高明  卜占成  劉辰魁  宋榮榮

本文為第一屆《中國計量》中青年優(yōu)秀科技論文獎二等獎獲獎文章之一

　　根據JJG225-2001《熱能表》檢定規(guī)程的規(guī)定，對熱能表的檢定方法主要有3種:總量檢定法、分量檢定法和分量組合檢定法。熱能表的檢定條件:通過恒溫槽調節(jié)溫差溫度來模擬溫場條件，將控溫水箱加熱至(50±5)℃，模擬流量測量條件，不同流量點下對熱能表進行計量檢定。流量傳感器的檢定以電子天平稱量換算的體積(或標準表測量體積)與流經熱能表流量傳感器的體積進行比較，求出流量傳感器的誤差。配對溫度傳感器以二等標準鉑電阻溫度計作為標準與被檢熱能表溫度傳感器進行示值比較計算誤差。計算器的檢定以標準信號發(fā)生器和電阻箱作為模擬信號，按理論公式計算出的實際熱量值與被檢表計算器顯示值進行比較計算誤差，最后，按3項誤差絕對值的算術和確定。

　　現行熱能表檢定裝置在不斷推進供熱計量過程中發(fā)揮了重要作用，最大限度地保證了熱能表的計量性能。目前，熱能表的檢定手段大同小異，設備原理基本一致，筆者在實際檢定中匯總了一系列共性的問題，這些問題影響著熱能表檢定質量，有的已成為工作中不可忽視的問題。    

　　一、現有熱能表檢定裝置存在的問題及分析

　　1.恒溫槽模擬介質溫度影響檢定質量
　　當我們對熱能表進行總量或分量檢定時，通常根據配對溫度傳感器兩個溫度探頭的不同特性，將其分別放在溫度不同的兩個恒溫槽內，采集計算熱量時所需的溫差值，由安裝在管路上的流量傳感器測得流量值，最終由計算器算得流經熱能表的熱量。實際檢定時，配對溫度傳感器并不反映流體介質的真實溫度，而當熱能表用于用戶時，配對溫度傳感器測得的是實際流體溫度。通過我們對大量不同廠家、不同類型的熱能表進行檢定，發(fā)現這種檢定方法對檢定結果有一定的影響。這種差異對機械葉輪式熱能表的影響相對較小，對于逐漸推廣普及的帶有溫度修正的超聲熱能表影響明顯，主要表現為如下幾種情況:

　　 (1)超聲熱能表主要采用傳播速度差法(即時差測量法)，從兩個超聲發(fā)射器發(fā)出兩束超聲波脈沖，各自到達下、上游的兩個接收器，超聲波在流體中傳播時，將載上流體流速的信息，順流和逆流的傳播速度由于疊加了流體流速而不相同，利用時差檢測出被測流體的流速，再換算成流量?；诔暉崮鼙淼臏y流原理及流量計算公式如下:
    
    式中:L——超聲換能發(fā)射器與接收器之間的距離，m；t₁——超聲波順流傳播時間，s；t₂——超聲波逆流傳播時間，s；c——流體靜止時的聲速，m/s；v——流體的平均流速，m/s；S——管路的橫截面積，m²；q——流體的瞬時體積流量，m³/s。
    聲速c與流體溫度有關，根據有關資料，水溫對聲速的影響較顯著，聲音的傳播速度與水的溫度存在以下函數關系:
    c=1449.2+4.6T-0.055T₂+0.00029T₃+(1.34-0.010T)×(S-35)+0.016D
    式中:c——聲音在流體中的傳播速度，m/s；T——水溫，℃；S——含鹽量；D——水深，m。
    基于熱能表的檢定條件，在不考慮鹽度、水深的情況下，水溫與聲速的關系近似為:
    c=1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³
    從上式不難看出溫度對聲速測量的影響。
    時差法的流量傳感器采用了鎖相技術或回鳴技術，國內外一些高性能熱能表還采用了通過溫度傳感器測得的溫度由計算電路對聲速及幾何尺寸等參數進行修正的補償技術。顯而易見，當熱能表溫度傳感器測得的溫度與流量傳感器接觸的溫度差異較大時，計算器對聲速的修正不夠準確，從而導致對流量的修正不夠準確。此外，超聲波熱能表的溫度測量范圍、流量測量范圍較寬，使得這種影響比較顯著，尤其是小流量的測量。
    例如，當溫度傳感器測得的溫度為60℃，流量傳感器接觸的溫度為40℃時，可根據以下公式分別計算聲速:
    c₄₀=1449.2+4.6×40-0.055×40²+0.00029×40³
    =1563.8m/s
    c₆₀=1449.2+4.6×60-0.055×60²+0.00029×60³
    =1589.8m/s
    聲音在水中傳播的速度很快，用熱能表計量熱量時，順流與逆流的時間差很微小，忽略因水溫差異引起的時間差(Δt₆₀≈Δt₄₀)，計算溫度差異引起聲速差異進而導致瞬時體積流量的誤差δ_q為
    
    (2)當用稱重法進行熱量檢定時，流體的密度準確與否至關重要。介質溫度不同，密度自然也不同，超聲熱能表的計算器對流體的密度根據溫度傳感器測得的溫度進行補償修正，當溫度傳感器測得的溫度(默認為介質溫度)與流量傳感器接觸的溫度(實際介質溫度)不同時，計算器對密度值沒有進行正確的修正補償。溫度對密度的影響如下:
    壓力不變時，液體密度計算式為
    ρ=ρ₂₀〔1-μ(T-20)〕
    式中:ρ——溫度為T℃時水的密度，kg/m³；ρ₂₀——20℃時水的密度，kg/m³；μ——水的體積膨脹系數，1/℃；T——水的溫度，℃。
    水的溫度不同，密度也不一樣，如果沒有采用正確的密度進行計算，就會存在誤差。例如，JJG225-2001中給出了水在40℃下的密度為992.44kg/m³，水在60℃下密度為983.41kg/m³，此時如果管路實際水溫為40℃，模擬溫場水溫為60℃，則密度的誤差δ_ρ為
    
    JJG225-2001中熱量的計算公式為
    
    式中:Q——介質釋放的熱量，kJ；q_m——流經熱能表的載熱液體的瞬時質量流量，kg/s；Δh——熱交換回路中入口溫度與出口溫度對應的載熱液體的比焓值差，kJ/kg；t——時間，s。

　　當管路水溫為40℃、模擬溫場水溫為60℃時，采用稱重法對熱能表進行檢定，默認標準電子天平的稱量值近似等于流量傳感器以水溫40℃修正測得的體積流量與40℃水的密度的乘積，由于檢定裝置與被檢表采集的溫差均來自同一恒溫槽，對應的焓值差Δh引起的誤差可忽略不計(Δh_標≈Δh_示)，對熱能表采取總量檢定法時，因恒溫槽模擬介質溫度引起的誤差δ_Q為
    
    2.管路中存在的氣體對熱能表檢定質量的影響
    在檢定工作中，管路中除了熱介質水還經常伴隨著一定量的氣體，這些氣體的產生比較復雜，首先，無論是氣加熱還是電加熱都會產生一定量的氣體。其次，水的背壓如果不足也會引起氣泡。再次，管路上的閥門、彎頭、死角易導致窩氣現象。如果在檢定前沒有處理好源頭的氣體，不能夠很好地進行排氣，這些因素對熱能表的計量檢定均會產生影響，既對熱能表自身熱計量有影響，又對檢定裝置標準數據的采集有影響。管路中存在的氣體對檢定質量的影響如下:

　　(1)聲速c不但與流體溫度相關，而且還與流體成分有關，聲音在不同介質中傳播速度不同〔(真空0m/s、空氣(25℃)346m/s、水(常溫)1500m/s)〕。另外，如果是非單相流體，當超聲波遇到雜質時，分界面會有顯著的反射，如當流體中有氣泡時，水與氣的分界面就會對超聲信號產生反射，影響接收器的正常接收，影響流體流量的測量，進而對熱能表的檢定結果產生影響。

　　(2)計算熱量時，氣相存在對流體密度也會有影響，雖然經過了排氣，但氣體影響仍然存在，此時流體的密度是氣液混合物的密度，這種情況會對計算熱量產生影響。

　　(3)上述兩項中談到的是氣體或氣泡均勻分布在流體中的情況。但管路窩氣、被檢熱能表部件吸附現象則復雜、隱蔽，對熱能表檢定質量影響會更嚴重，雖然不易定量分析，但可以從檢定結果的比較中得到說明。在幾次對批量熱能表進行檢定時，發(fā)現大部分熱能表的誤差均在允許范圍之內且比較穩(wěn)定，但偶然會有一組全部超差。對這種整組超差的現象，我們沒有貿然下結論，開始尋找原因。溫場是否有波動、穩(wěn)壓罐是否壓力不穩(wěn)的可能原因被排除之后，發(fā)現在開關閥門后，裝置上的視水管處有少量氣泡在游動，而且，當短促開關閥門或管路上有震動時，氣泡會趨于密集，經過使管路中的水充分流通和局部振蕩法排氣直到水流單相穩(wěn)定后，再重新檢定這組熱能表，結論與先前幾組基本一致。究其原因，在重新安裝這組表后，由于裝置管路的彎頭、閥門放空作用以及新裝熱能表對氣泡有較強的吸附力，盡管操作方法正確，通過排氣閥進行了消氣泡處理并通水循環(huán)，排除了大量氣泡，但有時不能夠將彎頭、閥門窩氣以及熱能表內的吸附氣體排走，影響熱能表正常工作，最終影響了熱能表的檢定質量。

　　3.加熱水箱容積影響檢定的因素考慮
　　在熱能表檢定裝置中，加熱水箱作為介質熱源的提供者，對它的設計是否合理會影響到整個檢定效果。目前，所用的熱能表檢定裝置通常設置一個水箱，有的水箱比較大，有的水箱較小。水箱較大時，介質的熱穩(wěn)定性較好，氣泡擴散比較迅速，容易溢出，氣泡對檢定的影響較小，但是由于容量較大，介質升溫、降溫的時間較長，有時升溫到50℃左右需要半天的時間，大量的時間花費在了升、降溫度上；若要調節(jié)介質的不同溫度點后再進行檢定很不方便，僅僅適合規(guī)程規(guī)定的檢定方法(這種基于規(guī)程規(guī)定的模擬溫場檢定方法，是通過恒溫槽調節(jié)溫差，在(50±5)℃的水溫，不同流量點、不同溫差的條件下對熱能表進行計量檢定)；當水箱較小時，升溫、降溫比較迅速，提高了檢定的靈活性，適應了檢定過程中在多個溫度點計量熱量的需要，改善了檢定裝置的技術性能，但其熱穩(wěn)定性差，容積狹小，若設計不合理氣泡易帶入試驗管路，這種弊端對檢定結果的影響比較顯著。

　　以上因素是影響熱能表檢定質量的主要因素，當然，熱能表檢定裝置前后直管段、管路熱水結垢、閥門泄漏、變頻影響等問題，仍然是檢定裝置不可忽視的問題；同時，裝置的正確使用和維護，也是保證檢定裝置處于良好性能必不可少的環(huán)節(jié)。    

　　二、熱能表檢定裝置改進及使用的幾點建議

　　1.針對水箱的問題，建議采用子母水箱的儲水裝置，設置一大一小兩個水箱，根據實際需要決定加熱哪一個水箱，既提高了利用效率，又節(jié)省了電能的消耗，同時優(yōu)化了檢定裝置，提高了檢定技術水平。

　　2.由于檢定用水中含有氣泡對檢定結果的影響比較復雜，從水箱到穩(wěn)壓罐再到被檢表，甚至管路上的方方面面都可能存在氣泡，處理起來比較棘手，切實可行的措施是保證實驗段下游背壓的穩(wěn)定，在易產生大量氣泡的位置后安裝集氣裝置和排氣閥，盡量保證試驗段流體始終為單相運行。

　　3.采用子母水箱的檢定裝置，基本可以解決現行方式下由于恒溫槽模擬介質溫度檢定時帶來的影響。無論是對于大口徑熱能表還是小口徑熱能表，其檢定裝置都應滿足以下條件:對于受介質溫度影響小的熱能表，由于大水箱熱穩(wěn)定性較好，檢定時可以采用大水箱作為熱水源，當檢定受介質溫度影響較大且需要變化管路中介質溫度時，就采用小水箱作為熱水源。若小水箱控溫好，便于調節(jié)，方便升、降溫，基本能夠保證管路水溫與恒溫槽水溫的一致性，這種情況下，介質溫度可以取代模擬溫場溫度，但還要保證介質溫度穩(wěn)定性應與恒溫槽溫度穩(wěn)定性相當，即可以將熱能表及標準器溫度傳感器探頭插入循環(huán)水管路，直接測量水溫，對于進口(或出口)溫度傳感器與流量傳感器同體安裝型熱能表，且溫度傳感器的引線較短也能很好適應；對于控溫稍差的熱能表檢定裝置，仍采用模擬方式復現熱能表進、出口的溫度場，而熱能表實際流動介質溫度應調整至與某一進口(或出口)模擬溫場相一致。

　　4.檢定裝置改進完善后，整體性能得到了提高，但各個環(huán)節(jié)的協調運作，以及能否很好地配合使用，也是值得注意的。從檢定方式角度看，要養(yǎng)成良好的習慣，每安裝一組被檢表后，首先要保證檢定段壓力的穩(wěn)定；其次在采集數據前，先大流量通水運行一段時間，還需通過局部振蕩的方法排除窩藏在管路彎頭、閥門和熱能表內的氣體。

　　為了保證檢定質量，還應在實際工作中重視水質軟化、試驗直管段、閥門開度及膠墊突入流通截面等因素。
　　作者單位【高明  河北大學質量技術監(jiān)督學院、卜占成  劉辰魁  宋榮榮  河北省計量監(jiān)督檢測院】