測控一體化的熱計量儀表設計

王儉

摘 要 本文介紹了目前供熱計量改革的現(xiàn)狀，針對其存在的問題，設計了一種測控一體化的熱計量儀表。該儀表不僅能夠對供熱過程中的用熱量進行準確計量，同時具備對用戶供熱的調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)供熱二次管網(wǎng)的水力平衡，真正做到了計量控制一體化，并取得了良好的試驗效果。

【關鍵詞】測控一體化 供熱計量 二次管網(wǎng) 水力平衡

2000年建設部發(fā)布的“76號令”明確了“鼓勵發(fā)展分戶熱量計量技術與裝置”和“推行溫度調(diào)節(jié)和戶用熱量計量裝置”，吹響了供熱計量改革的號角，促進了中國熱計量儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但目前行業(yè)內(nèi)普遍提供的供熱計量解決方案不是單一的熱量表熱計量收費方案，就是室溫控制節(jié)能方案，兩套方案提供的供熱分戶計量系統(tǒng)和室溫控制系統(tǒng)在通常情況下是兩套獨立的系統(tǒng)，實踐發(fā)現(xiàn)，同時安裝這兩套系統(tǒng)在技術、施工、可操作性和用戶接受性等方面均存在相當多的問題。能否跳出傳統(tǒng)熱量表結構的框框，從系統(tǒng)上考慮，把計量功能和控制管理功能組合起來設計制造一套儀表裝置，這不僅代表著行業(yè)專家的觀點，也代表著供熱企業(yè)和用戶的期望。

1 研究目的與意義

在當前政策背景與用戶需求雙重驅動下，本文推出了基于電磁測量原理的計量溫控型熱量表--平衡熱量表，平衡熱量表融熱量計量方案和室內(nèi)溫控方案為一體，充分發(fā)揮了兩者的綜合優(yōu)勢，同時又避免了單一系統(tǒng)帶來的缺陷。

作為創(chuàng)新設計的平衡熱量表，采用測量一體化閥芯結構等多項關鍵技術，內(nèi)置流量傳感器和控制閥，配備一對進水和回水溫度傳感器，不僅具備常規(guī)熱量表的計量、顯示、通訊等功能，還可以通過內(nèi)置閥調(diào)節(jié)房間熱交換器的熱流量，實現(xiàn)房間內(nèi)溫度可控制等功能。對比單一的室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，平衡熱量表不僅實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的精確控制，還能提供每戶的供熱量數(shù)據(jù)，作為計量收費和數(shù)據(jù)分析的基礎。特別對于一些既想要實現(xiàn)分戶計量，又想要對室溫進行自動控制實現(xiàn)節(jié)能目的的需求，相較于以前需同時采用兩套系統(tǒng)，本設計則在系統(tǒng)結構、硬件成本和施工成本上具有明顯的優(yōu)勢。

2 測控一體化平衡熱量表設計

2.1 平衡熱量表設計思路

電磁流量計是隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的基于法拉第電磁感應定理的用來測量導電性液體流量的儀表。上世紀50年代初，電磁流量計就已實現(xiàn)了工業(yè)化應用，成為首先進入成熟應用的新一代儀表，與其他流量測量儀表相比，電磁流量計具有一些突出的優(yōu)點：無可動部件，無阻礙被介質(zhì)流動的節(jié)流部件，對被測流體的流動不產(chǎn)生附加壓力損失，而僅有這管段的沿程阻力；測量有導電性的介質(zhì)的流量，而不受其溫度、黏度、密度、壓力等物理參數(shù)的影響；無機械慣性，反映靈敏，可測瞬時脈動流量；直線性好，測量準確度高。因此，在眾多的流量儀表中，電磁流量計成為發(fā)展最快的流量儀表之一，其應用已遍及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防、科研等各領域，特別是在工業(yè)用水計量、在市政污水計量、在樓棟總表熱量計量上都有廣泛的應用，這充分證明了其測量原理的適用性，特別是對于嚴酷水質(zhì)條件下的測量準確度和使用可靠性。

基于以上考慮，我們認為在熱量測量中采用電磁式作為流量測量原理是可行的，但還需要解決一個問題，即如何擴大量程比。目前工業(yè)電磁流量計的量程比一般在20：1以上，而供熱領域中要求熱量表其精度范圍內(nèi)量程比需達到100：1，為此特別研究了幾款國外的戶用電磁水表設計，在充分分析其設計思路并掌握其特點后，在幾個關鍵技術上取得了突破，結合已有工業(yè)電磁流量計設計經(jīng)驗，最終研制成功了高精度高量程比電磁式熱量表。

除此之外，在儀表中創(chuàng)新性地集成了閥控功能，將流量傳感器和閥門作了一體化設計，使流量熱量測量和閥門功能巧妙地融為一體，使儀表同時具備熱量計量和閥門通斷控制功能，能為用戶帶來更多便利和價值。

2.2 平衡熱量表設計

平衡熱量表布置有測量管、閥門、電子倉等三個主要部件；測量管滿足不同環(huán)境的連接與測量需求，閥門控制熱流量的開關，電子倉部分布置主機板，對信號進行分析處理及閥的控制等。

平衡熱量表采用測量一體化閥芯結構、新型管路設計、同步采樣技術等多項關鍵技術，內(nèi)置電磁式流量傳感器和控制閥，配備一對進水和回水溫度傳感器，除了具備常規(guī)熱量表的計量、顯示、通訊等功能外，還可以通過表內(nèi)置控制閥調(diào)節(jié)房間的供熱量，實現(xiàn)水力熱力的平衡，達到房間內(nèi)溫度可控制等功能。

平衡熱量表對電磁流量計傳統(tǒng)結構做了重大革新，通過控制閥和流量傳感器一體化結構，簡化了電磁式流量傳感器的結構和制造工藝，其實物及內(nèi)部結構如下圖1所示。

平衡熱量表由閥體和測量管、閥芯、閥蓋、馬達和齒輪箱、電子倉組成。其中，閥芯內(nèi)置有勵磁線圈、電極、信號調(diào)理電路板等流量測量元件，是具有測量功能的測量一體化閥芯，勵磁線圈和電極采用電磁流量計的典型布置結構，當流通通過閥芯時，電極上感應出信號，交由電子部件處理。馬達和齒輪箱通過閥芯頂部的閥桿可帶動閥芯轉動，起到閥門打開和關閉的功能，以實現(xiàn)能量的控制。

平衡熱量表硬件由流量傳感器、溫度傳感器、信號調(diào)理電路、同步采樣電路、MCU（數(shù)字信號處理）、通訊電路、電源轉換電路、液晶顯示/按鍵、電機驅動電路和勵磁驅動電路構成。流量傳感器完成流量信號到電信號的轉換，通過模擬信號調(diào)理電路進行濾波、放大處理，進入ADC轉換為數(shù)字量，進過MCU計算、補償后獲得與實際流量成正比并且不受溫度影響（或影響量可以接受）的數(shù)字值。溫度傳感器負責檢測進水口與出水口的溫度信號，采用高精度的PT1000配對溫度傳感器，通過模擬信號調(diào)理電路，將PT1000電阻隨溫度變化量轉換為電壓變化量，送入ADC進行采樣。MCU再對PT1000的采樣值進行線性化補償，得到高精度高分辨率的數(shù)字化溫度信號。上層儀表/計算機通過RS485通訊接口訪問儀表，可以讀取實時測量值以及各類報表。操作人員也可以直接通過按鍵切換液晶顯示儀表內(nèi)存儲的各項數(shù)據(jù)。上層儀表或者PC機可以通過RS485通訊來驅動電機從而控制儀表的閥門開關。儀表通過24V直流電源供電，通過開關電源轉換電路供給儀表各個模塊供電。

平衡熱量表軟件每五秒完成一次電磁流量測量，一次進回水溫度測量，每秒完成一次熱量累積計算，其中的密度和焓值通過查表法和分段線性差值法計算。同時，軟件實現(xiàn)記錄、報表、溫度控制、系統(tǒng)診斷和通訊等功能。

3 結束語

對設計的測控一體化平衡熱量表，按照產(chǎn)品相關標準要求，組織實施了相關重要的試驗項目進行驗證，實施的試驗項目有：示值誤差與計量穩(wěn)定性、顯示要求、壓力損失、耐久性、強度與密封性、防護等級、抗運輸性能、干熱試驗、低溫貯存、循環(huán)濕熱、電源、斷電保護、靜定放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、靜態(tài)磁場、工頻電磁場、閥門耐久性、閥門泄漏量和控制功能測試等。經(jīng)過以上試驗驗證結果來看，滿足標準各項指標要求，全面驗證了設計的適用性和可行性。

在長春市某小區(qū)節(jié)能技術改造項目中，在2014-2015年度安裝了平衡熱量表1016臺，計量可靠穩(wěn)定，均顯示正常，計量可靠、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確。通過內(nèi)置控制閥，具備管網(wǎng)平衡和能量控制等功能，并通過3G網(wǎng)絡遠程監(jiān)測和調(diào)節(jié)住戶的供熱能量，降低了管網(wǎng)負荷，讓小區(qū)建筑達到了節(jié)水、節(jié)電、節(jié)能效果。另外，上位機可對記錄的歷年供熱數(shù)據(jù)和供熱參數(shù)進行分析，通過對平衡熱量表的遠程控制，可實現(xiàn)對供熱官網(wǎng)的不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)，節(jié)能潛力巨大。

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