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1、第一部分第一部分 热量表简介热量表简介一、一、 热量表的基本结构热量表的基本结构一个完整的热能表由以下三个部分组成：一只流量计，用以测量经热交换的热水流量；一对温度传感器，分别测量供暖进水和回水温度；一只积分仪，根据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据，通过热力学公式可计算出用户从热交换系统获得的热量。其中用于空调系统的热量表也称为：（冷）热量表，可以在冬季供暖季节计量热量，也可以在夏季计量制冷量。二、二、 热量表的分类热量表的分类1、按流量计种类划分按流量计种类划分热能表按照热表流计结构和原理不同，可分为、机械式（其中包括：涡轮式、孔板式、涡街式等） 、电磁式、超声波式等种类。1
2、）机械式热量表采用机械式流量计的热量表的统称。机械式流量计的结构和原理与热水表类似，具有制造工艺简单，相对成本较低，性能稳定，计量精度相对较高等优点。目前在 DN2 5 以下的户用热量表当中，无论是国内还是国外，几乎全部采用机械式流量计。由于机械式热表因其经济、维修方便和对工作条件的要求相对不高，在热水管网的热计量中又占据主导地位。（优点：成本低、计量精度相对较高；缺点：容易堵塞，受水质影响，产品质量参差不齐。 ）2）超声波式热量表采用超声波式流量计的热量表的统称。它是利用超声波在流动的流体中传播时，顺水流传播速度与逆水流传 播速度差计算流体的流速，从而计算出流体流量。对介质无特殊要求；流量测
3、量的准确度不受被测流体温度、压力、密度等参数的影响。一般 DN40 以上的热量表多采用这种流量计。具有压损小，不易堵塞，精度高等特点。（优点：压损小，不易堵塞，精度高。缺点：成本高。）3）电磁式热量表采用电磁式流量计的热量表的统称。由于成本极高，需要外加电源等原因，所以很少有热量表采用这种流量计。（优点：精度较高。缺点：成本高，还需外加电源。 ）2、按技术结构划分、按技术结构划分根据热量表总体结构与设计原理的不同，热量表可分为1）整体式热量表整体式热量表指热量表的三个组成部分中（积算器、流量计、温度传感器） ，有两个以上的部分在理论上（而不是在形式上）是不可分割的结合在一起。比如，机械式热量表
4、当中的标准机芯式（无磁电子式）热量表的积算器和流量计是不能任意互换的，检定时也只能对其进行整体测。2）组合式热量表）组合式热量表组成热量表的三个部分可以分离开来，并在同型号的产品中可以互相替换，检定时可以对各部件进行分体检测。3）紧凑式热量表）紧凑式热量表在型式检定或出厂标定过程中可以看作组合式热量表，但在标定完成后，其组成部分必须按整体式热量表来处理。3、按使用功能划分按使用功能划分热量表按使用功能可分为：单用于采暖分户计量的热量表，和可用于空调系统的（冷）热量表。 （冷）热量表与热量表在结构和原理上是一样的。主要区别在传感器的信号采集和运算方式上，也就是说，两种表的区别是程序软件的不同。1
5、） （冷）热量表的冷热计量转换，是由程序软件完成的。当供水温度高于回水温度时，为供热状态，热量表计量的是供热量；当供水温度低于回水温度时，是制冷状态，热量表自动转换为计量制冷量。2）由于空调系统的供回水设计温差和实际温差都很小，因此， （冷）量表的程序采样和计算公式的参数也比单用途热表的区域大。4、按使用功率划分、按使用功率划分1）户用热量表：常用流量 qp2.5m3/h，或口径DN25mm。2）工业用热量表：常用流量 qp500m3/h，或功率115MW。三、热量表的结构三、热量表的结构1、热量表的总体结构、热量表的总体结构热量表有各种各样的款式，不过它们在结构与功能上，都是由三个基本部分组
6、成：流量计、温度传感器和积算器。2、流量计的结构与种类、流量计的结构与种类流量计的主要功能是计量热交换系统的体积流量，并在积算器的控制下，将流量示值转换成电信号向积算器输出。由于大多数热量表采用的是机械式流量计和超声波式流量计，所以这里只详细介绍这两种流量计。1) 机械式（叶轮式）流量计机械式（叶轮式）流量计机械式流量计通过叶轮的机械转动来计量流量，它的外部是铜制的壳体，液体进入壳体后，推动叶轮转动，形成计量。同时，叶轮的转动情况通过不同的传感方式，向积算器输出电子信号。机械式流量计又因为具体的结构差异，可向下细分为如下几种：A)单流束流量计其结构特点是水流进入壳体后，只成一束沿固定的方向从叶
7、轮一侧冲击叶轮并形成叶轮的转动。根据叶轮与齿轮组的传动方式的不同，这样的流量计又分为：a1. 干式单流束流量：叶轮的转动情况经过叶轮上的磁环，通过磁力偶合的方式带动齿轮组来传输流量信号，这种结构特点是计量的液体被隔离在叶轮以下部分，与齿轮组及指针是分开的。a2 湿式单流束流量计：叶轮的转动情况经过叶轮上的齿轮直接带动一套齿轮组来传输流量信号，这种结构的特点是计量液体浸没所有叶轮、齿轮组及指针。B)多流束流量计：它的结构特点是水流进入壳体后，先由叶轮盒将水流分成多束并形成旋转，再均匀地推动叶轮形成转动，而其它方面与单流束流量计相同。多流束流量计也可向下细分为：b1 干式多流束流量计：叶轮的转动情
8、况通过磁环偶合到齿轮组，并由指针向外输出。b2 湿式多流束流量计：叶轮的转动情况通过齿轮直接传动到齿轮组，并由指针向外输出流量信号。C)标准机芯式（电子式）流量计：它的结构特点是壳体中只有叶轮部分，而没有齿轮组。叶轮上有一个特殊的半金属片，叶轮的转动情况是直接向积算器输出而省去了齿轮组部分。根据水流束的不同，电子式流量计也分为多流束和单流束两种。D)沃特曼式流量计：特点是采用特殊的计量元件与腔体，目前只有在大口径热量表中有少量应用。2）超声波流量计超声波流量计：它的结构特点是壳体内无可动部件，计量原理是通过一组超声波探头来测量超声波在水流中的大多采用时差法来计量水的流量。3）不同流量计的应用比
9、较）不同流量计的应用比较普通的多流束流量计虽然有使用寿命长、计量稳定等优点，但它的体积较大，占用的建筑空间多。同时，因为阻力较大和水流在进入腔体前后产生的涡流作用，使系统内的杂质容易存留，发生堵塞。单流束流量计尽管使用寿命稍短，但不易堵塞。流量计的体积也比较小巧，节省安装空间。超声波流量计因其无阻力、无磨损，对系统水质要求不高，因此使用寿命长，但因其价格较高（大约是其它热量表价格的两倍）影响到普及。3、积算器的结构、积算器的结构热量表的积算器一般由低功耗的单片机和 LCD 组成，也可根据需要集成（485 或 MBuS）数据远传通信接口、阀门控制接口、IC 卡读写接口等，其形状因热量表的不同而各
10、异。热量表的温度传感器一般都通过外部壳体直接与积算器相连，而流量传感器则在内部与流量计相连。积算器上常见的器件是单片机、液晶片、按键、通讯接口等。4、温度传感器的结构、温度传感器的结构目前的热量表大多采用铂电阻作为温度传感器，虽然有的用 PT1000、PT500 或 PT100 等不同分度，但它们的外型与结构比较统一，符合 CJ 128-2000 设计制造，在一些辅件上基本上可以相互替换。但由于传感器本身在安装前须进行精确配对，因此，一旦安装到表体上，就不能替换。四、热量表的计量原理与算法四、热量表的计量原理与算法热量表的计量原理是采用焓差法和 K 系数法，前者是计算时间的积分，后者是计算流量
11、的积分。这些公式的推导都是基于下面这样一个简单的热力学基本原理，即：定义 1：1 升纯净的水（比热为 1）温度每变化 1，所吸收或放出的热量是 1000 卡（也就是 1 大卡） 。在热量表的实际应用中，考虑到导热介质水是流动的，并且在不同压力和温度下水的比热也是变化的，所以在具体应用定义 1 时，就形成了两种常用的热量计算方法，它们是：1、K 系数法公式（系数法公式（1）其中：Q吸收或放出的热量K热系数，单位 J/M3（随系统中压力的不同以及进回水的温度不同而变化）V热量表测得的体积流量，单位 M3T热交换系统的进回水温度差，单位热量表中，采用公式（1）计算热量的方法称为 K 系数法。需要注意
12、的是，在同样的压力和进回水温度下，对应于流量计的不同安装位置（指安装在系统的进水端或回水端） ，所应该采用的 K 值是不同的，而且，一般国外的产品默认的安装位置是回水端，而国内的产品默认位置是进水端。2、焓差法、焓差法公式（2）其中：Q吸收或放出的热量，单位 J 或 WH时间，单位 Hqv热量表测得的体积流量，单位 M3/H热介质的密度，单位 KG/M3h热交换系统出水口与入水口温度下水的焓差，单位 J/KG采用公式（2）计算热量的方法称为焓差法。焓差法的特点是，不受安装位置的限制（同一块表安装在进水端或者回水端结果一样） ，K 系数法的计算公式简单，易于掌握，计算精度较高，但数据处理量大，且
13、仅适用于 1.0Mpa 以下的热力系统。焓差法计算公式复杂，不好掌握，但数据处理量小,适用于 1.0Mpa 以上 2.5Mpa 以下的热力系统。由于单片机的存贮空间有限，所以国内开发生产的热量表大多采用焓差法。五、五、 热量表测量的参数热量表测量的参数由热量表的计算公式可以看出，无论是采用 K 系数法还是焓差法的热量表，为得到热量值，最终需要测量并引用如下 4 个参数：流量热交换系统的体积流量，单位：M3进水温度热交换系统的进水温度，单位：回水温度热交换系统的回水温度，单位：压力热交换系统的压力，单位：Mpa在上述参数中，根据设计规范，热力系统的压力一般分为，1.0Mpa 和2.5Mpa 两种
14、。而且，当系统的压力稍有波动时，其本身的变化引起的热计量误差不大，所以，热量表在生产时也分为两种类型：常温表：默认压力1.6Mpa，工作温度为 4-95。高温表：默认压力是2.5Mpa，工作温度为 4-150。这样，热量表在计量热量时需要进行实时测量的参数就只有流量、进水温度和回水温度了。-第二部分第二部分 热量表的核心技术热量表的核心技术一、积算器中的核心技术一、积算器中的核心技术积算器是热量表的电子部分，其核心部件是一个高性能低功耗的单片机。积算器能把流量计和温度传感器测量到的物理信号通过 A/D 转换变成数字信号，并按公式1 或公式 2 进行热量计算，当然，该部分还能实现数据的储存、查阅
15、以及数据交换和传输等功能。虽然目前各热量表生产厂商采用的各种芯片的硬件技术指标都非常高，但是在具体硬件电路设计和相应的软件开发水平上，则是存在鱼龙混杂的局面。其中的技术关键体现在如下几个方面：1、功耗问题功耗问题在积算器的设计中，这是一个最关键的技术问题，同时也是一个最容易被很多人员忽视的问题。目前国内外大多数厂商都是采用 2000mh 的锂电池，这就意味着如果要使热量表工作 5 年以上，那么，其平均电流就应在 40A 以下（考虑到进行温度测量时要毫安级的水平下工作） 。虽然现在的低功耗 CPU 很多，但是实际上的工作电流，却受不同的设计原理的影响，比如，不同的流量信号传感方式和不同的温度采样
16、方式，对积算器的功耗影响是非常大的。2、流量信号的传感方式、流量信号的传感方式流量信号的计量精度是影响热量表整体计量精度的主要因素，也是最难以提高的因素。因为流量精度的提高，不光要有优秀的电子技术人员，也要有更优秀的机械设计人员与之配合。所以流量信号的传感方式的不同，几乎完全代表着一个生产厂商在电子技术与机械设计方面的综合水平。目前，在热量表的流量传感方式上，分别应用着以下几种不同水平的技术原理：1）干簧管法：2003 年以前，几乎所有的国内热量表厂商采用的是这种方法，而且，更有相当一部分厂家，是直接采用自来水表厂的远传热水表作为流量计。它的原理是在普通的水表指针上装上一块小磁铁，然后小磁铁的上方
