工況下熱量表性能研究平臺的搭建及結果分析

路 遙，李 坡，李毅堂，施 鑫

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

使用在工況供熱管網下的熱量表，其管內壁因浸泡在水中，易被腐蝕、生銹而使內壁表層發生結構變化，且時間越長變化就越明顯；同時供熱水質中的雜質及銹渣等也會在管道內壁和超聲波換能器表面附著，這都會直接影響到超聲波熱量表的準確度。關于供熱水質對熱量表使用準確度產生的影響，目前國內的相關研究較少。在此，搭建了工況條件下熱量表流量性能研究平臺，并基于搭建的遠程抄表監測系統，根據安裝表在供暖季前后的檢測數據，對超聲波熱量表的流量性能開展深入的分析研究。

1 工況條件下熱量表性能研究平臺的搭建

1.1 平臺管網的搭建

文中所搭建的工況條件下熱量表流量性能研究平臺，選取了不同反射結構、不同材質的熱量表接入供熱管網，每種型號3塊樣表，共計30塊熱量表串聯接入。

在每個供暖周期開始前和結束后，均對所有試驗用表進行檢定，觀察測量誤差的變化量。在供暖期間，每天對試驗用熱量表通過抄表系統進行跟蹤數據采集，觀察熱量表流量性能變化的過程。由于串聯表較多，為保證管網的供水動力，在該平臺管網中接入微型變頻泵，通過閉環控制使試驗管路水流速穩定在0.6 m3/h，以便于樣表的數據監測。

1.2 遠程抄表監測系統的搭建

熱量表的數據采集及傳輸方式均采用M-Bus總線，故該平臺基于M-Bus通訊原理搭建自動數據采集系統。因當前熱表通訊協議無法統一，為實現遠程數據傳輸和自動化數據采集，文中抄表系統平臺搭建時，先將熱量表的通訊協議寫入數據采集器，經過軟件編程實現通訊協議自動匹配，進而通過M-Bus總線將數據采集到采集器中。并且基于SQL Server建立熱量表參數性能數據庫，從而實現遠程抄表監測系統的搭建。

1.2.1 M-Bus數據采集器原理及電路設計

熱量表的數據采集及傳輸方式采用M-Bus總線。M-Bus總線協議以ISO-OSI參考模型作為參考，但是只采用了模型的物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。

從主站（集中器）向從站（熱量表）發送數據命令時，M-Bus采用電壓調制的方式，在總線電流保持不變的前提下，從站通過檢測總線電壓的變化來確定接收到的數據，因此要求其總線接口具有動態電平識別的功能。由從站向主站發送數據命令時，MBus采用電流調制的方式，在總線電壓保持不變的前提下，主站通過檢查電流的變化解調出所接收的信息。

由此可見，M-Bus總線既可用于信號傳輸又能為從站提供電源，使終端儀表所用電池成為備用電源，從而減少儀表定期更換電池的工作量。

從主站到從站整個信號的傳播過程為，首先由主站端發出指令，接入232串口電路。如圖1所示，途徑PC_TXD1觸發MAX 3232芯片的R1IN管腳，MAX 3232為RS-232接口芯片，可將PC中電平轉換為TTL電平。

圖1 PC接口模塊電路原理圖Fig.1 Circuit schematic of PC interface module

從R1OUT管腳輸出的信號經過處理后，采用2個2N8050三極管增加驅動能力，從232_RXD_S輸出后進入TLP181光電耦合器（如圖2所示）。光電耦合器很好地隔離了主站與從站之間的電路，可有效保障主站安全正常的工作，避免過載電流對主站造成損毀。

圖2 過電壓保護模塊電路原理Fig.2 Circuit schematic of overvoltage protection module

經過處理后的電信號從M_TXD_X流入M-Bus主站接口電路，如圖3所示，通過M_TXD_X的高低電平變化控制QMX8的通斷，向總線輸出M-Bus主站控制信號。

由從站到主站的信號傳播路徑是相反的，即通訊協議匹配成功的試驗用熱量表接收到主站的通訊后，反饋的電信號首先經過圖3所示電路處理，利用LM393電壓比較器，比較采樣電阻RMX14上電壓的變化，從而將M-Bus從站電流信號轉換成M_RXD_X電壓信號。然后，M_RXD_X輸入光電耦合器，當輸入的為低電壓時，從232_TXD_S導出的為低電壓；當輸入為高電壓時，從232_TXD導出的為高電壓。通過MAX3232芯片處理后，從PC_RXD1輸出，即為主站獲得的信號。

圖3 M-Bus主站接口電路原理Fig.3 Circuit schematic of M-Bus master station interface

1.2.2 軟件設計

熱量表運行數據采集程序流程如圖4所示。主程序里做初始化之后，定時器將數據采集頻率設為每30 min采集1次，程序首先判斷數據傳輸過程中是否出現問題，判斷數據無誤后從數據包中提取運行數據并存入數據庫。

圖4 熱量表運行數據采集程序流程Fig.4 Flow chart of heat meter data collection procedure

采集管理軟件基于Windows系統.NET平臺開發，采用Microsoft SQL Server數據庫，保證系統的兼容性及擴展性，滿足熱量表結果數據的存儲、查詢、分析要求。

2 一個采暖季前后樣表的數據對比

在2015年冬季采暖季開始之前和2016年春季采暖季結束后，分別對該平臺試驗所用的30塊熱量表進行檢定，檢測點為 qs，qp，0.3qp，0.1qp，qi。 其中，qs為在滿足熱量表準確度不超過誤差限的條件下，在短時間（＜1 h/d；＜200 h/a）內，熱量表運行的極限流量；qp為在滿足熱量表準確度不超過誤差限的條件下，熱量表長期連續運行時的上限流量；qi為在滿足熱量表準確度不超過誤差限的條件下，水流經熱量表時的下限流量。

每個檢測點檢測3次，當出現粗大誤差時，進行第4次和第5次檢測以修正檢測值；每個檢測點的最終數據為重復測量數據的平均值。保持檢測使用同一試驗臺、各個熱量表前后檢定采用同一臺位。

對試驗數據按照管段結構進行分類處理后，從結果可以看出，熱量表在經過一個采暖季以后，受工況水質等的影響，熱量表的準確度發生了變化，但是變化量均在1%以內。可見我國熱量表的生產已經達到了很高的水平。

各種管段結構的熱量表誤差變化量見表1。就不同結構而言，由表可知，管段結構為支架結構的熱量表受工況管網影響最小，其次是管段結構為對射式和立柱式的熱量表，而V形反射結構和W形反射結構的熱量表受影響比相對較大。

表1 各種管段結構的熱量表誤差變化量（%）Tab.1 Error variation of heat meters with various tube section structures

3 試驗結果的分析與研究

3.1 數學建模

為了對各種反射結構構管段的熱量表所出現的誤差變化量做進一步分析研究，首先對各種反射結構管段的超聲波熱量表進行數學建模研究[1-2]。各種反射結構的超聲波熱量表管段剖面如圖5所示。

圖5 各種反射結構的超聲波熱量表管段剖面Fig.5 Sectional drawings of ultrasonic heat meters with various reflecting structures

如圖5所示，對于流速測量，不同管段結構的熱量表的數學模型是有區別的[3-5]。其中，V形反射結構熱量表的流速vV為

W形反射結構熱量表的流速vW為

對射結構的熱量表流速ve為

支架式結構的反射原理和反射路徑，與立柱式管道結構的完全一樣，因此立柱結構與支架結構的熱量表流速vc和vs為

式中：C為超聲波信號的傳播速度。由于C遠遠大于工況水質在管道中的流速v，因此將v/C的二階無窮小忽略不計。故超聲波熱量表的瞬時流量為

式中：k（T）為修正系數。

我國供熱的水質較差，長時間使用會產生水垢，同時金屬管壁表面會產生鐵銹，而且供熱管道為封閉式結構，熱水長時間循環使用且不能對管道進行清潔，會使水垢和鐵銹等雜質附著在管道內壁。而一般家用的超聲波熱量表管道口徑較小，以DN20和DN25口徑的居多，因此超聲波熱量表的測量管道內壁發生變化，會直接影響超聲波熱量表的性能。

3.2 試驗結果及分析

試驗中，利用數字信號發生器模擬超聲波發射信號，中心頻率為1 MHz，用示波器連接超聲波換能器的接收端，觀察不同生銹程度、不同傳播距離的一對超聲波換能器的信號衰減情況。通過超聲波換能器的發射端發射10個振幅相等的正弦波脈沖信號，試驗在純凈水環境中進行。

通過試驗可以發現，在同軸相對的2個超聲波換能器之間有間距的時候，接收端接收到的信號有一個逐漸起振的過程。對于超聲波換能器的接收端而言，只有超過了閾值的脈沖信號才能被視為計時信號。在此以識別到第3個波形信號為例，被記錄的時間點為第1個超過閾值的脈沖信號（即第3個波形）再次回到零點的時刻，具體原理如圖6所示。

圖6 超聲波信號衰減示意Fig.6 Schematic of attenuation of ultrasonic signal

通過試驗對比，在保證超聲波換能器表面清潔度良好的情況下，不同的超聲波傳播距離會對超聲波信號產生影響，傳播距離越長，信號衰減越明顯，且衰減速率呈非線性增長。這是由于超聲波在傳播過程中，由于傳播介質吸收、介質中雜質顆粒物的散射及反射過程中產生的能量損失造成超聲波信號不能被接收端換能器全部接收。然而，對于普通戶用熱量表因結構不同導致的超聲波傳播距離的差異非常小，對信號衰減的影響基本可以忽略。

通過試驗對比，在相同的傳播距離條件下，超聲波換能器表面的清潔程度會對信號的衰減產生更加明顯的影響。在工況實流的環境中，由于供熱用水的水質不純凈，在一個采暖季過后，發現熱量表管道及換能器表面發生了變化，拆卸后的熱量表管道情況如圖7所示。

圖7 一個采暖周期后不同熱量表管道的內壁Fig.7 Inner wall of different heat meter pipes after a heating cycle

為通過該試驗探究換能器表面的鐵銹對熱量表準確度的影響，對超聲波換能器的表面進行了不同程度的鍍鐵銹處理。試驗結果表明，鐵銹層越厚，信號衰減越嚴重，當鐵銹層厚度達到一定數值后，所有脈沖信號都將衰減到閾值以下，此時超聲波換能器的接收端無法再識別接收到超聲波信號。

根據計算，針對V形反射、W形反射和對射結構的熱量表：

情況A當第1個與閾值相交的波形信號的波峰值衰減到與閾值比較接近時，由于噪聲信號的影響使發射端和接收端對波形信號識別不一致，也就是其中有一段信號產生1 μs的誤差，在工況實流的流速條件下，根據式（1）（2）（3）計算可得出，會對熱量表的計量準確度造成近100%的偏差。若發射端和接收端對波形信號同樣識別到，則不造成偏差；若兩端對波形信號均未識別到，造成的偏差值與情況B相同。

情況B當第1個與閾值相交的波形信號的波峰值衰減到閾值以下時，時間記錄取決于新的第1個與閾值相交的波形信號，如圖7所示的波形1，此時會產生 1 μs的倍數的誤差，根據式（1）（2）（3）計算可得出，會對W形反射結構熱量表的流量計量準確度造成2.90%以上的偏差、對射結構的4.45%以上的偏差、V形反射結構3.94%以上的偏差。

針對立柱和支架結構的熱量表：

情況A當第1個與閾值相交的波形信號的波峰值衰減到與閾值比較接近時，若發射和接收端同步識別接收到該波形或沒接收到該波形，均不會對熱量表的計量準確度造成偏差，若發射和接收端的識別不同步，根據式（4）計算可得出，會對熱量表的計量準確度造成近100%的偏差。

情況B當第1個與閾值相交的波形信號的波峰值衰減到閾值以下時，不會對熱量表的計量準確度造成偏差。

4 結語

從試驗可看出，目前我國熱量表的質量已達到一定水平，整體而言無論是計量準確度還是穩定性都是可靠的。然而，為了進一步提高熱量表的計量性能，使其符合我國工況供暖的水質特點，后續將對熱量表的硬件電路設計及軟件參數設置開展研究，對熱量表的修正系數根據供暖的地域性差異及熱量表的結構特點、使用時間進行周期性更新。