表檢定裝置的主標準器的水的密度，kg/m3；Δh—熱交換系統入口與出口處水的溫差值對應的水的比焓值差，kJ/kg；τ—時間，h。水的焓值和密度可按附錄A選取。公式（1）中的qv與ρ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)熱水箱的水溫至設定溫度值，啟動變頻水泵將熱水送入試驗管道，流經標準流量計及被檢熱量表，返回到熱水箱。通過調節(jié)流量調節(jié)閥和變頻水泵的轉速，將流量大小調節(jié)到所設置的流量點上，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），待系統運行穩(wěn)定后開始檢定，計算機在檢定過程中采集有關流量、溫度等信號，運行一段時間后停止檢定，依據相關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，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，達到指定壓力； 
③打開總進水閥和需要檢定的相應管道； 
④調節(jié)電動調節(jié)閥，使流量大概達到指定范圍，然后通過調節(jié)變頻器，使流量準確達到指定的流量點； 
⑤通過RS485讀取恒溫槽溫度，等待到達設定值； 
⑥待系統運行穩(wěn)定后，根據選擇時間法還是質量法檢定，而決定是否切換換向器，如果選擇質量法，就把換向器打到電子稱一側，開始檢定過程，讀取熱量表數據； 
⑦檢定結束，關總進水閥，和指定通道的泄流閥，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、參數設置界面，查詢顯示界面。程序中加入了數據庫，用于保存被檢表的檢定記錄，并實現了調用EXCEL打開表格功能，打印檢定結果。 
圖4軟件結構框圖 
自動檢定程序流程圖如圖5所示。 
圖5 自動檢定流程圖 
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量，中間部分主要用于顯示備檢表的各項數據，底部主要是檢定方法的選擇，閥門和變頻器的控制，檢定結束把數據寫入數據庫等功能。 
圖6 運用軟件主界面 
參數配置界面，可以通過設置流量點流量、電子稱的最大承受質量、AD采集卡、485通訊卡、DA卡的通道等，提高了檢定系統的靈活性，極大地方便了工作人員的檢定。 
在檢定之前需要對參數進行設置，流量點數值為在檢定過程中被檢定通道的流量值，變頻器設置框可以選擇在調節(jié)流量過程中起作用的變頻器，并可以設置調頻步長，電子稱的最大承受質量不能設置超過其最大量程，如果超限，就自動停止本次檢定，被檢表個數必須設置為本次檢定中的熱量表個數。 
5 結束語 
本檢定系統框架清晰，經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實際試水檢定，各項指標都符合要求，達到了預期的結果，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。