活塞式热量表检定系统设计
    【摘要】提出了一种基于活塞式体积管的新型热量表动态检定技术.阐述了热量表检定装置的工作原理,设计了一 种以工控机为控制核心,在 vc++环境下进行数据自动采集及过程控制,实现检定参数实时准确测试的高精度热量表检定系统,从理论上分析了影响热量表热水流量检测系统的不确定度因 素.研究表明,相对于现有的以质量法结合标准表法的热量表检定方法,本方案能有效提高热量表检定效率和精度.随着由粗放型向节约节能型社会发展,能耗计量得到了越来越广泛的应用.集中供热作为城市的基础设施,在节约能源、减少环境污染、改善人民生活质 量等方面的优点早己成为社会共识.自从建设部第76号令《民用建筑节能管理规定》关于供热计量收费颁布实施以来,热量计量成为人们普遍关注的对象.热量表作为实施城市供热体制改革,贸易结算的重点计量器具,国家质检总局将其列为国家强制检定目录,在安装使用前必须进行首次强制检定[1].热量表检定系统的配置合理、技术指标检测完整是量值正确的前提,是热量表推广使用的基础.我国的热量计量起步较晚,热量表的检定技术一直沿用国外的技术方案,缺乏创新点.检定系统也还一直处于不断完善和发展的阶段,相关的检定技术标 准、规范也不够完善.这些都成为计量鉴定机构、热量表生产厂家发展热量计量的瓶颈.因此,提高我国热量表的研究和制造能力,拥有一套具有自主知识产权的热 量表检定系统是必不可少的.1 热量表检定装置的工作原理热量表检定装置主要由三部分组成,即热水流量标准检定装置、配对温度传感器检定装置和计算器标准检定装置[2].其中,热水流量的检定是指以标 准量器测得的体积(质量)与流经热量表流量传感器的体积(质量)进行比较,求得其误差eq.配对温度传感器的检定是通过两个恒温槽模拟出入口温度,以二等 标准铂电阻温度计作为标准与被检热量表温度传感器进行示值比较计算误差.计算器检定是以标准信号发生器和电阻箱提供模拟信号,按理论公式计算出的实际热量 值与被检表计算器显示值进行比较计算误差,最后,整表误差e 按3项误差绝对值的算术和确定[3],即目前,热量表检定手段大同小异,检定装置种类繁多.其中,配对温度传感器和计算器检定与热工仪表或流量积算仪检定在原理上完全一致,不存在新的 技术成分.其检定核心更多意义上是指热水流 量 的 检 定,亦 即 液 体 流 量 标 准 装 置 的检定[4-6].液体流量标准装置按计量器具分类,分为质量法 (称重 法)、标准 表法、容 积法 和 体 积 管法四种.容积法是通过标准容器对流量体积直接进行标定的方法,由于热量表是对热水进行热量计量,温度引起的热胀冷缩对计量结果影响很大,一般不予考虑.质量法是通过天平称量出计量的水质量,按照数据的取值方式又可以分为启停质量法、静态质量法和动态质量法三种[7].其计算公式为:式中:ρ—水 的 密 度;kk—空 气 浮 力 修 正 系 数;kc—称量容器插入流水管修正系数.标准表法是通过标准流量计测量出计量的水的体积,按照数据的取值方式可分为静态读数法和动态读数法[8],其计算公式为:式中:v—标准流量计示值;kt—温度修正系数.现有热量表检定装置大多是以质量法与标准表法相结合实现的,使用过程中采用标准表法来测量,用质量法来校准标准表,作为流量修正系数建立的依据.这种检定方法虽然能够满足热量表一般特征参数的检定要求,但亦存在以下诸多弊端:1)在质量法检定装置中,被检表至换向器处中间管道的温度变化会引起容纳的水体积的变化,换向器的使用也会导致装置管道中流体压力不稳定.同时,采用的机械式密封结构,称量容器中水的蒸发也会直接影响检定结果.2)在标准表法检定装置中,标准表法原则上适用于(50±5)℃温度条件下;当水温为(85±5)℃时,受水温影响测量误差增大,不能满足热量表检定规程jjg225—2001中关于定型鉴定及样机试验的要求.3)对于装置整体来说,现有方法在解决小流量检测时温差变化大这一难题没有很好地被解决,管路温差对小流量测量影响明显.另外,水泵在长期运行中,特别是在小流量检定中,水泵产生的热损耗以及水分子的剧烈运动会导致水温持续升高.4)从生产及维护成本方面看,对于使用天平和标准表两种标准量器,在定期维护的过程中,标定项目繁多,生产及维护成本较高.本文提出的活塞式体积管结构是容积时间法标准装置的一种.活塞式体积管是实现动态计量的重要计量标准量器,当流体在活塞的推动下稳定地从体积管 流经被检热量表时,同步检测热量表的流量示值和活塞位移,由活塞位移换算出的流体体积同热量表的流量示值相比较,以确定热量表流量的示值误差,其工作原 理,如图1.该装置结构的主要优点是:体积小,准确度高(扩展不确定度优于0.03%,k=2),重复性好,流量均匀稳定,标准流量范围宽,自动化水平高, 介质封闭运行.应用在热量表热水流量检测中,可以提供稳定均匀的小流量,检定过程中可以快速切换流量 点,能 有 效 提 高 热 量 表 的 检 定 效 率 及精度[9,10].3 系统设计系统设计以工控机为核心,完成数据采集及处理,控制电机及阀门等硬件设备,实现自动检定并得出检定结果,检定数据入库以备查询.3.1 装置机械结构设计校验台设计采用电机-光栅-活塞式体积管的结构形式,如图2,主要由活塞式体积管、循环热水箱、管路系统、过滤器、电机及控制器、温度压力传感 器、丝杆、光栅、工控机、数据采集系统等部件构成.装置通过步进电机驱动活塞式体积管产生均匀稳定的流量源,活塞式体积管同时也作为容积标准,与光栅配合 构成热水流量测量系统.3.2 装置软件设计控制中心选用研华工控机,在 vc++环境下编写上位机软件,将数据采集、远程控制和网络管理等部分有机地结合在一起,通过界面操作可自动采集流量、温度、压力信号,并依据水的焓值密 度表计算出标准热量值,与被检表的特征参数均保存在sql server数据库中,替代人工的大量计算、分析、检测和控制等功能[11].各功能模块的设 计,如图3.3.3 检定流程1)启动计算机检定程序,自动调整阀门状态.加热循环水箱的水温至预设值,开装置总阀门并启动电机控制活塞缓慢平稳运动,将热水送入试验管道,监测管路系统各点温度直至设定范围,通过视窗观察管路系统中无气泡后,活塞回到初始位置.2)流量检定,如图2,由检定程序自动选定被检流量点,控制打开被检表相应管道阀门及阀门b,关闭阀门a,启动电机正转,体积管左腔中热水随活 塞位移流经被检热量表并流入热水箱.当电机转速稳定时,软件校准程序控制开始采集被检热量表信号,同时记录活塞初始位移,并开始计时.当流经热量表流量计 的流量达到预设值时,再次记录活塞的位移,同时停止计时,记录测量时间,活塞两点位移之差乘以活塞的面积,得到流经热量表的热水流量,除以测量时间,得到 流经热量表的标准流量.热量表显示的流量与标准流量相比较实现对流量的校准.检定数据获取后,打开阀门a、b,关闭被检表相应管道阀门,启动电机反转,体 积管活塞退回到起始位置.3)在检定流量的同时,根据检定规程要求,由检定校准程序控制恒温槽、标准流量信号源、电阻箱等装置完成配对温度传感器和计算器的检定.检定结束后,相关特征参数均保存在数据库中.整个检定过程都由计算机进行控制,实现全自动化.4 热水流量检定不确定度因素分析不确定度是一种比较科学合理的表述设备测量准确程度的方法,为确保热水流量测量的准确度,在设计过程中对技术指标的要求比较严格,因此,不确定 度的评估成为设计的重要一环.配对温度传感器和计算器的检定仍沿用现有的检定技术,以下将对热水流量检测系统误差来源的不确定度进行分[12-14].组 建 数 学 模 型,标 准 流 量 理 论 计 算 公 式为[15]:式中:vn为体积流量,m3/s;v 为热水体积,m3;t为时间,s;dr为活塞直径,m;βs为缸体膨胀系数,℃-1;ts为缸体温度,℃;d 为缸体直径,m;e为缸体材料弹性模量,pa;e为缸体壁厚,m;ps为缸内流体压力,pa;lr为光栅在环境温度下的读数值;βl为光栅膨胀系数,℃- 1;tl为光栅处环境温度,℃;α为泄露因子.由以上公式可知,标准流量不确定度与 dr,lr,ft1,ft2,fp,α,t这7个独立分量相关.1)活塞直径dr不确定度体积管的加工精度决定了活塞直径及截面积的误差,体积管设计直径为500mm,公差等级为it5以上,加工允许误差±0.05mm,由均匀分布(k=),b 类相对标准不确定度为:2)光栅值lr的不确定度光栅测量活塞位移,取测量误差为±20μm/m,按均匀分布(k=),b 类相对标准不确定度为:3)介质温度修正因子ft1不确定度由公式(5)知,根据热量表检定规程要求,载热液体温度稳定在(50±5)℃,取热水温度50℃,50℃时缸体线膨胀系数为 16.5×10-6/℃,则截面膨胀系数为2倍,那么βs·(ts-20)远小于1,则ft1相对标准不确定度:u(ft1)=u(ts)·βs.如果温 度测量的不确定度为 0.4 ℃,按均匀分布(k=),则b 类相对标准不确定度为:4)光栅处环境温度修正因子ft2不确定度设光栅膨胀系数为8×10-6℃-1,类似于以上介质温度修正因子不确定度的分析过程,其b类相对标准不确定度为:5)介质压力修正因子fp不确定度由公式(7)知,取缸体材料的弹性模量为2×1011pa,设缸内流体压力为5×105pa,装置设计保证远小于1,所以其b 类相对标准不确定度,压力传感器为0.5级,测量不确定度为5×104pa,若不考虑材料弹性模量不确定度,缸体壁厚6)泄露因子α不确定度设缸内流体压力为5×105pa,根据活塞式体积管检定规程jjg209—2010,由于活塞的密封性而使得缸体内由工作段流向非工作段的液体 体积不应大于体积管容积的0.006%(即1m3体积最大泄露量为60ml).装置加工过程中严格控制缸体的密封性,这里泄露允许值按0.006%计算, 按均匀分布(k=),b 类相对标准不确定度为:7)测量时间t不确定度数据i/o 采集模块进行时间测量时的允许误差为±100时钟周期(包含同步产生的误差),时钟基频为1mhz,单次测量的最短时间为5s,按均匀分布(k=),则b类相对标准不确定度为:由以上7项影响热水流量测量不确定度的分量可知,热水流量的相对合成标准不确定度计算公式为:在现有的采用质量法与标准表法相结合的热量表检定装置中,质量法装置扩展不确定度大多仅能保证达到0.05%(k=2),标准表法装置扩展不确 定度保证达到0.2%(k=2).由此可见,采用基于活塞式体积管的检定方法将大大提高以热水流量检定为检定核心的热量表检定精度,进而将有效地提高热量 表的整体检定精度.5 结 语本文提出了一种基于活塞式体积管的热量表自动检定系统设计方案,研究了活塞式体积管结构在热量表动态检定技术中应用的可行性.由于活塞式体积管结构具有体积小、精度高、成本低、自动化程度高,便于操作等诸多优点,在气液流量标准装置中得到了广泛应用,现推广应用于热量表检定系统中,将有效提高系统的检定效率及精度,对国内热量表检定技术的发展和热量计量改革具有现实意义.【参 考 文献】[1] 王 池.热能表检测中对热水流量装置的要求[j].现代测量与实验室管理,2005(6):14-16.[2] 国家质量技术监督局.jj225—2001热能表检定规程[s].北京:中国计量出版社,2001.[3] 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    收录时间:2014年12月18日 11:08:26 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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