超聲波熱量表
超聲波熱量表是在超聲波流量計基礎(chǔ)上加配一對溫度變送器而實現(xiàn)熱量計量功能的。可循環(huán)顯示正、負、凈累積熱量與累積流量和瞬時熱量與流量計及時間、溫度等值。超聲波熱量表廣泛應(yīng)用于供熱管網(wǎng)的在線計量。主機分為壁掛標準型、壁掛防爆型、盤裝型和本地顯示型，傳感器分為外縛式、插入式、管段式等。超聲波熱量表分管道式超聲波熱量表和插入式超聲波熱量表。
●熱量計算公式：熱量=流量×(A11溫度下的水的熱焓值-A12度下的水的熱焓值)
式中：Ｑ為釋放熱量，kj或kW·hqm為質(zhì)量流量kg/s;
h為進出口焓差，kj/kg; k為熱交換系數(shù)，kW·h/m³·℃; t 為時間，s；
為進出口溫差，℃；qv為累積流量，m³
目前，國產(chǎn)熱量表的熱量計量方法基本可以分為以下幾種：
①直接焓差法
式中：Ｃpf，Cpr為入口與出口的定壓比熱容；qv，qm為瞬時體積流量、瞬時質(zhì)量流量pf、pr 為入口與出口溫度下的載熱流體密度；θf、θr為入口與出口的溫度．
該公式計算簡單，只要根據(jù)實測溫度θf、θr查表得Ｃpf，Cpr，pf，pr等４個常數(shù)，代入式（３）即可［２］．顯然，溫度測量精度越高，數(shù)據(jù)表所占的存儲空間越大．并且，對于實測溫度，需要采用線性插值等近似計算技術(shù)，通過搜索與其距離*近的點計算相應(yīng)的焓值，從而得出瞬時熱量．但這一方法會帶來人為誤差。
●熱量計算公式：熱量=流量×(A11溫度下的水的熱焓值-A12度下的水的熱焓值)
●標準熱焓值表已存于熱量計中
●超聲波流量計介紹詳見固定式超聲波流量計
超聲波熱量表熱量計量原理
超聲波熱量表一般應(yīng)具備以下技術(shù)要求:
① 總體精度達到OIML一R75規(guī)定的4級標準;
② 流量計部分的精度，誤差＜3%;
③ 溫度傳感器采用鉑電阻測溫元件，符合IEC一751標準并配對，當(dāng)供回水的溫度差在6℃以內(nèi)時，測量誤差＜0．1℃;
④ 熱量表具備熱焰和質(zhì)量密度修證的功能，誤差小于0．5%;
⑤微功耗的設(shè)計，內(nèi)藏電池可以連續(xù)工作5年。
現(xiàn)在中國市場上的國外熱量表技術(shù)成熟，標準化程度高，但是價格昂貴。我國對熱量表的需求量大，研制開發(fā)低成本、符合標準的熱量表是大勢所趨。本文以熱量表熱量計量原理為基礎(chǔ)，介紹了幾種常用的熱量計量方法，分析比較了各自的優(yōu)缺點，詳細討論了具有k系 數(shù)補償功能的熱量計量方法，該方法實現(xiàn)了k系數(shù)的溫度和壓力在線補償，因而具有較高的精度。
超聲波熱量表熱量計量原理
熱量表是一種適用于測量在熱交換環(huán)路中，載熱液體所吸收或轉(zhuǎn)換熱能的儀器，熱量表用法定的計量單位顯示熱量 {1}熱量表又稱熱能表、熱能積算儀，既能測量供熱系統(tǒng)的供熱量又能測量供冷系統(tǒng)的吸熱量。
將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計安裝在流體入口或回流管上(流量計安裝的位置不同，*終的測量結(jié)果也不同)，流量計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，一對溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號，熱量表采集來自三路傳感器的信號，利用積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。熱量表系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
圖l熱量表熱量計量系統(tǒng)原理圖
傳熱量一般由載熱流體的質(zhì)量、比熱容和溫度變化等因素決定。對熱量表來說，進出口的焓值還與時間成比例。國內(nèi)熱量表一般采用焓差法計算熱量。焓差法的傳熱公式為
Q=
也可以表示為 Q=
Q=
也可以表示為 Q=式中：Ｑ為釋放熱量，kj或kW·hqm為質(zhì)量流量kg/s;
h為進出口焓差，kj/kg; k為熱交換系數(shù)，kW·h/m³·℃; t 為時間，s； 為進出口溫差，℃；qv為累積流量，m³目前，國產(chǎn)熱量表的熱量計量方法基本可以分為以下幾種：
①直接焓差法
式中：Ｃpf，Cpr為入口與出口的定壓比熱容；qv，qm為瞬時體積流量、瞬時質(zhì)量流量pf、pr 為入口與出口溫度下的載熱流體密度；θf、θr為入口與出口的溫度．
該公式計算簡單，只要根據(jù)實測溫度θf、θr查表得Ｃpf，Cpr，pf，pr等４個常數(shù)，代入式（３）即可［２］．顯然，溫度測量精度越高，數(shù)據(jù)表所占的存儲空間越大．并且，對于實測溫度，需要采用線性插值等近似計算技術(shù)，通過搜索與其距離*近的點計算相應(yīng)的焓值，從而得出瞬時熱量．但這一方法會帶來人為誤差。
②常系數(shù)焓差法
式中：Ｃp為定壓比熱宿容，Cp為常數(shù)，使得程序的計算量減少，計算速度大大加快．但是由于流體的密度p進行溫度修正．同時由于不能對Cp進行在線溫度補償，該方法的溫度適應(yīng)性較差，不適宜于作為戶用型熱表的熱量計算方法．
③分段式k系數(shù)法
θr<θ1，k=k1；θ1<θr<θ2，k=k2；θr>θ2，k=k3
該方法將熱交換系數(shù)量化為三個分段常數(shù)，在一定程度上對其進行了溫度修正．式中三個關(guān)鍵常數(shù)憑經(jīng)驗來確定，而且溫度區(qū)間劃分較粗，溫度適應(yīng)性依然較差．因此，分段式k系數(shù)法僅適用于對熱量計量的精度要求不高，溫度變化也較小的情況．
以上無論是焓差法抑或分段式k系數(shù)法都可以達到一定的精度，但是其計量方法和計量精度均達不到OIML－Ｒ75規(guī)程和EN1434歐洲標準等標準的規(guī)定。
或
式中：q(θi)/qc1=(
i)/qc1=(
/
)ui;i=r or fo
比自由焓
（u，
）的函數(shù)關(guān)系式如下：
其中，
均為常系數(shù)，取值參見文獻[5]。根據(jù)吉布斯函數(shù)[見式（11）]，以及（9）和式（10）即可得到不同溫度、壓力下的熱系數(shù)。例如，已知壓力為1標準大氣壓，入口溫度70℃、出口溫度65℃，流量計安裝在回水管時對應(yīng)的熱系數(shù)，具體計算如下：
比溫度 u=
=
=0.5224；
比壓力
=
=
=0. 00458
式中：Ｃp為定壓比熱宿容，Cp為常數(shù)，使得程序的計算量減少，計算速度大大加快．但是由于流體的密度p進行溫度修正．同時由于不能對Cp進行在線溫度補償，該方法的溫度適應(yīng)性較差，不適宜于作為戶用型熱表的熱量計算方法．
③分段式k系數(shù)法
式中：k是熱交換系數(shù)，當(dāng)壓力一定時，它隨溫度而變化，將其按回水溫度進行分類［４］：
θr<θ1，k=k1；θ1<θr<θ2，k=k2；θr>θ2，k=k3
該方法將熱交換系數(shù)量化為三個分段常數(shù)，在一定程度上對其進行了溫度修正．式中三個關(guān)鍵常數(shù)憑經(jīng)驗來確定，而且溫度區(qū)間劃分較粗，溫度適應(yīng)性依然較差．因此，分段式k系數(shù)法僅適用于對熱量計量的精度要求不高，溫度變化也較小的情況．
以上無論是焓差法抑或分段式k系數(shù)法都可以達到一定的精度，但是其計量方法和計量精度均達不到OIML－Ｒ75規(guī)程和EN1434歐洲標準等標準的規(guī)定。
④k系數(shù)償法
k系數(shù)補償法實現(xiàn)了熱指數(shù)的在線溫度和壓力補償，大幅度提高了熱量計量的精度。OIML－R75規(guī)程和EN1434歐洲標準都對熱系數(shù)k如何計算有明確的說明[1]。
在載熱介質(zhì)一定的熱交換回路中，熱系數(shù)是壓力、溫度的函數(shù)，可以按下式計算：
式中：q(θi)為入口溫度或出口溫度下載熱流體的流量：θf，θr為入口溫度，出口溫度；Cp(θ)為簡化計算，引入如下參數(shù)：
式中：q(θi)為入口溫度或出口溫度下載熱流體的流量：θf，θr為入口溫度，出口溫度；Cp(θ)為簡化計算，引入如下參數(shù)：
式中：u=θ/θc1，為比溫度；
=p/pc1，為比壓力；（u，）為比自由焓，即吉布斯函數(shù)（Gibbs function）；θc1=647. 3K，pc1=J/m3，表示載熱介質(zhì)為水時選取的參考溫度、參考壓力、參考容積[5]。由式（6）、式（7），并引入相應(yīng)的比參數(shù)，熱系數(shù)為
或
式中：q(θi)/qc1=(
i)/qc1=(/)ui;i=r or fo 比自由焓
（u，）的函數(shù)關(guān)系式如下：其中，
均為常系數(shù)，取值參見文獻[5]。根據(jù)吉布斯函數(shù)[見式（11）]，以及（9）和式（10）即可得到不同溫度、壓力下的熱系數(shù)。例如，已知壓力為1標準大氣壓，入口溫度70℃、出口溫度65℃，流量計安裝在回水管時對應(yīng)的熱系數(shù)，具體計算如下： 比溫度 u=
==0.5224；比壓力
===0. 00458代入以上公式解得
k=1. 141117kW · h · (m3 ·℃)－1
圖2給出了在流量計安裝在回水管，壓力為0.6MPa，溫差為10～40℃時，熱系數(shù)與入水溫度的關(guān)系曲線。由圖2可以看出，在工作壓力和溫差保持不變的情況下，入口溫度越高，熱系數(shù)越低；入口溫度保持不變時，溫差越大，熱系數(shù)越大。
圖3a表示流量計安裝在回水管，進口溫度保持50℃、溫差在10～40℃時，熱系數(shù)與壓力關(guān)系曲線；圖3b為流量計安裝在回水管，進出口溫差保持10℃，進口溫度在60～90℃變化情況。由圖3可以看出，壓力在允許范圍內(nèi)的變化對熱系數(shù)的影響不大，當(dāng)溫度或溫差一定時，熱系數(shù)隨壓力基本保持不變[6]。因為熱量表的實際工作環(huán)境近似于定壓狀態(tài)，所以可以認為吉布斯函數(shù)近似是溫度（入水與回水溫度）的函數(shù)。溫度和流量分別通過溫度傳感器和流量傳感器來測量。
Rt=R0(1+aθ+bθ2)
式中：a=3. 96847×10－3/℃；b=－5. 847×10－7/℃2。顯然，由鉑電阻的阻值很難直接求解出溫度值，可以使用表格法線性插值法進行溫度的標度變換。即將測得的電阻值與表格內(nèi)電阻值進行比較，直到Rn<；R<；Rn+1時停止比較。此時，Rn所對應(yīng)的溫度值θn為所測溫度的整數(shù)部分，而溫度的小數(shù)部分：
Δθ=θ-θn==(R－Rn)/(Rn+1－Rn)
0℃<Δθ<<1℃
圖2給出了在流量計安裝在回水管，壓力為0.6MPa，溫差為10～40℃時，熱系數(shù)與入水溫度的關(guān)系曲線。由圖2可以看出，在工作壓力和溫差保持不變的情況下，入口溫度越高，熱系數(shù)越低；入口溫度保持不變時，溫差越大，熱系數(shù)越大。
圖3a表示流量計安裝在回水管，進口溫度保持50℃、溫差在10～40℃時，熱系數(shù)與壓力關(guān)系曲線；圖3b為流量計安裝在回水管，進出口溫差保持10℃，進口溫度在60～90℃變化情況。由圖3可以看出，壓力在允許范圍內(nèi)的變化對熱系數(shù)的影響不大，當(dāng)溫度或溫差一定時，熱系數(shù)隨壓力基本保持不變[6]。因為熱量表的實際工作環(huán)境近似于定壓狀態(tài)，所以可以認為吉布斯函數(shù)近似是溫度（入水與回水溫度）的函數(shù)。溫度和流量分別通過溫度傳感器和流量傳感器來測量。
圖3 熱系數(shù)隨壓力的變化曲線
2 傳感器
2．1溫度傳感器
溫度敏感元件采用鉑電阻Pt500或Pt1000，在0～630.75℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為
Rt=R0(1+aθ+bθ2)
式中：a=3. 96847×10－3/℃；b=－5. 847×10－7/℃2。顯然，由鉑電阻的阻值很難直接求解出溫度值，可以使用表格法線性插值法進行溫度的標度變換。即將測得的電阻值與表格內(nèi)電阻值進行比較，直到Rn<；R<；Rn+1時停止比較。此時，Rn所對應(yīng)的溫度值θn為所測溫度的整數(shù)部分，而溫度的小數(shù)部分：
Δθ=θ-θn==(R－Rn)/(Rn+1－Rn)
0℃<Δθ<<1℃
2．2流量傳感器
流量傳感器可以選用渦輪流量計。渦輪流量計精度高，一般可達到指示值的0.2%～0.5%，而且在線性流量范圍內(nèi)，即使流量變化也不會降低累積精度。來自流量計的脈沖信號經(jīng)脈沖整形電路后成為具有一定幅度的矩形波信號，然后接入微控制器的I/O口，并進行計數(shù)。首先標定出流量計的儀表常數(shù)K。若脈沖數(shù)為n，則流量為
q=
當(dāng)渦輪流量計使用時的溫度和校驗時溫度懸殊時，要將常溫下校驗的儀表常數(shù)加以修正，其具體的修正公式為：q=
式中：K，K0為使用溫度、校驗溫度下的儀表常數(shù)；
為渦輪材料、機殼材料的溫度膨脹系數(shù)；θ0，θi為流量計校驗、使用時的流體溫度（i=r or f）。
流量計安裝的位置（入口或出口）決定了θi是入口溫度θf還是出口溫度θr。
| 項 目 | 性 能 參 數(shù) | |||||
| 主 機 | 原 理 | 時差型，采用低電壓多脈沖發(fā)射電路，雙平衡信號差分接收電路 | ||||
| 精 度 | 流量：優(yōu)于±1% 熱量：優(yōu)于±2% | 重復(fù)性：0.2% | 測量周期：500ms | |||
| 背光液晶可同時顯示瞬時流量及累積流量、瞬時熱量和累積熱量、流速、時間等數(shù)據(jù) | ||||||
| 信號輸出 | 電流輸出：4-20mA或0-20mA，阻抗0.1k，精度0.1% | |||||
| OCT輸出：正、負、凈流量或熱量脈沖信號 | ||||||
| 繼電器：可輸出近20種源信號（如無信號，反向流等） | ||||||
| 聲音報警：蜂鳴器可根據(jù)設(shè)置發(fā)出報警聲音（如流量過大、過?。?/td> | ||||||
| 信號輸入 | 可輸入三路電流信號（如：溫度、壓力、液位等信號） | |||||
| 可連接三線制PT-100鉑電阻，實現(xiàn)熱量測量 | ||||||
| 自動記憶前512日、128月、年的流量或熱量數(shù)據(jù) | ||||||
| 自動記憶前32次來電和斷電時間和流量，可進行人工或自動補量 | ||||||
| 自動記憶前512日流量計的工作狀態(tài)是否正常 | ||||||
| 數(shù)據(jù)接口 RS485 | ||||||
| 可編程定量（批量）控制器。 | ||||||
| 專用電纜 | 定制雙絞線，一般情況下限于20米，特定場合單根可加長至500米，不推薦； | |||||
| 選用RS485通訊，傳輸距離可達千米以上 | ||||||
| 管道情況 | 管 材 | 鋼、不銹鋼、鑄鐵、PVC、銅、鋁、水泥管等質(zhì)密的管道，允許有襯里。 | ||||
| 管內(nèi)徑 | 15～6000mm | |||||
| 直管段 | 傳感器安裝點*滿足：上游10D，下游5D，距泵出口30D（D指管徑） | |||||
| 測量介質(zhì) | 種 類 | 水、海水、工業(yè)污水、酸堿液、酒精、啤酒、各種油類等能傳導(dǎo)超聲波的單一均勻的液體。 | ||||
| 溫 度 | 標準傳感器：溫度-30℃～90℃ 高溫傳感器：-30℃～160℃ | |||||
| 濁 度 | 濁度≤10000 ppm, 且氣泡含量小。 | |||||
| 流 速 | 0～±30m/s | |||||
| 流 向 | 正、反向雙向計量，并可以計量凈流量或熱量 | |||||
| 工作環(huán)境 | 溫 度 | 主機：-30℃～80℃ | ||||
| 流量傳感器：-40℃～160℃ 溫度傳感器：根據(jù)客戶需求選定 | ||||||
| 濕 度 | 主機：85%RH | |||||
| 流量傳感器：可浸水工作，水深≤3 米 | ||||||
| 電 源 | AC220V、3.6V鋰電池、DC8～36V | |||||
| 功 耗 | 小于1.5W | 通信協(xié)議 | MODBUS協(xié)議、MBUS協(xié)議、FUJI擴展協(xié)議、簡易水表協(xié)議，兼容其它廠家協(xié)議 | |||
