摘 要： 設(shè)計(jì)了一種可以檢定多種口徑熱量表的多功能自動(dòng)檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱水流量檢測(cè)系統(tǒng)、溫差檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成。在檢定中，熱水流量檢測(cè)系統(tǒng)給試驗(yàn)管路供以循環(huán)水，溫差檢測(cè)系統(tǒng)模擬實(shí)際的入口和出口溫度，數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)在檢定過(guò)程中采集相關(guān)流量，溫度等信號(hào)，依據(jù)相關(guān)熱力學(xué)公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)熱量值，與被檢表的熱量示值進(jìn)行比較計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢表的檢定。實(shí)驗(yàn)表明該裝置能很好地完成熱量表的自動(dòng)和手動(dòng)檢定。檢定系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保存檢定記錄，打印報(bào)表等功能，具有自動(dòng)化程度高、檢定管徑多、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。 
關(guān)鍵字： 熱量表 自動(dòng)檢定 流量 溫度 
0 引言 
按照《中華人民共和國(guó)計(jì)量法》第十二條和第十五條的規(guī)定：“制造、修理計(jì)量器具的企業(yè)、事業(yè)單位，必須對(duì)制造修理的計(jì)量器具進(jìn)行檢定，保證產(chǎn)品計(jì)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(duì)采暖設(shè)施中的熱耗進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量及收費(fèi)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(shí)，熱量表根據(jù)流量傳感器給出的流量和配對(duì)溫度傳感器給出的供回水溫度，以及水流經(jīng)的時(shí)間，計(jì)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(guò)檢定，為此設(shè)計(jì)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(dòng)和自動(dòng)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(guò)比較控制系統(tǒng)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)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(jì) 
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 
檢定系統(tǒng)由熱水流量檢測(cè)系統(tǒng)、溫差檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。 
系統(tǒng)中熱水流量標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由主標(biāo)準(zhǔn)器、供回水系統(tǒng)、試驗(yàn)管路系統(tǒng)和流量、溫度、壓力計(jì)量顯示儀表等組成。其中，主標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度等級(jí)的熱水流量檢測(cè)系統(tǒng)，主要有質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法。 
本設(shè)計(jì)中采用了自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式、檢定方法包括質(zhì)量法和時(shí)間法（標(biāo)準(zhǔn)表法）兩種。 
①質(zhì)量法標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具采用電子稱； 
②標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具采用標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)； 
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(yàn)管路系統(tǒng)主要由滿足標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢熱量表安裝要求的前后直管段、夾表裝置、瞬時(shí)流量指示、檢測(cè)表工作臺(tái)及安全保護(hù)罩、啟停閥、流量調(diào)節(jié)閥、換向器等組成。 
本檢定系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)管路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 
圖1 試驗(yàn)管路結(jié)構(gòu)框圖 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4個(gè)檢定通道，分別對(duì)應(yīng)不同口徑的熱量表檢定，設(shè)計(jì)最多可以同時(shí)檢定7個(gè)熱量表。 
1.2 熱水流量檢測(cè)系統(tǒng) 
熱水流量檢測(cè)系統(tǒng)在檢定過(guò)程中，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器來(lái)控制流量，并通過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓罐來(lái)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(shí)時(shí)顯示其數(shù)值，到達(dá)檢定條件后即開(kāi)始檢定過(guò)程。 
1.3 溫差檢測(cè)系統(tǒng) 
溫差標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)由精密恒溫槽、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)及配用的電測(cè)設(shè)備等組成。兩個(gè)精密恒溫槽用來(lái)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(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、配用的電測(cè)設(shè)備，具有合格、有效的計(jì)量檢定證書。恒溫槽應(yīng)符合表1的規(guī)定。 
對(duì)普通熱量表設(shè)計(jì)的工作溫度≤95℃，溫度上限tmax取95℃，可采用恒溫水槽；對(duì)高溫?zé)崃勘碓O(shè)計(jì)的工作溫度＞95℃，溫度上限tmax取150℃，可采用恒溫油槽。 
1.4 計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng) 
計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示。采用了工控機(jī)和PCI采集卡，PCI通訊卡等來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制。泄流閥、底閥、換向器的開(kāi)啟通過(guò)DO卡或者控制柜前面板開(kāi)關(guān)，DA卡輸出4～20mA信號(hào)來(lái)控制3個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，也可以通過(guò)前面板旋鈕手動(dòng)調(diào)節(jié)，采集的模擬量信號(hào)有標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)流量、溫度、壓力等，變頻器、電子稱、被檢表通過(guò)RS485方式和計(jì)算機(jī)通信。 
圖2 計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖 
本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種檢定方式，在控制柜前面板進(jìn)行選擇，設(shè)計(jì)中采用了小型大功率電磁繼電器，具有兩組常開(kāi)、常閉轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)形式，開(kāi)關(guān)電壓為5V，計(jì)算機(jī)控制接到常閉觸點(diǎn)，手動(dòng)控制接到常開(kāi)觸點(diǎn)，如圖3所示。 
2 檢定方法 
檢定方法采用質(zhì)量法和時(shí)間法兩種。檢定通道的選擇通過(guò)換向閥或者人工手動(dòng)切換。 
質(zhì)量法：通過(guò)電子稱累積的熱水質(zhì)量來(lái)計(jì)算循環(huán)水所釋放的熱量。 
時(shí)間法：通過(guò)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)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(tái)電子稱，上面裝有兩組換向器，一組對(duì)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(tái)電子稱下面的底閥，通常是常開(kāi)狀態(tài)，如果采用質(zhì)量法，則底閥閉合，循環(huán)水就進(jìn)入儲(chǔ)水罐，開(kāi)始累計(jì)質(zhì)量。 
檢定方法的選擇通過(guò)換向器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果循環(huán)水進(jìn)入儲(chǔ)水罐，則選用質(zhì)量法；如果循環(huán)水直排到回水管進(jìn)行循環(huán)，則選用時(shí)間法，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行熱量積分。 
檢定中熱量的計(jì)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(jìn)行計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(duì)應(yīng)的水的比焓值差，kJ/kg；τ—時(shí)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(cè)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(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)要求。 
加熱循環(huán)熱水箱的水溫至設(shè)定溫度值，啟動(dòng)變頻水泵將熱水送入試驗(yàn)管道，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)及被檢熱量表，返回到熱水箱。通過(guò)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(diǎn)上，將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被檢表的溫度傳感器一起分別置于兩個(gè)恒溫水槽中（模擬入口和出口溫度），待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始檢定，計(jì)算機(jī)在檢定過(guò)程中采集有關(guān)流量、溫度等信號(hào)，運(yùn)行一段時(shí)間后停止檢定，依據(jù)相關(guān)熱力學(xué)公式由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算檢定期間的標(biāo)準(zhǔn)熱量值。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)熱量值和被檢表的熱量示值進(jìn)行比較計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢表的檢定測(cè)試。 
檢定過(guò)程可以選擇自動(dòng)或者手動(dòng)方式，控制柜前面板有計(jì)算機(jī)和本地選擇開(kāi)關(guān)，本地控制作為計(jì)算機(jī)控制的補(bǔ)充，可以有效解決在檢定過(guò)程中計(jì)算機(jī)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(dá)到指定壓力； 
③打開(kāi)總進(jìn)水閥和需要檢定的相應(yīng)管道； 
④調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使流量大概達(dá)到指定范圍，然后通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器，使流量準(zhǔn)確達(dá)到指定的流量點(diǎn)； 
⑤通過(guò)RS485讀取恒溫槽溫度，等待到達(dá)設(shè)定值； 
⑥待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，根據(jù)選擇時(shí)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(kāi)始檢定過(guò)程，讀取熱量表數(shù)據(jù)； 
⑦檢定結(jié)束，關(guān)總進(jìn)水閥，和指定通道的泄流閥，并把電子稱底閥打開(kāi)，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(kù)，用于保存被檢表的檢定記錄，并實(shí)現(xiàn)了調(diào)用EXCEL打開(kāi)表格功能，打印檢定結(jié)果。 
圖4軟件結(jié)構(gòu)框圖 
自動(dòng)檢定程序流程圖如圖5所示。 
圖5 自動(dòng)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(jì)質(zhì)量，中間部分主要用于顯示備檢表的各項(xiàng)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(kù)等功能。 
圖6 運(yùn)用軟件主界面 
參數(shù)配置界面，可以通過(guò)設(shè)置流量點(diǎn)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(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，流量點(diǎn)數(shù)值為在檢定過(guò)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(guò)程中起作用的變頻器，并可以設(shè)置調(diào)頻步長(zhǎng)，電子稱的最大承受質(zhì)量不能設(shè)置超過(guò)其最大量程，如果超限，就自動(dòng)停止本次檢定，被檢表個(gè)數(shù)必須設(shè)置為本次檢定中的熱量表個(gè)數(shù)。 
5 結(jié)束語(yǔ) 
本檢定系統(tǒng)框架清晰，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可操作，在滿足《熱量表檢定裝置》計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)要求下經(jīng)實(shí)際試水檢定，各項(xiàng)指標(biāo)都符合要求，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，順利通過(guò)了計(jì)量院的驗(yàn)收，可以運(yùn)用于實(shí)際的熱量表檢定工作當(dāng)中。