高明  卜占成  劉辰魁  宋榮榮

本文為第一屆《中國計(jì)量》中青年優(yōu)秀科技論文獎二等獎獲獎文章之一

　　根據(jù)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(diào)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(diǎn)下對熱能表進(jìn)行計(jì)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(biāo)準(zhǔn)表測量體積)與流經(jīng)熱能表流量傳感器的體積進(jìn)行比較，求出流量傳感器的誤差。配對溫度傳感器以二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)與被檢熱能表溫度傳感器進(jìn)行示值比較計(jì)算誤差。計(jì)算器的檢定以標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器和電阻箱作為模擬信號，按理論公式計(jì)算出的實(shí)際熱量值與被檢表計(jì)算器顯示值進(jìn)行比較計(jì)算誤差，最后，按3項(xiàng)誤差絕對值的算術(shù)和確定。

　　現(xiàn)行熱能表檢定裝置在不斷推進(jìn)供熱計(jì)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(jì)量性能。目前，熱能表的檢定手段大同小異，設(shè)備原理基本一致，筆者在實(shí)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(zhì)量，有的已成為工作中不可忽視的問題。    

　　一、現(xiàn)有熱能表檢定裝置存在的問題及分析

　　1.恒溫槽模擬介質(zhì)溫度影響檢定質(zhì)量
　　當(dāng)我們對熱能表進(jìn)行總量或分量檢定時(shí)，通常根據(jù)配對溫度傳感器兩個(gè)溫度探頭的不同特性，將其分別放在溫度不同的兩個(gè)恒溫槽內(nèi)，采集計(jì)算熱量時(shí)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(jì)算器算得流經(jīng)熱能表的熱量。實(shí)際檢定時(shí)，配對溫度傳感器并不反映流體介質(zhì)的真實(shí)溫度，而當(dāng)熱能表用于用戶時(shí)，配對溫度傳感器測得的是實(shí)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(jìn)行檢定，發(fā)現(xiàn)這種檢定方法對檢定結(jié)果有一定的影響。這種差異對機(jī)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(xiàn)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(shí)差測量法)，從兩個(gè)超聲發(fā)射器發(fā)出兩束超聲波脈沖，各自到達(dá)下、上游的兩個(gè)接收器，超聲波在流體中傳播時(shí)，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(shí)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(jì)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(shí)間，s；t₂——超聲波逆流傳播時(shí)間，s；c——流體靜止時(shí)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(shí)體積流量，m³/s。
    聲速c與流體溫度有關(guān)，根據(jù)有關(guān)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(shù)關(guān)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(guān)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(shí)差法的流量傳感器采用了鎖相技術(shù)或回鳴技術(shù)，國內(nèi)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(jì)算電路對聲速及幾何尺寸等參數(shù)進(jìn)行修正的補(bǔ)償技術(shù)。顯而易見，當(dāng)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(shí)，計(jì)算器對聲速的修正不夠準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致對流量的修正不夠準(zhǔn)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(dāng)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(shí)，可根據(jù)以下公式分別計(jì)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(jì)量熱量時(shí)，順流與逆流的時(shí)間差很微小，忽略因水溫差異引起的時(shí)間差(Δt₆₀≈Δt₄₀)，計(jì)算溫度差異引起聲速差異進(jìn)而導(dǎo)致瞬時(shí)體積流量的誤差δ_q為
    
    (2)當(dāng)用稱重法進(jìn)行熱量檢定時(shí)，流體的密度準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。介質(zhì)溫度不同，密度自然也不同，超聲熱能表的計(jì)算器對流體的密度根據(jù)溫度傳感器測得的溫度進(jìn)行補(bǔ)償修正，當(dāng)溫度傳感器測得的溫度(默認(rèn)為介質(zhì)溫度)與流量傳感器接觸的溫度(實(shí)際介質(zhì)溫度)不同時(shí)，計(jì)算器對密度值沒有進(jìn)行正確的修正補(bǔ)償。溫度對密度的影響如下:
    壓力不變時(shí)，液體密度計(jì)算式為
    ρ=ρ₂₀〔1-μ(T-20)〕
    式中:ρ——溫度為T℃時(shí)水的密度，kg/m³；ρ₂₀——20℃時(shí)水的密度，kg/m³；μ——水的體積膨脹系數(shù)，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(jìn)行計(jì)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(shí)如果管路實(shí)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(jì)算公式為
    
    式中:Q——介質(zhì)釋放的熱量，kJ；q_m——流經(jīng)熱能表的載熱液體的瞬時(shí)質(zhì)量流量，kg/s；Δh——熱交換回路中入口溫度與出口溫度對應(yīng)的載熱液體的比焓值差，kJ/kg；t——時(shí)間，s。

　　當(dāng)管路水溫為40℃、模擬溫場水溫為60℃時(shí)，采用稱重法對熱能表進(jìn)行檢定，默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的焓值差Δh引起的誤差可忽略不計(jì)(Δh_標(biāo)≈Δh_示)，對熱能表采取總量檢定法時(shí)，因恒溫槽模擬介質(zhì)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(zhì)量的影響
    在檢定工作中，管路中除了熱介質(zhì)水還經(jīng)常伴隨著一定量的氣體，這些氣體的產(chǎn)生比較復(fù)雜，首先，無論是氣加熱還是電加熱都會產(chǎn)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(dǎo)致窩氣現(xiàn)象。如果在檢定前沒有處理好源頭的氣體，不能夠很好地進(jìn)行排氣，這些因素對熱能表的計(jì)量檢定均會產(chǎn)生影響，既對熱能表自身熱計(jì)量有影響，又對檢定裝置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集有影響。管路中存在的氣體對檢定質(zhì)量的影響如下:

　　(1)聲速c不但與流體溫度相關(guān)，而且還與流體成分有關(guān)，聲音在不同介質(zhì)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(dāng)超聲波遇到雜質(zhì)時(shí)，分界面會有顯著的反射，如當(dāng)流體中有氣泡時(shí)，水與氣的分界面就會對超聲信號產(chǎn)生反射，影響接收器的正常接收，影響流體流量的測量，進(jìn)而對熱能表的檢定結(jié)果產(chǎn)生影響。

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

　　(3)上述兩項(xiàng)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(xiàn)象則復(fù)雜、隱蔽，對熱能表檢定質(zhì)量影響會更嚴(yán)重，雖然不易定量分析，但可以從檢定結(jié)果的比較中得到說明。在幾次對批量熱能表進(jìn)行檢定時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分熱能表的誤差均在允許范圍之內(nèi)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(xiàn)象，我們沒有貿(mào)然下結(jié)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(xiàn)在開關(guān)閥門后，裝置上的視水管處有少量氣泡在游動，而且，當(dāng)短促開關(guān)閥門或管路上有震動時(shí)，氣泡會趨于密集，經(jīng)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(jié)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(qiáng)的吸附力，盡管操作方法正確，通過排氣閥進(jìn)行了消氣泡處理并通水循環(huán)，排除了大量氣泡，但有時(shí)不能夠?qū)濐^、閥門窩氣以及熱能表內(nèi)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(zhì)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(zhì)熱源的提供者，對它的設(shè)計(jì)是否合理會影響到整個(gè)檢定效果。目前，所用的熱能表檢定裝置通常設(shè)置一個(gè)水箱，有的水箱比較大，有的水箱較小。水箱較大時(shí)，介質(zhì)的熱穩(wěn)定性較好，氣泡擴(kuò)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(zhì)升溫、降溫的時(shí)間較長，有時(shí)升溫到50℃左右需要半天的時(shí)間，大量的時(shí)間花費(fèi)在了升、降溫度上；若要調(diào)節(jié)介質(zhì)的不同溫度點(diǎn)后再進(jìn)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(diào)節(jié)溫差，在(50±5)℃的水溫，不同流量點(diǎn)、不同溫差的條件下對熱能表進(jìn)行計(jì)量檢定)；當(dāng)水箱較小時(shí)，升溫、降溫比較迅速，提高了檢定的靈活性，適應(yīng)了檢定過程中在多個(gè)溫度點(diǎn)計(jì)量熱量的需要，改善了檢定裝置的技術(shù)性能，但其熱穩(wěn)定性差，容積狹小，若設(shè)計(jì)不合理氣泡易帶入試驗(yàn)管路，這種弊端對檢定結(jié)果的影響比較顯著。

　　以上因素是影響熱能表檢定質(zhì)量的主要因素，當(dāng)然，熱能表檢定裝置前后直管段、管路熱水結(jié)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(shí)，裝置的正確使用和維護(hù)，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(jìn)及使用的幾點(diǎn)建議

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

　　2.由于檢定用水中含有氣泡對檢定結(jié)果的影響比較復(fù)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(shí)可行的措施是保證實(shí)驗(yàn)段下游背壓的穩(wěn)定，在易產(chǎn)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(yàn)段流體始終為單相運(yùn)行。

　　3.采用子母水箱的檢定裝置，基本可以解決現(xiàn)行方式下由于恒溫槽模擬介質(zhì)溫度檢定時(shí)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(yīng)滿足以下條件:對于受介質(zhì)溫度影響小的熱能表，由于大水箱熱穩(wěn)定性較好，檢定時(shí)可以采用大水箱作為熱水源，當(dāng)檢定受介質(zhì)溫度影響較大且需要變化管路中介質(zhì)溫度時(shí)，就采用小水箱作為熱水源。若小水箱控溫好，便于調(diào)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(zhì)溫度可以取代模擬溫場溫度，但還要保證介質(zhì)溫度穩(wěn)定性應(yīng)與恒溫槽溫度穩(wěn)定性相當(dāng)，即可以將熱能表及標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)；對于控溫稍差的熱能表檢定裝置，仍采用模擬方式復(fù)現(xiàn)熱能表進(jìn)、出口的溫度場，而熱能表實(shí)際流動介質(zhì)溫度應(yīng)調(diào)整至與某一進(jìn)口(或出口)模擬溫場相一致。

　　4.檢定裝置改進(jìn)完善后，整體性能得到了提高，但各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)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(xí)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(shù)據(jù)前，先大流量通水運(yùn)行一段時(shí)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(nèi)的氣體。

　　為了保證檢定質(zhì)量，還應(yīng)在實(shí)際工作中重視水質(zhì)軟化、試驗(yàn)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(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院、卜占成  劉辰魁  宋榮榮  河北省計(jì)量監(jiān)督檢測院】