摘 要： 設(shè)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(tǒng)。該系統(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)等部分組成。在檢定中，熱水流量檢測系統(tǒng)給試驗管路供以循環(huán)水，溫差檢測系統(tǒng)模擬實際的入口和出口溫度，數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)在檢定過程中采集相關(guān)流量，溫度等信號，依據(jù)相關(guān)熱力學(xué)公式計算出標(biāo)準熱量值，與被檢表的熱量示值進行比較計算，從而實現(xiàn)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(tǒng)達到了設(shè)計要求，實現(xiàn)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(guān)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(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(dāng)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(biāo)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(biāo)準檢測系統(tǒng)主要由主標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)準表法）兩種。 
①質(zhì)量法標(biāo)準計量器具采用電子稱； 
②標(biāo)準表法標(biāo)準計量器具采用標(biāo)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(biāo)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。 
圖1 試驗管路結(jié)構(gòu)框圖 
系統(tǒng)設(shè)計有4個檢定通道，分別對應(yīng)不同口徑的熱量表檢定，設(shè)計最多可以同時檢定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(biāo)準檢測系統(tǒng)由精密恒溫槽、標(biāo)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(biāo)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(yīng)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?zé)崃勘碓O(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DO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(biāo)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(tǒng)框圖 
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(yīng)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(biāo)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(biāo)準器的水的體積流量，m3/h；ρ—流經(jīng)熱量表檢定裝置的主標(biāo)準器的水的密度，kg/m3；Δh—熱交換系統(tǒng)入口與出口處水的溫差值對應(yīng)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(yīng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(xué)公式由計算機自動計算檢定期間的標(biāo)準熱量值。通過標(biāo)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，達到指定壓力； 
③打開總進水閥和需要檢定的相應(yīng)管道； 
④調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥，使流量大概達到指定范圍，然后通過調(diào)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(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，和指定通道的泄流閥，并把電子稱底閥打開，恢復(fù)到初始狀態(tài)。 
4 檢定應(yīng)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。 
圖4軟件結(jié)構(gòu)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(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。 
圖6 運用軟件主界面 
參數(shù)配置界面，可以通過設(shè)置流量點流量、電子稱的最大承受質(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，電子稱的最大承受質(zhì)量不能設(shè)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(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(xùn)即可操作，在滿足《熱量表檢定裝置》計量檢定標(biāo)準要求下經(jīng)實際試水檢定，各項指標(biāo)都符合要求，達到了預(yù)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(dāng)中。