热量表

　　热量计算

　　我国北方冬季要供暖，为了节约能源，减少烟尘，大多数地区已通过热网集中供热。但是热能作为一种商品来出售，当然要收费了。可是目前因为居民家里还没安装热量表，只好暂且按建筑面积收费。但是按建筑面积收供热费显然是不合理的，应该按照用户实际用的热能来计算。自动累计热量的仪器并不是没有，只不过价格较高，还未进入家庭，现在已经用于供热总管上了。

　　我们在谈及计量热能时，首先必须知道如何计算热能？从物理课本中我们学过热量的单位是“焦”，符号是J。但是工程上常用的单位是“千卡”即“大卡”，符号是kcal。换算关系是1kcal=4186.8J。每一千卡的热量相当于一千克的水温度下降1℃所放出的热量。由此我们知道了要计算用户使用的热能数，必须测量进入用户和流出用户的水的温度差，这一部分的温度降低是由于用户的消费导致的。但这并不足够，我们还必须知道在此过程有多少水在放热，因此必须测得此时刻的热水的瞬时流量，然后把它和温度差相乘，就可以得到这一时刻热水释放热量的千卡数（也就是用户消费的热量）。再用自动累加的方法随时把用户的消费热量加在一起，累计满一个月就是当月消费的热量总数。

　　分类

　　种类划分

　　热能表按照热表流计结构和原理不同，可分为机械式（其中包括：涡轮式、孔板式、涡街式）、电磁式、超声波式等种类。

　　1、机械式热量表

　　机械表分为单流束和多流束两种，单流束表的性能是水在表内从一个方向单股推动叶轮转动的表为单流束表。不足之外表的磨损大，使用年限短。多流束表的性能是水在表内从多个方向推动叶轮转动的表为多流束表。该表相对磨损小，使用年限长。叶轮分为两种形式：螺翼式和旋翼式。一般小口径DN15-DN40户用表使用旋翼式。大口径的工艺表DN50-DN300使用螺翼式。机械表的质量保证期一般是2年。

　　2、超声波式热量表采用超声波式流量计的热量表的统称。它是利用超声波在流动的流体中传播时，顺水流传播速度与逆水流传 播速度差计算流体的流速，从而计算出流体流量。对介质无特殊要求；流量测量的准确度不

　　受被测流体温度、压力、密度等参数的影响。超声波热量表有两种形式，一种是直射式也叫对射式，工作原理是：超声波换能器直接发射和接收信号确定流量。另一种是反射式也叫对流式，工作原理是超声波换能器通过反射板平面的反射速度确定流量。

　　3、电磁式热量表

　　采用电磁式流量计的热量表的统称。由于成本极高，需要外加电源等原因，所以很少有热量表采用这种流量计。目前，国内有些热量表生产企业利用用户对热能表的结构和原理不十分了解的情况，将一般机械热表当做电磁式热量表介绍给用户。此种现象需要警惕。

　　结构划分

　　根据热量表总体结构与设计原理的不同，热量表可分为

　　1、整体式热量表

　　指热量表的三个组成部分中（积算器、流量计、温度传感器），有两个以上的部分在理论上（而不是在形式上）是不可分割的结合在一起。比如，机械式热量表当中的标准机芯式（无磁电子式）热量表的积算器和流量计是不能任意互换的，检定时也只能对其进行整体测。

　　2、组合式热量表

　　组成热量表的三个部分可以分离开来，并在同型号的产品中可以互相替换，检定时可以对各部件进行分体检测。

　　3、紧凑式热量表

　　在型式检定或出厂标定过程中可以看作组合式热量表，但在标定完成后，其组成部分必须按整体式热量表来处理。

　　功能划分

　　热量表按使用功能可分为：单用于采暖分户计量的热量表，和可用于空调系统的（冷）热量表。（冷）热量表与热量表在结构和原理上是一样的。主要区别在传感器的信号采集和运算方式上，也就是说，两种表的区别是程序软件的不同。

　　1、（冷）热量表的冷热计量转换，是由程序软件完成的。当供水温度高于回水温度时，为供热状态，热量表计量的是供热量；当供水温度低于回水温度时，是制冷状态，热量表自动转换为计量制冷量。

　　2、由于空调系统的供回水设计温差和实际温差都很小，因此，（冷）量表的程序采样和计算公式的参数也比单用途热表的区域大。

　　功率划分

　　1、户用热量表：口径DN≤40mm。

　　2、工业用热量表：口径DN>40mm

　　器件

　　传感器

　　1、温度传感器是采集水的温度并发出温度信号的部件。它一般采用热电阻材料，材料的电阻值随温度的变化而变化。热量表采用的是Pt1000配对温度传感器，配对误差﹤0.1℃。一根有红色标志，安装在进水口，一根有蓝色标志，安装在出水口。Pt为铂的分子式，其具有温度系数大及在一定温度范围内温度系数是一常数的特点。R0=1000，即0℃时，温度传感器的电阻为1000Ω；

　　2、流量计（基表）：采集水的流量并发出流量信号的部件。热量表采用韦根型流量计。

　　热量表中常用的温度传感器，是由铂丝绕成的电阻，温度越高它的阻值越大，电阻的大小可以通过导线传到很远的地方去测量，根据铂电阻的变化我们就可以得到温度的变化。当然温度传感器并不是这一种，也可以采用其它种的传感器。

　　热量表流量传感器常用的有孔板差压式、旋涡式、涡轮式等。涡轮式流量传感器是一个小水轮发电机，和水力发电用的水轮发电机是一个道理。只不过非常小巧而简单，仅仅是由管道里的一个叶轮和管外的线圈所构成。叶轮上有一小块磁铁，当叶轮被水冲动而旋转时，线圈切割磁力线就会发出交流信号来。管道里的水流量越大，当然叶轮转得越快，发出的交流频率就越高。用频率来代表流量，这样就容易传到别处去了，所以这才称得上是传感器。

　　由温度传感器测量的温度信号和流量传感器测量的流量信号最终都送到微处理机中，由它的软件来完成相乘、相减、累加等运算。最后把结果用数字显示在仪表的窗口里，甚至可以进一步通过网络送到银行，自动从你的户头里把供暖费扣掉，既省心又省事。

　　当前国内的IC卡热量表大都采用磁钢转动，双干簧管接收脉冲计数。现在又开始逐步采用韦根元件。

　　韦根元件优点：1. 产生脉冲耗电为零。

　　2. 在脉冲重复频率0~10KHz范围输出脉冲幅度与宽度恒定，与被测物体转动（移动）速度无关，适合超低速检测。

　　3. 无机械可动部分，无触点，固态封装，环境耐受性好

　　4. 工作温度范围宽（-196℃~+300℃）

　　积分仪

　　采集温度传感器所发出的温度信号，流量计所发出的流量信号，进行热量计算、存储和显示的部件。目前多数热量表积算仪的核心单片机采用集成单片机，性能强大，稳定可靠，超低功耗，能适应恶劣供热环境要求，也多采用汉字和数字字符显示各测量参数，参数可循环显示，清晰、直观，参数显示分辨率高，极大地满足了计量检定显示要求。

　　计量检测

　　计量精度

　　热量表共分为三个精度等级，即：一级表、二级表和三级表。首先需要说明的是热量表的精度等级不能用一个固定的误差数字来描述，比如2%或5%等等，因为即便同一精度级的热量表，随着工作条件不同，对它的误差要求也是不同的。

　　1、整体式热量表的计量精度

　　由于整体式热量表的各计量部件在逻辑上是不可分割的，所以它的精度必须由标准装置一次性给出，它的误差极限分别由下述公式给出：

　　一级表：E=（示值-标准值）/标准值*100%

　　二级表：E=（示值-标准值）/标准值*100%

　　三级表：E=（示值-标准值）/标准值*100%

　　其中：E——相对误差极限，%

　　Δtmin——最小温差，℃。

　　Δt——使用范围内的温差，℃。

　　qp——常用流量，m³/h。

　　q——使用范围内的流量，m³/h。

　　2、分体式热量表的计量精度

　　分体式热量表的计量精度是由组成热量表的三个部分：流量计、温度传感器和积算器各自的计量精度共同决定的，其误差极限是上述三个部件各自误差的算术和（也就是绝对值的和）。

　　在分体式热量表中，由于流量计精度分为三个级别，所以导致分体式热量表的计量精度也分为三个级别。

　　检测方法

　　热量表的检定从原则上来说，应当尽可能模拟实际工作的状态来进行。但是热量表的实际状态是由流量和温差二个参数的任意组合而确定的，很难模拟所有的实际状态，所以，通常用下面的方法进行检测。

　　1、整体检定法

　　整体式热量表最好用整体检测方法进行检定，具体做法是由标准的检定装置分别设定一个流量和温差，热量的标准值由标准装置直接给出，把被检热量表的热量示值与标准装置的标准值进行比较，即可得到被检热量表的误差。只有这种检定方法对于热量表才是真正意义上的检测，但是，这种方法对于检定装置的要求是极高的，目前国内尚无这种检定装置。

　　2、分体检定法

　　分体检定法就是用不同的装置对热量表的三个组成部分，流量计、温度传感器和积算器分别进行检定，在得到三个部分的误差后，它们的算术和即认为是热量表的整体误差，而且不再产生新的误差。具体做法是：

　　流量传感器的检定：就是只检测流量计在流量计量方面的性能，其性质就如同检测一块水表，不过对于热量表的流量计，还要检测其在不同温度的热水状态下的计量特性。一般的做法是，根据被检流量计的额定流量Qn在标准装置上设定不同的流量点（流速）和不同的温度条件，来综合考察被检流量计的误差。流量点的设定如下：

　　出厂检验分三点：1.1qmin，0.1qp，qp

　　型式检验分六点: 1.1qmin，0.1qp，0.3 qp，0.5 qp，qp，0.9 qp，

　　以上流量点分别在常温，55+/-5℃，85+/-5℃的条件下各测量一遍。

　　所得到的测量结果按下式计算误差：

　　E=（示值-标准值）/标准值*100%

　　其中标准装置通常采用容积法，称量法和标准表法三种。容积法受温度的变化和介质的气化影响较大，所以很少采用。目前流行的做法是把称重法和标准表法结合使用，即用标准表来保证操作的自动化，用称重来保证精度。

　　温度传感器的检定：如果某些整体表的温度传感器和积算器是固定在一起的，那么将把温度传感器的误差和积处器的误差是加在一起的，否则，就地温度传感器进行单独检定。其做法是，把温度传感器放入恒温装置中，在不同的温度点下，考察其所示温度与标准温度的误差。需要注意的是，对于温度传感器不光要进行单支检测，更重要的是还要检测其配对误差。

　　积算器的检定：由于积算器的设计原理各不相同，所以最好针对其各自的原理使用相应的检定方法。具体做法是，通过模拟装置把温差信号和流量信号输入积算器，然后考察其计算结果与理论结果的误差。

　　3、关于首次检定：

　　做为计量器具，热量表在安装使用前必须由国家有关部门进行安装前的首次检定。首次检定与生产检定或型式检定在检测方法上是有区别的，因为首次检定的热量表是做为商品进行的使用前的检定，其检定方法不能对产品本身产生影响甚至损坏，这样就意味着，不能用分体检定的方法对其进行检定。这样就需要热量表在使用状态下也能输出很高的数据精度，而这对于干簧管和霍尔原理的热量表来说是不能实现的，因为它们的流量数据最小只能是1升。也就是说，这样的热量表不能对其进行首次检定，从而也无法保证其质量标准。

　　设计

　　首先要把温度差测出，这就需要两个“温度传感器”；然后再把流量测出来，这就需要一个“流量传感器”；积分仪通过进回水的温差，流量及预制在内部的热涵值计算出热能，通过内部的储存装置连续储存记录能耗。最后还要具有相减和相乘功能的辅助器件，以便能随时把得数累加起来；就这样一个热量表就制成了。

　　寿命因素

　　影响热量表寿命的关键是超声波传感器

　　中国科学院物理研究所研究员、中国住建部专家委员会成员、中国城镇供热协会技术委员王树铎教授对在中国使用的热量表超声波流量计进行了初步调查研究，测量分析了具有代表性的一批超声波换能器的静态参数。结果令人担忧！

　　目前，中国几乎所有的热量表企业都已开始研发、生产超声波热量表。从近两年上报住建部的几十项相关科研成果中可看出，绝大部分的研究重点都集中在流量计的基表机械结构（包括反射器和测量管段）设计，只有少量涉及传感器输出信号处理；普遍忽视了对超声波换能器件性能研究，有些企业甚至对主要技术参数还缺乏必要了解。

　　首先:大约60%以上的热量表企业在外购超声波换能器时，没有提出足够全面的技术性能参数要求。一半以上的超声波换能器生产厂提供的技术参数有明显错误；或者过于简单，主要参数没有提供；或者名不副实，实测结果偏差很大。

　　例如：几乎所有的热量表超声波流量计换能器中心频率标称的都是1MHz。实测的结果是：仅有30%达到1MHz（1000KHz）5%；偏差最大的超过了12%。或许可以认为：如果能在电路上调谐补偿、配对使用，中心频率不在1MHz（1000KHz）也可行；问题在于：80%以上的生产企业忽略了流量计超声波换能器其它重要参数的配对一致性；包括：电容、电导、机械品质因数、阻抗等。应该知道：这些参数随温度的变化都将影响超声波在水中传播的时间差也就是超声波流量计的精度。同样条件下，国产优质和进口的流量计超声波换能器对这5个静态参数的测量结果是：中心频率偏差：1%；其它4个参数配对偏差：4%；而国产热量表流量计的超声波换能器能达到这个水平的极为罕见。这一差距，实在不可忽视！

　　即便是好的基表和信号处理电路设计，如果采用了劣质及未经老化处理的超声波换能器，不仅是使得热量表的流量测量达不到技术要求，还可能在测量运行中发生无规律而无法补偿的变化，以致缩短热量表的使用寿命。