基于通訊模式的熱量表非同步計量檢測方法研究

0 引言

熱量表是一種通過(guò)流量和溫度參數復合測量來(lái)間接測量熱交換回路釋放或吸收熱量的計量?jì)x表。國內絕大多數的熱量表為實(shí)現低功耗設計，沒(méi)有考慮適合計量檢測的脈沖信號輸出，因此無(wú)論是流量還是熱量，為滿(mǎn)足被測儀表和計量標準裝置實(shí)現同步檢測，只有采用啟停法。然而對于公稱(chēng)口徑大于50mm，以及流量大于30m3/h的被測儀表來(lái)說(shuō)，啟停法存在諸多弊端：①啟停效應會(huì )對測量結果帶來(lái)很大的不確定影響；②閥門(mén)啟閉導致的水錘效應會(huì )帶來(lái)危險，尤其是熱水條件下危險因素會(huì )更大；③延長(cháng)檢測時(shí)間不僅導致效率降低，成本增加，也會(huì )導致熱水狀態(tài)發(fā)生顯著(zhù)變化而使測量結果更具不確定性。

對于大口徑的被測儀表來(lái)說(shuō)，穩定流動(dòng)下的換流法是常用的檢測方法。對于沒(méi)有脈沖輸出的熱量表，采用這種方法還需要解決以下問(wèn)題：①如何采集被測儀表的讀數；②被測儀表與計量標準器是否需要同步；③是否有利于效率的提高；④能否保證足夠的測量可信度。

1 低功耗熱量表累積流量和熱量的積算模型

熱量表的累積流量公式原型見(jiàn)式（1）。

    （1）

式中：Q_V為體積流量，m³；q(t)為瞬時(shí)流量，m³/h；t為時(shí)間，s。

在工程測量實(shí)際應用中，通常認為流量是一個(gè)緩變量。為了降低熱量表的功耗，采用間歇采樣的方式來(lái)獲得當前時(shí)刻的流量值，并以此來(lái)代表當前采樣時(shí)刻到下一采樣時(shí)刻期間的流量值，則累積流量積算的數學(xué)模型由式（1）轉換為式（2）。

式中：Q_V（t）為在時(shí)刻t熱量表記錄的體積流量，m³；Q_V(t－Δt)為在時(shí)刻t－Δt熱量表已經(jīng)記錄的體積流量，m³；Δt為間歇采樣的時(shí)間間隔，s。

同樣，對于熱量，公式原型見(jiàn)式（3）。

    （3）

式中：Q_h為熱量，kW·h；ρ(t)為在時(shí)刻t熱量表處的密度，kg/m³；Δh(t)為在時(shí)刻t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。

因間歇采樣，熱量積算的數學(xué)模型由式（3）轉換為式（4）。

Qh(t)=Qh(t－Δt)+ρ(t)q(t)Δh(t)Δt      （4）

式中：Qh(t)為在時(shí)刻t熱量表記錄的熱量，kW·h；Qh(t－Δt)為在時(shí)刻t－Δt熱量表已經(jīng)記錄的熱量，kW·h。

由式（2）和（4）可知，在某一特定時(shí)刻t，分別有與其相對應的累積流量QV(t)和熱量Qh(t)二個(gè)量，即這是一組同時(shí)變化的三個(gè)量，見(jiàn)圖1。

圖1 QV（t），QN（t）與光的關(guān)系

熱量表的微處理器在數據處理過(guò)程中，把這三個(gè)量作為一組對應量，同時(shí)儲存于存儲器中。這樣的數據處理方法是至關(guān)重要的，為通過(guò)通訊方式與外部計算機設備進(jìn)行數據交換，實(shí)現非同步計量檢測做好基礎。

2 標準裝置提供標準流量和熱量的過(guò)程

以穩定流動(dòng)下的換流法為例來(lái)闡述計量標準裝置提供標準流量和熱量的過(guò)程，可以用圖2來(lái)表示測量過(guò)程。

圖2 測量過(guò)程

計量標準裝置包括流量測量系統和溫度測量系統，由計算機控制全部測量過(guò)程，過(guò)程描述如下。

當控制系統向計量標準裝置發(fā)出檢測開(kāi)始的指令，流量換向機構接收到換向指令，在外力推動(dòng)下將流量切換到計量容器。當換向機構運動(dòng)至行程中點(diǎn)時(shí)，會(huì )觸發(fā)產(chǎn)生計量開(kāi)始脈沖信號，表示標準裝置開(kāi)始處于計量狀態(tài)；直至可以預期的時(shí)間后，控制系統發(fā)出結束檢測指令，換向機構再次接收到換向指令，在外力推動(dòng)下，流量切換出計量容器。同樣，當換向機構運動(dòng)到行程中點(diǎn)時(shí)，會(huì )觸發(fā)產(chǎn)生計量結束脈沖信號，表示標準裝置結束了計量狀態(tài)。

控制系統在接收到計量開(kāi)始脈沖信號后，立即響應，開(kāi)始計時(shí)，直至再次接收到計量結束脈沖信號，停止計時(shí)，該時(shí)間段在圖2中表示為標準裝置時(shí)間ts。計量容器會(huì )記錄換向器自換入至換出期間流過(guò)被測儀表的流體量，以質(zhì)量流量表示，即圖2中Ms。

控制系統在檢測標準累積流量的同時(shí)，通過(guò)標準溫度計采集恒溫槽模擬的熱交換系統入口處和出口處溫度，查表得到載熱液體的比焓值差Δhs，則在ts時(shí)間里表示熱交換系統釋放的標準熱量為

Qhs=MsΔhs     （5）

3 通訊模式下非同步計量檢測方法的實(shí)現

在同步計量方法下，控制系統接收到計量開(kāi)始脈沖信號時(shí)，不僅計時(shí)，而且接收被測儀表的脈沖信號，開(kāi)始計數，直到接收到計量結束脈沖信號，停止計時(shí)和計數。

在通訊模式下，控制系統通過(guò)通訊鏈路向被測儀表發(fā)出檢測開(kāi)始指令，被測儀表接收到指令，然后按指令傳送數據，這個(gè)過(guò)程往往會(huì )有不同程度的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間從幾十毫秒到幾秒不等，且不可預計，在有限的檢測總時(shí)間里延時(shí)還未達到可接受的同步程度。

熱量表內部數據處理時(shí)，按程序預定時(shí)間完成累積流量和熱量的計算，并連同時(shí)間參數一起將這組數據存入內部存儲器，這一過(guò)程非�？�，大概只有幾微秒到幾十微秒的時(shí)間，與幾十秒的總檢測時(shí)間相比就可以忽略不計。

檢測開(kāi)始后，熱量表將存儲器中已記錄的當前的一組累積流量、熱量和時(shí)間數據通過(guò)通訊鏈路上傳到計量標準裝置控制系統。同樣，當熱量表接收到檢測結束指令后，又將一組已更新的累積流量、熱量和時(shí)間數據上傳到控制系統。

現定義檢測開(kāi)始時(shí)的這一組數據分別為初始時(shí)間t1，初始累積流量QV1，初始熱量Qh1，檢測結束時(shí)的一組數據分別為終止時(shí)間t2，終止累積流量QV2，終止熱量Qh2。標準裝置在ts時(shí)間內記錄的累積質(zhì)量流量為Ms，熱量為Qhs。由于t2－t1通常不等于ts，這樣的檢測過(guò)程是不滿(mǎn)足同步計量的原則，故稱(chēng)之為非同步。

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，檢測是在近似穩定條件下進(jìn)行的。雖然得不到完全理想的穩定條件，但當t2－t1與ts大致相當時(shí)，則近似穩定條件對測量結果的影響可以忽略不計。

現將流量的誤差表示為E1，熱量的誤差表示為E2，因t2－t1與ts不相等，故須歸一化處理，換算成單位時(shí)間的量，再進(jìn)行誤差計算。

流量誤差計算公式的簡(jiǎn)化式為

    （6）

式中：為流過(guò)被測儀表處流體的平均密度，通過(guò)測量被測儀表處流體平均溫度后查表得到。

熱量誤差計算公式的簡(jiǎn)化式為

    （7）

4 實(shí)驗驗證

為驗證非同步計量檢測方法的有效性，按上述要求設計了熱量表的軟件，并設計了一套DN80～DN200質(zhì)量法熱水流量標準裝置，配備恒溫槽和二等標準鉑電阻溫度計，具備流量和熱量檢測功能，能夠按式（7）和式（9）分別計算流量誤差和熱量誤差。

實(shí)驗裝置完成后對DN80～DN200的各種規格熱量表進(jìn)行了實(shí)驗驗證，現摘錄一臺DN150超聲波熱量表的流量和熱量實(shí)驗數據為例來(lái)說(shuō)明。流量、熱量的實(shí)驗結果分別見(jiàn)表1、表2。

表1 DN150熱量表流量實(shí)驗數據

表2 DN150熱量表熱量實(shí)驗數據

實(shí)驗表明，在通訊模式下的非同步計量檢測方法是完全可行且有效的。

在穩定流動(dòng)條件下，熱量表處于較理想的工作狀態(tài)，外來(lái)干擾少，表現的是固有特性，提高了測量結果的可信度。

與啟停法相比，穩定流動(dòng)下的換流也提高了檢測效率。以本試驗為例，間歇采樣的時(shí)間間隔Δt為1s，若采用啟停法，則啟與停至少存在2s的狀態(tài)不確定性。為使2s內所引入的誤差可以忽略不計，則與總檢測時(shí)間之比應小于被測儀表最大允許誤差絕對值的1/3。對于2級熱量表，流量的最大允許誤差為±2%，則總檢測時(shí)間至少應為300s，而本試驗中最長(cháng)時(shí)間約為135s，最短時(shí)間約為90s，二者相比效率提高明顯。

為進(jìn)一步與啟停法進(jìn)行比較，在裝置的DN80管道基礎上，加裝DN50直管段，并用一臺DN50超聲波熱量表作為比對樣品，在過(guò)載流量qs=30m³/h點(diǎn)，分別在另一臺啟停法裝置和本裝置上進(jìn)行比對，比對結果見(jiàn)表3。

表3 DN50熱量表流量比對實(shí)驗數據

比對結果表明，二者的數據有差異，但仍在可接受的范圍。這種差異可能一部分來(lái)源于裝置之間的系統差，一部分來(lái)源于方法之間的差異，還可能與低功耗儀表間歇采樣的工作特性有關(guān)。間歇采樣的儀表，在啟停法的啟動(dòng)與停止兩個(gè)流量變化區域，有較大的概率處于測不準狀態(tài)，可能會(huì )對測量結果帶來(lái)很大影響，這種影響還需要進(jìn)一步分析研究。

5 改善測量結果不確定度的關(guān)注點(diǎn)

測量數學(xué)模型的每一個(gè)參數都對測量結果的不確定度產(chǎn)生影響，常規參數的影響及其分析方法已見(jiàn)諸于各類(lèi)文獻，故不再贅述，本文主要關(guān)注熱量表自身對時(shí)間測量的影響。

由于被測儀表和標準裝置各自獨立測量時(shí)間，有可能存在系統偏差。標準裝置的時(shí)間測量系統能夠得到很好的校準，其測量結果足以得到保證。熱量表的時(shí)間測量取決于其所采用的晶振和電路設計。熱量表所采用的晶振有必要經(jīng)過(guò)嚴格的選型和晶振頻率標定，如果晶振頻率存在較大的偏差，則還有必要通過(guò)軟件進(jìn)行修正，以使時(shí)間測量足夠精確�，F有條件下，通過(guò)選擇合適的晶振和良好的電路設計，完全能夠使時(shí)間測量誤差優(yōu)于10^-4，則由此引入的測量不確定度可以忽略不計。

軟件設計是否合理對決定通訊模式下非同步計量檢測方法能否成功應用起到至關(guān)重要的影響。熱量表的微處理芯片在低功耗條件下運行速度會(huì )受到制約，為得到時(shí)刻t、累積流量QV(t)和熱量Qh(t)盡可能理想的對應關(guān)系，軟件設計要求高效、流暢，要妥善處理各種指令的優(yōu)先順序。

6 結束語(yǔ)

采用通訊模式對熱量表進(jìn)行計量檢測，是儀表智能化和物聯(lián)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本文以熱量表為應用示例，提出方法模型，并經(jīng)過(guò)必要的實(shí)驗驗證。分析表明，此方法也同樣適用于其它各種電子類(lèi)流量計�？梢灶A期，未來(lái)隨著(zhù)微處理芯片和物聯(lián)專(zhuān)用芯片技術(shù)的發(fā)展，基于通訊模式的計量檢測方法將得到進(jìn)一步的發(fā)展和應用。