熱量表流量傳感器耐久性試驗裝置的研制

朱江

（山西省計量科學(xué)研究院，山西太原030002）

熱量表流量傳感器耐久性試驗裝置的研制

朱江

（山西省計量科學(xué)研究院，山西太原030002）

熱量表流量傳感器耐久性試驗裝置采用現(xiàn)代化工業(yè)級采集、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，實現(xiàn)了全自動化操作。通過光電傳輸、脈沖計數(shù)、協(xié)議通信、視頻采集等方式獲取運行信息，同時基于3G網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)的視頻采集技術(shù)，將現(xiàn)場運行畫面實時傳送至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。試驗的全部過程均為無人值守。同時還可自定義運行周期，同步記錄熱量表和系統(tǒng)的各項運行數(shù)據(jù)；可隨時查看、導(dǎo)出、打印、分析各項數(shù)據(jù)。

熱量表；流量傳感器；耐久性；試驗裝置

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

熱量表作為供熱計量和能源控制的重要技術(shù)手段，不僅能有效地計量熱耗，而且對全社會的節(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，按照測量原理不同，又分為機械式、超聲波式和電磁式三類。熱量表流量傳感器耐久性試驗主要用于熱量表型式評價試驗和出廠前的檢驗，通過模擬實際運行工況，采用加速磨損的方法來對流量傳感器進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果能直接反映出流量傳感器在長時間運行后的可靠性。由于熱量表流量傳感器的耐久性試驗用時較長、運行成本較高以及安全防護(hù)等因素，長期困擾著計量技術(shù)機構(gòu)對該試驗的完成。通過對熱量表流量傳感器耐久性試驗裝置的研制，我們開發(fā)了一套口徑為DN15～DN200的試驗裝置，解決了熱量表的耐久性試驗問題和完善了熱量表的監(jiān)督管理工作，進(jìn)一步提高了計量技術(shù)機構(gòu)服務(wù)節(jié)能減排和供熱計量民生工程的保障能力。

1 裝置的設(shè)計原理

試驗裝置的測量口徑范圍設(shè)計為DN15～DN200，設(shè)計的主要依據(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《戶用計量儀表數(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一般有三種試驗方法和試驗要求［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)運行300 h，并進(jìn)行試驗前后的熱量表準(zhǔn)確度試驗。

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）等三個流量點下連續(xù)循環(huán)運行100個周期，每個周期為24 h，共計運行2400 h，流量隨時間變化如圖1所示。

圖1 流量隨時間變化

3）在指定的流量點和不同的試驗介質(zhì)溫度下，對流量傳感器進(jìn)行低溫和高溫交替試驗，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)的試驗方法和要求［1－4］以及裝置的配置情況確定的。包括：

測量口徑范圍：DN15～DN200；

流量測量范圍：0.03～1250 m3／h；

裝置的最大允許工作壓力：0.4 MPa；

瞬時流量穩(wěn)定性：優(yōu)于2%；

介質(zhì)溫度范圍：5～95℃；

介質(zhì)溫度波動度：≤0.5℃。

3 裝置的結(jié)構(gòu)

試驗裝置主要由泵源系統(tǒng)、穩(wěn)流系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、流量測量系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、試驗管路和監(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，由于耐久性試驗周期較長，為保證系統(tǒng)長期運行的可靠性，水泵的選型除滿足系統(tǒng)運行需求外，還考慮了系統(tǒng)的冗余設(shè)計。同時為每臺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量出口壓力，將壓力變送器信號接入變頻器，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)裝置的運行壓力。變頻泵在運行時會產(chǎn)生強烈電磁干擾，影響其它儀器儀表的正常運行，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，同時采用變頻調(diào)節(jié)可簡化調(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，解決電源波動引起離心泵電機運行不穩(wěn)定所導(dǎo)致的泵出口流量不穩(wěn)問題。穩(wěn)壓容器對流體壓力有平均、緩沖和吸收脈動的功能，同時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，穩(wěn)流管內(nèi)設(shè)三層?xùn)判蛯?dǎo)流板，并采用上下交錯布局方式，有效實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流和消氣過濾的多重功能。

3.3 存儲系統(tǒng)

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

3.4 流量測量系統(tǒng)

試驗裝置的流量測量使用的是電磁流量計，熱量表流量傳感器的耐久性試驗不論是采用恒流量方式還是變流量方式，試驗流量的準(zhǔn)確測量是實現(xiàn)耐久性合理試驗的基礎(chǔ)。綜合考慮計量設(shè)備的可靠性、耐久性，以及設(shè)計的合理性，選用聚四氟乙烯襯里材料的電磁流量計，由于其耐高溫且摩擦系數(shù)低，因而能確保試驗的準(zhǔn)確計量、高可靠性和長期持久性，同時流量計具有4～20 mA電流輸出和頻率上限為5 kHz的脈沖輸出功能，可以方便的實現(xiàn)系統(tǒng)采集和周期校準(zhǔn)。在裝置的設(shè)計中電磁流量計按照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，將流量計引入的測量影響量減小到最小。

3.5 回流系統(tǒng)

回流系統(tǒng)是實現(xiàn)閉環(huán)試驗的重要結(jié)構(gòu)，它具有匯流、分流、補水功能，能夠為水泵提供一定的入口壓力，保證了水泵的正常運行。回流系統(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，系統(tǒng)會立即報警，并通過短信形式將報警信息發(fā)送至值班人員手機上。

3.6 試驗管路

試驗管路采用雙排結(jié)構(gòu)，并能夠通過上位機控制實現(xiàn)雙排串聯(lián)、并聯(lián)單排、并聯(lián)雙排的運行模式，雙排試驗管路每排分別有獨立的水泵供水系統(tǒng)和穩(wěn)流系統(tǒng)，根據(jù)需要選擇使用方式，或同時使用，或自動切換使用，在實現(xiàn)強大的試驗功能的同時，也避免了因設(shè)備故障而耽誤儀表的正常試驗，既增強了系統(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)，可實時將現(xiàn)場運行畫面?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)場運行視頻和和監(jiān)控數(shù)據(jù)。現(xiàn)場運行系統(tǒng)配有短信發(fā)送模塊，當(dāng)運行出現(xiàn)故障時上位機軟件自動發(fā)送故障信息指令，并通過短信發(fā)送模塊間信息發(fā)送至值班人員手機上，同時還可設(shè)定一定的回傳指令，通過手機發(fā)送信息碼，系統(tǒng)接收后自動分析、處理，并按照請求發(fā)送當(dāng)前運行狀態(tài)信息，隨時隨地可獲取、查看耐久性試驗系統(tǒng)的運行情況。

4 裝置的工作原理

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

將被試驗熱量表夾裝于試驗管路上，啟動系統(tǒng)軟件，記錄被試驗熱量表信息，同時選擇執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，或根據(jù)需要自定義熱量表的試驗階段和周期，然后系統(tǒng)自動進(jìn)行排氣操作，并啟動循環(huán)水電加熱系統(tǒng)，期間系統(tǒng)自動不定期進(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，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定自動運行，包括水泵、循環(huán)管路的選擇，及試驗流量的調(diào)節(jié)，同時記錄運行數(shù)據(jù)，運行完成后自動發(fā)出結(jié)束信號通知用戶，并自動停止水泵、加熱。工作流程如圖2所示：

圖2 工作流程

5 裝置的特點

1）裝置的試驗管路采用雙排結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過上位機控制可實現(xiàn)雙排串聯(lián)、單排并聯(lián)的運行模式；裝置設(shè)計有兩個介質(zhì)存儲系統(tǒng)，具備加熱和制冷功能，兩者相互獨立，互不影響，可根據(jù)需要進(jìn)行冷熱水交替的耐久性試驗；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完成，試驗過程可自動進(jìn)行；裝置具有多種被試驗表數(shù)據(jù)采集接口，可通過光電傳輸、脈沖計數(shù)、協(xié)議通信、視頻采集等方式，實時采集被試驗表運行數(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；2400 h變流量、多周期的耐久性試驗；恒流量、高低溫交替的耐久性試驗和其它指定性的耐久性試驗。具有故障檢測、處理功能，能檢測水箱水位并自動補水；能檢測夾表區(qū)是否管堵或者被檢表是否漏水，報警并自動采取保護(hù)措施；水泵、變頻器故障自動報警，并自動進(jìn)行斷電保護(hù)；能實時檢測被試驗表運行情況，對出現(xiàn)故障的表自動打開報警信號燈，故障信息還能通過短信實時發(fā)送至值班人員手機上，真正實現(xiàn)無人值守的全自動試驗。

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)級分布式模塊；系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，從耐久性試驗裝置結(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，易于維護(hù) 。軟件顯示信息齊全，可實時顯示流量、溫度、壓力運行信息，對被試驗表實時監(jiān)控，并對故障信息立即報警，加強了運行安全性。同時裝置還具有現(xiàn)場視頻監(jiān)控功能，并將視頻信息通過3G網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸至遠(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)場運行視頻。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理功能強大。系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)自動存入數(shù)據(jù)庫，用戶可隨時查看、導(dǎo)出、打印、分析各項數(shù)據(jù)。

5）由于熱量表的耐久性試驗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；同時系統(tǒng)的補水方式、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)計和運行中應(yīng)重點考慮的方面。

6 結(jié)束語

本文針對熱量表流量傳感器耐久性試驗裝置的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)和特點等進(jìn)行了論述，研制中以自動化程度高、無人值守、安全實用和滿足技術(shù)指標(biāo)為目的，項目完成后的使用過程中還會遇到很多問題，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)督檢驗檢疫總局.JJG 225－2001熱能表檢定規(guī)程 ［S］.北京：中國計量出版社，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戶用計量儀表數(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)檢總局科技計劃項目 （2012QK260）

朱江 （1968－），男，高級工程師，從事熱工計量與測試工作。