熱量表流量傳感器耐久性試驗(yàn)裝置的研制

朱江

（山西省計(jì)量科學(xué)研究院，山西太原030002）

熱量表流量傳感器耐久性試驗(yàn)裝置的研制

朱江

（山西省計(jì)量科學(xué)研究院，山西太原030002）

熱量表流量傳感器耐久性試驗(yàn)裝置采用現(xiàn)代化工業(yè)級(jí)采集、控制技術(shù)，將工業(yè)組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化操作。通過光電傳輸、脈沖計(jì)數(shù)、協(xié)議通信、視頻采集等方式獲取運(yùn)行信息，同時(shí)基于3G網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)的視頻采集技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行畫面實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。試驗(yàn)的全部過程均為無人值守。同時(shí)還可自定義運(yùn)行周期，同步記錄熱量表和系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；可隨時(shí)查看、導(dǎo)出、打印、分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

熱量表；流量傳感器；耐久性；試驗(yàn)裝置

Abstract：Modern industrial-level acquisition and control technologies are adopted in developing a durability testdevice for flow sensors used in heatmeters.Configuration software for industry is combined with database to realize full automation.Operation information is acquired through photoelectric transmission，pulse counting，protocol communication and video capture，and at the same time，onsite images are transmitted to a remote datamonitoring center based on the 3G network or the Internet video acquisition technology，and the entire test process is unattended.It has a custom operation cycle，can synchronously record all data of heatmeters and the system，and all the data can be accessed，exported，printed and analyzed at any time.

Key words：heatmeter；flow sensor；durability；test device

0 引言

熱量表作為供熱計(jì)量和能源控制的重要技術(shù)手段，不僅能有效地計(jì)量熱耗，而且對(duì)全社會(huì)的節(jié)能減排也有積極的促進(jìn)作用，因而得到了廣泛使用。流量傳感器是熱量表的重要組成部分，按照測(cè)量原理不同，又分為機(jī)械式、超聲波式和電磁式三類。熱量表流量傳感器耐久性試驗(yàn)主要用于熱量表型式評(píng)價(jià)試驗(yàn)和出廠前的檢驗(yàn)，通過模擬實(shí)際運(yùn)行工況，采用加速磨損的方法來對(duì)流量傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果能直接反映出流量傳感器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的可靠性。由于熱量表流量傳感器的耐久性試驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)、運(yùn)行成本較高以及安全防護(hù)等因素，長(zhǎng)期困擾著計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)該試驗(yàn)的完成。通過對(duì)熱量表流量傳感器耐久性試驗(yàn)裝置的研制，我們開發(fā)了一套口徑為DN15～DN200的試驗(yàn)裝置，解決了熱量表的耐久性試驗(yàn)問題和完善了熱量表的監(jiān)督管理工作，進(jìn)一步提高了計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)服務(wù)節(jié)能減排和供熱計(jì)量民生工程的保障能力。

1 裝置的設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)裝置的測(cè)量口徑范圍設(shè)計(jì)為DN15～DN200，設(shè)計(jì)的主要依據(jù)有CJ 128－2007《熱量表城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》、JJG 225－2001《熱能表檢定規(guī)程》、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1434－2007《熱量表》和CJ／T188－2004《戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》。根據(jù)以上的不同標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，熱量表流量傳感器的耐久性試驗(yàn)一般有三種試驗(yàn)方法和試驗(yàn)要求［1－4］：

1）在介質(zhì)溫度為tmax－5℃、流量為最大流量的條件下，使流量傳感器連續(xù)運(yùn)行300 h，并進(jìn)行試驗(yàn)前后的熱量表準(zhǔn)確度試驗(yàn)。

2）在介質(zhì)溫度為 （50±5）℃或者tmax－5℃ （如果tmax＜50℃），流量為常用流量 （qp）、1.5倍最小流量 （qi）和最大流量 （qs）等三個(gè)流量點(diǎn)下連續(xù)循環(huán)運(yùn)行100個(gè)周期，每個(gè)周期為24 h，共計(jì)運(yùn)行2400 h，流量隨時(shí)間變化如圖1所示。

圖1 流量隨時(shí)間變化

3）在指定的流量點(diǎn)和不同的試驗(yàn)介質(zhì)溫度下，對(duì)流量傳感器進(jìn)行低溫和高溫交替試驗(yàn)，低溫段一般為（15～20）℃，高溫段一般為 （80～85）℃。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

裝置的技術(shù)指標(biāo)是參照了有關(guān)檢定規(guī)程和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法和要求［1－4］以及裝置的配置情況確定的。包括：

測(cè)量口徑范圍：DN15～DN200；

流量測(cè)量范圍：0.03～1250 m3／h；

裝置的最大允許工作壓力：0.4 MPa；

瞬時(shí)流量穩(wěn)定性：優(yōu)于2%；

介質(zhì)溫度范圍：5～95℃；

介質(zhì)溫度波動(dòng)度：≤0.5℃。

3 裝置的結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置主要由泵源系統(tǒng)、穩(wěn)流系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、流量測(cè)量系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、試驗(yàn)管路和監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

3.1 泵源系統(tǒng)

泵源系統(tǒng)由水泵和變頻器組成，由于耐久性試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，水泵的選型除滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求外，還考慮了系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。同時(shí)為每臺(tái)水泵均配置了變頻器，并在水泵的出口處安裝了壓力變送器用于測(cè)量出口壓力，將壓力變送器信號(hào)接入變頻器，使其組成閉環(huán)恒壓系統(tǒng)，通過設(shè)定變頻器參數(shù)調(diào)節(jié)裝置的運(yùn)行壓力。變頻泵在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾，影響其它儀器儀表的正常運(yùn)行，為降低變頻泵干擾，裝置采取了三種處理措施：①在變頻器上游設(shè)置電源濾波器，降低電網(wǎng)上干擾信號(hào)的傳導(dǎo)；②將變頻器設(shè)置在專用屏蔽電氣柜內(nèi)，降低輻射干擾；③對(duì)變頻器至水泵間的電源線用金屬管進(jìn)行處理，降低輻射干擾。

3.2 穩(wěn)流系統(tǒng)

裝置采用變頻調(diào)速與容器穩(wěn)壓相結(jié)合的穩(wěn)壓方法，該方法能有效提高雷諾數(shù)，使流量穩(wěn)定性有較大的改善，同時(shí)采用變頻調(diào)節(jié)可簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，易于控制。根據(jù)變頻器的調(diào)頻穩(wěn)壓性能，把供電頻率調(diào)節(jié)到所需的頻率，保證電網(wǎng)供電電壓的穩(wěn)定，解決電源波動(dòng)引起離心泵電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定所導(dǎo)致的泵出口流量不穩(wěn)問題。穩(wěn)壓容器對(duì)流體壓力有平均、緩沖和吸收脈動(dòng)的功能，同時(shí)也具有析出水流中氣體的作用。在穩(wěn)壓容器安置穩(wěn)流管，利用空氣的壓縮性和隔板來緩沖流量波動(dòng)，穩(wěn)流管內(nèi)設(shè)三層?xùn)判蛯?dǎo)流板，并采用上下交錯(cuò)布局方式，有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流和消氣過濾的多重功能。

3.3 存儲(chǔ)系統(tǒng)

為滿足不同形式的熱量表的耐久性試驗(yàn)，系統(tǒng)首創(chuàng)冷熱水交替試驗(yàn)方法，分別配置對(duì)應(yīng)的冷、熱水水箱，并根據(jù)試驗(yàn)口徑的不同，合理優(yōu)化水箱設(shè)計(jì)，冷、熱水箱分別采用大小水箱組合設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)儀表口徑選擇適合的試驗(yàn)水箱，既保證了試驗(yàn)介質(zhì)的溫度快速升降，又達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。

3.4 流量測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置的流量測(cè)量使用的是電磁流量計(jì)，熱量表流量傳感器的耐久性試驗(yàn)不論是采用恒流量方式還是變流量方式，試驗(yàn)流量的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)耐久性合理試驗(yàn)的基礎(chǔ)。綜合考慮計(jì)量設(shè)備的可靠性、耐久性，以及設(shè)計(jì)的合理性，選用聚四氟乙烯襯里材料的電磁流量計(jì)，由于其耐高溫且摩擦系數(shù)低，因而能確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確計(jì)量、高可靠性和長(zhǎng)期持久性，同時(shí)流量計(jì)具有4～20 mA電流輸出和頻率上限為5 kHz的脈沖輸出功能，可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采集和周期校準(zhǔn)。在裝置的設(shè)計(jì)中電磁流量計(jì)按照0.15～10 m／s的流速最佳區(qū)間原則配置，并采用標(biāo)準(zhǔn)安裝工藝，將流量計(jì)引入的測(cè)量影響量減小到最小。

3.5 回流系統(tǒng)

回流系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)試驗(yàn)的重要結(jié)構(gòu)，它具有匯流、分流、補(bǔ)水功能，能夠?yàn)樗锰峁┮欢ǖ娜肟趬毫?，保證了水泵的正常運(yùn)行?；亓飨到y(tǒng)具有三條分流支路，分別指向冷熱水箱、水泵入口匯管，并安裝安全閥，以保證用戶使用中的安全，當(dāng)安全閥遭到破壞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即報(bào)警，并通過短信形式將報(bào)警信息發(fā)送至值班人員手機(jī)上。

3.6 試驗(yàn)管路

試驗(yàn)管路采用雙排結(jié)構(gòu)，并能夠通過上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)雙排串聯(lián)、并聯(lián)單排、并聯(lián)雙排的運(yùn)行模式，雙排試驗(yàn)管路每排分別有獨(dú)立的水泵供水系統(tǒng)和穩(wěn)流系統(tǒng)，根據(jù)需要選擇使用方式，或同時(shí)使用，或自動(dòng)切換使用，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的試驗(yàn)功能的同時(shí)，也避免了因設(shè)備故障而耽誤儀表的正常試驗(yàn)，既增強(qiáng)了系統(tǒng)功能，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.7 監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于3G網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)的視頻采集技術(shù)，可實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行畫面?zhèn)魉椭吝h(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，可通過Web瀏覽器遠(yuǎn)程訪問、查看現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行視頻和和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)配有短信發(fā)送模塊，當(dāng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)上位機(jī)軟件自動(dòng)發(fā)送故障信息指令，并通過短信發(fā)送模塊間信息發(fā)送至值班人員手機(jī)上，同時(shí)還可設(shè)定一定的回傳指令，通過手機(jī)發(fā)送信息碼，系統(tǒng)接收后自動(dòng)分析、處理，并按照請(qǐng)求發(fā)送當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息，隨時(shí)隨地可獲取、查看耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4 裝置的工作原理

試驗(yàn)裝置根據(jù)系統(tǒng)軟件指令自動(dòng)選通循環(huán)管路、自動(dòng)切換運(yùn)行流量、自動(dòng)重復(fù)設(shè)定周期、自動(dòng)記錄被試驗(yàn)表和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，待試驗(yàn)流量穩(wěn)定后進(jìn)入恒流量運(yùn)行期，系統(tǒng)軟件僅進(jìn)行采集操作，避免了裝置運(yùn)行完全受控于軟件，保證了裝置的可靠運(yùn)行。

將被試驗(yàn)熱量表夾裝于試驗(yàn)管路上，啟動(dòng)系統(tǒng)軟件，記錄被試驗(yàn)熱量表信息，同時(shí)選擇執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，或根據(jù)需要自定義熱量表的試驗(yàn)階段和周期，然后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行排氣操作，并啟動(dòng)循環(huán)水電加熱系統(tǒng)，期間系統(tǒng)自動(dòng)不定期進(jìn)行水循環(huán)，以保證循環(huán)管路的溫度平衡，待加熱工作水箱的水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行，包括水泵、循環(huán)管路的選擇，及試驗(yàn)流量的調(diào)節(jié)，同時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行完成后自動(dòng)發(fā)出結(jié)束信號(hào)通知用戶，并自動(dòng)停止水泵、加熱。工作流程如圖2所示：

圖2 工作流程

5 裝置的特點(diǎn)

1）裝置的試驗(yàn)管路采用雙排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過上位機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)雙排串聯(lián)、單排并聯(lián)的運(yùn)行模式；裝置設(shè)計(jì)有兩個(gè)介質(zhì)存儲(chǔ)系統(tǒng)，具備加熱和制冷功能，兩者相互獨(dú)立，互不影響，可根據(jù)需要進(jìn)行冷熱水交替的耐久性試驗(yàn)；系統(tǒng)水循環(huán)具有開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，采用閉環(huán)水循環(huán)可以有效減少水的損失，降低水泵運(yùn)行耗能，極大降低循環(huán)中水的溫度散失，高效節(jié)能。

2）被試表只需人工夾裝，其它操作通過工控機(jī)完成，試驗(yàn)過程可自動(dòng)進(jìn)行；裝置具有多種被試驗(yàn)表數(shù)據(jù)采集接口，可通過光電傳輸、脈沖計(jì)數(shù)、協(xié)議通信、視頻采集等方式，實(shí)時(shí)采集被試驗(yàn)表運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3）裝置的適用性廣，能滿足恒流量、300 h的耐久性試驗(yàn)；2400 h變流量、多周期的耐久性試驗(yàn)；恒流量、高低溫交替的耐久性試驗(yàn)和其它指定性的耐久性試驗(yàn)。具有故障檢測(cè)、處理功能，能檢測(cè)水箱水位并自動(dòng)補(bǔ)水；能檢測(cè)夾表區(qū)是否管堵或者被檢表是否漏水，報(bào)警并自動(dòng)采取保護(hù)措施；水泵、變頻器故障自動(dòng)報(bào)警，并自動(dòng)進(jìn)行斷電保護(hù)；能實(shí)時(shí)檢測(cè)被試驗(yàn)表運(yùn)行情況，對(duì)出現(xiàn)故障的表自動(dòng)打開報(bào)警信號(hào)燈，故障信息還能通過短信實(shí)時(shí)發(fā)送至值班人員手機(jī)上，真正實(shí)現(xiàn)無人值守的全自動(dòng)試驗(yàn)。

4）系統(tǒng)軟件采用工業(yè)組態(tài)架構(gòu)，控制設(shè)備采用工業(yè)級(jí)分布式模塊；系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，從耐久性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成、電氣控制，到系統(tǒng)軟件，全部采用模塊化設(shè)計(jì)，易于維護(hù) 。軟件顯示信息齊全，可實(shí)時(shí)顯示流量、溫度、壓力運(yùn)行信息，對(duì)被試驗(yàn)表實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)故障信息立即報(bào)警，加強(qiáng)了運(yùn)行安全性。同時(shí)裝置還具有現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控功能，并將視頻信息通過3G網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，也可通過Web瀏覽器遠(yuǎn)程訪問、查看現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行視頻。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫，用戶可隨時(shí)查看、導(dǎo)出、打印、分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

5）由于熱量表的耐久性試驗(yàn)過程中要涉及高溫介質(zhì)、電加熱功率大以及管路泄漏等安全因素，裝置的安全防護(hù)措施顯得尤為重要；同時(shí)系統(tǒng)的補(bǔ)水方式、加熱方式、被檢表的夾裝方式和通訊的可靠性等都應(yīng)是設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)考慮的方面。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)熱量表流量傳感器耐久性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)等進(jìn)行了論述，研制中以自動(dòng)化程度高、無人值守、安全實(shí)用和滿足技術(shù)指標(biāo)為目的，項(xiàng)目完成后的使用過程中還會(huì)遇到很多問題，需要進(jìn)一步解決完善。

［1］中華人民共和國建設(shè)部.CJ 128－2007熱量表城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 225－2001熱能表檢定規(guī)程 ［S］.北京：中國計(jì)量出版社，2002.

［3］The European Committee for Standardization.EN 1434－2007 Heat Meters［S］，2007.

［4］中華人民共和國建設(shè)部.CJ／T188－2004戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

Development of a Durability Test Device for Flow Sensors in Heat M eters

ZHU Jiang
（Shanxi Provincial Institute of Metrology，Taiyuan 030002，China）

TB942

B

1674－5795（2014）05－0018－04

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.05.04

2014－07－23

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目 （2012QK260）

朱江 （1968－），男，高級(jí)工程師，從事熱工計(jì)量與測(cè)試工作。