供暖计量装置的技术研究
发布时间：2017-09-01
计量要求日见明显。室内温度过高，造成室内外温差过大，身体不适，易患感冒；室内温度达不到供热要求，百姓浪费了供热费用。如果能在达到供热要求条件下计量，根据个人适应温度进行调节，既可减少能源浪费，又可节省供热费用。为此需要设计一种“供暖计量装置”。
在研制供暖计量装置自动检测计量系统时，由于温度、流量均为非电量信号；供热规定要求回水温度高于＋15℃，在回水温度高于＋15℃时累积计量流量，回水温度低于＋15℃时不计量流量。因此必须先把这些非电量信号变换成电信号，然后通过电子测量，再经仪表的信号转换，由自动控制器进行控制、显示及累积计量。为保证系统测量精度，在信号的采集、变换、放大和传输过程中，必须线性好，转换可靠，不失真，并有较强的抗干扰能力。
温度、流量自动检测
温度自动检测系统借助于温度传感器，流量自动检测系统借助于流量传感器。系统以程序控制器为核心，配置温度与流量传感器、外围接口电路，由程序控制器检测温度传感器的信号(检测供暖系统回水管路中回水的温度高于＋15℃温度时的信号)，完成实时数据采集和开关量处理，并根据采集的信号来控制流量累积计量设备的运转。
系统总体设计如图1所示。
测量温度、流量时，温度、流量传感器把温度、流量信号转变为电量，为与可编程序控制器连接，测量的电信号应转化为标准信号0～5 V或0～10 mA。温度输出信号通过中间继电器控制流量累积计量仪表的运转，系统根据测量的温度值，确定是否开启或关闭回水系统闸门，避免室内温度过高。例如，当回水温度值高于＋15℃时，通过中间继电器控制流量累积计量仪表的运转；当回水温度值低于＋15℃时，通过中间继电器控制流量累积计量仪表的不运转。当回水温度高于人体温度＋36℃时，通过中间继电器控制回水系统闸门关闭。
温度、流量传感器及变送系统
1.温度传感器及变送系统
测量温度的传感器很多，本文用热电阻传感器。由于在不同温度下，铂丝的电阻随之变化，温度和电阻关系接近线性，性能稳定，使用温度范围宽(－200～＋960)℃，加工容易等特点。铂丝随着环境温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增大。
热电阻的阻值Rt与温度t的关系为
Rt＝R0(1＋K1t＋K2t2＋K3t3＋K4t4)
式中 R0――热电阻在0℃时的电阻值
K1、K2、K3、K4――温度系数
目前我国全面施行“1990国际温标”，按照ITS－90标准，国内统一设计的工业用铂电阻在0℃时的R0值有100～1 000Ω等几种。
为了保证温度传感器工作的可靠性与精确度，可采用以下方法：
1) 可选用测温电阻大于1 kΩ或高于几千欧的铂电阻，这样不易受接线电阻的影响，测量点与变送单元之间的距离适当拉长。
2) 消除传感器的偏压成分。
2.流量传感器及变送系统
流量传感器是根据力的平衡原理工作的，将被测参数通过测量元件转化为测量力。通过转换元件转化为电信号，经放大器、开方运算器将测量的电信号转化为标准信号0～5 V或0～10 mA直流输出。
本装置分为差压测量部分和力传递系统，如图3所示。
(1) 差压测量部分及力传递系统
测量部分是将流体流动的压差转换成为作用力，通过连接簧片2作用于主杠杆4上。该力使主杠杆以轴封膜片3为支点产生偏转位移，该位移经过矢量机构6传递给副杠杆12，使固定于副杠杆上的检测板9产生位移。此时差动变压器11的平衡电压产生变化，产生电信号。
机构中主杠杆以轴封膜片为弹性支点，副杠杆以十字簧片为弹性支点，主杠杆与副杠杆之间以矢量机构作为联系，用于传递力和位移。从主杠杆来的水平力F1由矢量机构分解成两个力F2、F3；其中分力F3与矢量板同方向，被矢量板平衡掉，对副杠杆不起作用，分力F2作用于副杠杆上，F2＝F1tgnα，改变矢量机构的角度α，可以改变作用于副杠杆上的力，因此就可以改变测量的量程。
(2) 磁电系统及低频流量放大器
由于流体的流动产生了作用于检测板上的力，经过矢量机构传递给副杠杆，使固定于副杠杆上的检测板产生位移，此时差动变压器11的平衡电压产生变化，此变化由放大器10转换成0～10 mA直流电流输出，同时该电流经过处于永久磁场中的反馈线圈13，线圈中流出的电流就与被测压差的平方根成正比，开方器的输出电流也就是变压器的输出电流，它直接与流量成正比。
低频流量放大器将级微小的位移信号(几个微米)检测并放大成为0～10 mA直流信号，经过开方器，使仪表输出0～10 mA直流统一信号。限于篇幅，放大器原理略去不述。
计算方法
流量计实质上是管道内流体流动的压力差作用于压差膜合表面而产生的力。流体流动的速度ν与管道内出口处存在额外压力的关系为
ν＝ψ(2P0／γ)1／2
管道中的容积流量为Q＝Aανε；则作用于压差膜合表面的力F与流体流动的速度ν的关系为
F＝P0At＝ν2πd2γ／8ψ2
式中 ψ――管道摩擦因数
ε――管口收缩系数
g――重力加速度，9.806 m／s2
γ――使用状态下流体的重度，kg／m3
At――压差膜合的面积，At＝πd2／4
Aα――管道过流面积，Aα＝πD2／4
根据上面公式可以推导出
Q＝ψ(π／2)1／2D2／d(F／γ)1／2
体积流量一般是标准状态下的体积流量
Qn＝εψ(π／2)1／2D2／dγ20(F／γ)1／2
式中Qn――标准状态下的体积流量，m3／h
γ20――标准状态下的流体密度，kg／m3
上面的计算及分析证明，该仪表是可行的。在今后的发展中将在下面问题上有所突破：①实现智能控制：回水温度过高，由控制器切断供水回路并能延时起动。②实现热功计量：即单位时间内流体携带热量的计量。
摘自：中国计量测控网
