趙建亮，杜偉鵬，詹必亮

(1.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江杭州310013;2.寧波百立康智能儀表有限公司，浙江寧波315322)

0 引言

熱量表是一種通過流量和溫度參數(shù)復(fù)合測(cè)量來間接測(cè)量熱交換回路釋放或吸收熱量的計(jì)量?jī)x表。國內(nèi)絕大多數(shù)的熱量表為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，沒有考慮適合計(jì)量檢測(cè)的脈沖信號(hào)輸出，因此無論是流量還是熱量，為滿足被測(cè)儀表和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)，只有采用啟停法。然而對(duì)于公稱口徑大于50 mm，以及流量大于30 m3/h的被測(cè)儀表來說，啟停法存在諸多弊端:①啟停效應(yīng)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來很大的不確定影響;②閥門啟閉導(dǎo)致的水錘效應(yīng)會(huì)帶來危險(xiǎn)，尤其是熱水條件下危險(xiǎn)因素會(huì)更大;③延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間不僅導(dǎo)致效率降低，成本增加，也會(huì)導(dǎo)致熱水狀態(tài)發(fā)生顯著變化而使測(cè)量結(jié)果更具不確定性。

對(duì)于大口徑的被測(cè)儀表來說，穩(wěn)定流動(dòng)下的換流法是常用的檢測(cè)方法。對(duì)于沒有脈沖輸出的熱量表，采用這種方法還需要解決以下問題:①如何采集被測(cè)儀表的讀數(shù);②被測(cè)儀表與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器是否需要同步;③是否有利于效率的提高;④能否保證足夠的測(cè)量可信度。

1 低功耗熱量表累積流量和熱量的積算模型

熱量表的累積流量公式原型見式(1)。

式中:QV為體積流量，m3;q(t)為瞬時(shí)流量，m3/h;t為時(shí)間，s。

在工程測(cè)量實(shí)際應(yīng)用中，通常認(rèn)為流量是一個(gè)緩變量。為了降低熱量表的功耗，采用間歇采樣的方式來獲得當(dāng)前時(shí)刻的流量值，并以此來代表當(dāng)前采樣時(shí)刻到下一采樣時(shí)刻期間的流量值，則累積流量積算的數(shù)學(xué)模型由式(1)轉(zhuǎn)換為式(2)。

式中:QV(t)為在時(shí)刻t熱量表記錄的體積流量，m3;QV(t-Δt)為在時(shí)刻t-Δt熱量表已經(jīng)記錄的體積流量，m3;Δt為間歇采樣的時(shí)間間隔，s。

同樣，對(duì)于熱量，公式原型見式(3)。

式中:Qh為熱量，kW·h;ρ(t)為在時(shí)刻t熱量表處的密度，kg/m3;Δh(t)為在時(shí)刻t熱交換回路中入口溫度與出口溫度對(duì)應(yīng)的載熱液體的比焓值差，kJ/kg。

因間歇采樣，熱量積算的數(shù)學(xué)模型由式(3)轉(zhuǎn)換為式(4)。

式中:Qh(t)為在時(shí)刻t熱量表記錄的熱量，kW·h;Qh(t-Δt)為在時(shí)刻t-Δt熱量表已經(jīng)記錄的熱量，kW·h。

由式(2)和(4)可知，在某一特定時(shí)刻t，分別有與其相對(duì)應(yīng)的累積流量QV(t)和熱量Qh(t)二個(gè)量，即這是一組同時(shí)變化的三個(gè)量，見圖1。

圖1 QV(t)，QN(t)與光的關(guān)系

熱量表的微處理器在數(shù)據(jù)處理過程中，把這三個(gè)量作為一組對(duì)應(yīng)量，同時(shí)儲(chǔ)存于存儲(chǔ)器中。這樣的數(shù)據(jù)處理方法是至關(guān)重要的，為通過通訊方式與外部計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)非同步計(jì)量檢測(cè)做好基礎(chǔ)。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置提供標(biāo)準(zhǔn)流量和熱量的過程

以穩(wěn)定流動(dòng)下的換流法為例來闡述計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供標(biāo)準(zhǔn)流量和熱量的過程，可以用圖2來表示測(cè)量過程。

圖2 測(cè)量過程

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置包括流量測(cè)量系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)控制全部測(cè)量過程，過程描述如下。

當(dāng)控制系統(tǒng)向計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)出檢測(cè)開始的指令，流量換向機(jī)構(gòu)接收到換向指令，在外力推動(dòng)下將流量切換到計(jì)量容器。當(dāng)換向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至行程中點(diǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生計(jì)量開始脈沖信號(hào)，表示標(biāo)準(zhǔn)裝置開始處于計(jì)量狀態(tài);直至可以預(yù)期的時(shí)間后，控制系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束檢測(cè)指令，換向機(jī)構(gòu)再次接收到換向指令，在外力推動(dòng)下，流量切換出計(jì)量容器。同樣，當(dāng)換向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到行程中點(diǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生計(jì)量結(jié)束脈沖信號(hào)，表示標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)束了計(jì)量狀態(tài)。

控制系統(tǒng)在接收到計(jì)量開始脈沖信號(hào)后，立即響應(yīng)，開始計(jì)時(shí)，直至再次接收到計(jì)量結(jié)束脈沖信號(hào)，停止計(jì)時(shí)，該時(shí)間段在圖2中表示為標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí)間ts。計(jì)量容器會(huì)記錄換向器自換入至換出期間流過被測(cè)儀表的流體量，以質(zhì)量流量表示，即圖2中Ms。

控制系統(tǒng)在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)累積流量的同時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)采集恒溫槽模擬的熱交換系統(tǒng)入口處和出口處溫度，查表得到載熱液體的比焓值差Δhs，則在ts時(shí)間里表示熱交換系統(tǒng)釋放的標(biāo)準(zhǔn)熱量為

3 通訊模式下非同步計(jì)量檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)

在同步計(jì)量方法下，控制系統(tǒng)接收到計(jì)量開始脈沖信號(hào)時(shí)，不僅計(jì)時(shí)，而且接收被測(cè)儀表的脈沖信號(hào)，開始計(jì)數(shù)，直到接收到計(jì)量結(jié)束脈沖信號(hào)，停止計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)。

在通訊模式下，控制系統(tǒng)通過通訊鏈路向被測(cè)儀表發(fā)出檢測(cè)開始指令，被測(cè)儀表接收到指令，然后按指令傳送數(shù)據(jù)，這個(gè)過程往往會(huì)有不同程度的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間從幾十毫秒到幾秒不等，且不可預(yù)計(jì)，在有限的檢測(cè)總時(shí)間里延時(shí)還未達(dá)到可接受的同步程度。

熱量表內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)，按程序預(yù)定時(shí)間完成累積流量和熱量的計(jì)算，并連同時(shí)間參數(shù)一起將這組數(shù)據(jù)存入內(nèi)部存儲(chǔ)器，這一過程非?？欤蟾胖挥袔孜⒚氲綆资⒚氲臅r(shí)間，與幾十秒的總檢測(cè)時(shí)間相比就可以忽略不計(jì)。

檢測(cè)開始后，熱量表將存儲(chǔ)器中已記錄的當(dāng)前的一組累積流量、熱量和時(shí)間數(shù)據(jù)通過通訊鏈路上傳到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)。同樣，當(dāng)熱量表接收到檢測(cè)結(jié)束指令后，又將一組已更新的累積流量、熱量和時(shí)間數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)。

現(xiàn)定義檢測(cè)開始時(shí)的這一組數(shù)據(jù)分別為初始時(shí)間t1，初始累積流量QV1，初始熱量Qh1，檢測(cè)結(jié)束時(shí)的一組數(shù)據(jù)分別為終止時(shí)間t2，終止累積流量QV2，終止熱量Qh2。標(biāo)準(zhǔn)裝置在ts時(shí)間內(nèi)記錄的累積質(zhì)量流量為Ms，熱量為Qhs。由于t2-t1通常不等于ts，這樣的檢測(cè)過程是不滿足同步計(jì)量的原則，故稱之為非同步。

需要進(jìn)一步說明的是，檢測(cè)是在近似穩(wěn)定條件下進(jìn)行的。雖然得不到完全理想的穩(wěn)定條件，但當(dāng)t2-t1與ts大致相當(dāng)時(shí)，則近似穩(wěn)定條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

現(xiàn)將流量的誤差表示為E1，熱量的誤差表示為E2，因t2-t1與ts不相等，故須歸一化處理，換算成單位時(shí)間的量，再進(jìn)行誤差計(jì)算。

流量誤差計(jì)算公式的簡(jiǎn)化式為

熱量誤差計(jì)算公式的簡(jiǎn)化式為

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證非同步計(jì)量檢測(cè)方法的有效性，按上述要求設(shè)計(jì)了熱量表的軟件，并設(shè)計(jì)了一套DN80～DN200質(zhì)量法熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，配備恒溫槽和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，具備流量和熱量檢測(cè)功能，能夠按式(7)和式(9)分別計(jì)算流量誤差和熱量誤差。

實(shí)驗(yàn)裝置完成后對(duì)DN80～DN200的各種規(guī)格熱量表進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)摘錄一臺(tái)DN150超聲波熱量表的流量和熱量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例來說明。流量、熱量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2。

表1 DN150熱量表流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 DN150熱量表熱量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)表明，在通訊模式下的非同步計(jì)量檢測(cè)方法是完全可行且有效的。

在穩(wěn)定流動(dòng)條件下，熱量表處于較理想的工作狀態(tài)，外來干擾少，表現(xiàn)的是固有特性，提高了測(cè)量結(jié)果的可信度。

與啟停法相比，穩(wěn)定流動(dòng)下的換流也提高了檢測(cè)效率。以本試驗(yàn)為例，間歇采樣的時(shí)間間隔Δt為1 s，若采用啟停法，則啟與停至少存在2s的狀態(tài)不確定性。為使2 s內(nèi)所引入的誤差可以忽略不計(jì)，則與總檢測(cè)時(shí)間之比應(yīng)小于被測(cè)儀表最大允許誤差絕對(duì)值的1/3。對(duì)于2級(jí)熱量表，流量的最大允許誤差為±2%，則總檢測(cè)時(shí)間至少應(yīng)為300 s，而本試驗(yàn)中最長(zhǎng)時(shí)間約為135 s，最短時(shí)間約為90 s，二者相比效率提高明顯。

為進(jìn)一步與啟停法進(jìn)行比較，在裝置的DN80管道基礎(chǔ)上，加裝DN50直管段，并用一臺(tái)DN50超聲波熱量表作為比對(duì)樣品，在過載流量qs=30m3/h點(diǎn)，分別在另一臺(tái)啟停法裝置和本裝置上進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果見表3。

表3 DN50熱量表流量比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

比對(duì)結(jié)果表明，二者的數(shù)據(jù)有差異，但仍在可接受的范圍。這種差異可能一部分來源于裝置之間的系統(tǒng)差，一部分來源于方法之間的差異，還可能與低功耗儀表間歇采樣的工作特性有關(guān)。間歇采樣的儀表，在啟停法的啟動(dòng)與停止兩個(gè)流量變化區(qū)域，有較大的概率處于測(cè)不準(zhǔn)狀態(tài)，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來很大影響，這種影響還需要進(jìn)一步分析研究。

5 改善測(cè)量結(jié)果不確定度的關(guān)注點(diǎn)

測(cè)量數(shù)學(xué)模型的每一個(gè)參數(shù)都對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度產(chǎn)生影響，常規(guī)參數(shù)的影響及其分析方法已見諸于各類文獻(xiàn)，故不再贅述，本文主要關(guān)注熱量表自身對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響。

由于被測(cè)儀表和標(biāo)準(zhǔn)裝置各自獨(dú)立測(cè)量時(shí)間，有可能存在系統(tǒng)偏差。標(biāo)準(zhǔn)裝置的時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)能夠得到很好的校準(zhǔn)，其測(cè)量結(jié)果足以得到保證。熱量表的時(shí)間測(cè)量取決于其所采用的晶振和電路設(shè)計(jì)。熱量表所采用的晶振有必要經(jīng)過嚴(yán)格的選型和晶振頻率標(biāo)定，如果晶振頻率存在較大的偏差，則還有必要通過軟件進(jìn)行修正，以使時(shí)間測(cè)量足夠精確?，F(xiàn)有條件下，通過選擇合適的晶振和良好的電路設(shè)計(jì)，完全能夠使時(shí)間測(cè)量誤差優(yōu)于10-4，則由此引入的測(cè)量不確定度可以忽略不計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)是否合理對(duì)決定通訊模式下非同步計(jì)量檢測(cè)方法能否成功應(yīng)用起到至關(guān)重要的影響。熱量表的微處理芯片在低功耗條件下運(yùn)行速度會(huì)受到制約，為得到時(shí)刻t、累積流量QV(t)和熱量Qh(t)盡可能理想的對(duì)應(yīng)關(guān)系，軟件設(shè)計(jì)要求高效、流暢，要妥善處理各種指令的優(yōu)先順序。

6 結(jié)束語

采用通訊模式對(duì)熱量表進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)，是儀表智能化和物聯(lián)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文以熱量表為應(yīng)用示例，提出方法模型，并經(jīng)過必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分析表明，此方法也同樣適用于其它各種電子類流量計(jì)?？梢灶A(yù)期，未來隨著微處理芯片和物聯(lián)專用芯片技術(shù)的發(fā)展，基于通訊模式的計(jì)量檢測(cè)方法將得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。

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