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供暖計量裝置的技術(shù)研究
發(fā)布時間：2017-09-01
計量要求日見明顯。室內(nèi)溫度過高，造成室內(nèi)外溫差過大，身體不適，易患感冒；室內(nèi)溫度達不到供熱要求，百姓浪費了供熱費用。如果能在達到供熱要求條件下計量，根據(jù)個人適應(yīng)溫度進行調(diào)節(jié)，既可減少能源浪費，又可節(jié)省供熱費用。為此需要設(shè)計一種“供暖計量裝置”。
在研制供暖計量裝置自動檢測計量系統(tǒng)時，由于溫度、流量均為非電量信號；供熱規(guī)定要求回水溫度高于＋15℃，在回水溫度高于＋15℃時累積計量流量，回水溫度低于＋15℃時不計量流量。因此必須先把這些非電量信號變換成電信號，然后通過電子測量，再經(jīng)儀表的信號轉(zhuǎn)換，由自動控制器進行控制、顯示及累積計量。為保證系統(tǒng)測量精度，在信號的采集、變換、放大和傳輸過程中，必須線性好，轉(zhuǎn)換可靠，不失真，并有較強的抗干擾能力。
溫度、流量自動檢測
溫度自動檢測系統(tǒng)借助于溫度傳感器，流量自動檢測系統(tǒng)借助于流量傳感器。系統(tǒng)以程序控制器為核心，配置溫度與流量傳感器、外圍接口電路，由程序控制器檢測溫度傳感器的信號(檢測供暖系統(tǒng)回水管路中回水的溫度高于＋15℃溫度時的信號)，完成實時數(shù)據(jù)采集和開關(guān)量處理，并根據(jù)采集的信號來控制流量累積計量設(shè)備的運轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。
測量溫度、流量時，溫度、流量傳感器把溫度、流量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，為與可編程序控制器連接，測量的電信號應(yīng)轉(zhuǎn)化為標準信號0～5 V或0～10 mA。溫度輸出信號通過中間繼電器控制流量累積計量儀表的運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)根據(jù)測量的溫度值，確定是否開啟或關(guān)閉回水系統(tǒng)閘門，避免室內(nèi)溫度過高。例如，當回水溫度值高于＋15℃時，通過中間繼電器控制流量累積計量儀表的運轉(zhuǎn)；當回水溫度值低于＋15℃時，通過中間繼電器控制流量累積計量儀表的不運轉(zhuǎn)。當回水溫度高于人體溫度＋36℃時，通過中間繼電器控制回水系統(tǒng)閘門關(guān)閉。
溫度、流量傳感器及變送系統(tǒng)
1.溫度傳感器及變送系統(tǒng)
測量溫度的傳感器很多，本文用熱電阻傳感器。由于在不同溫度下，鉑絲的電阻隨之變化，溫度和電阻關(guān)系接近線性，性能穩(wěn)定，使用溫度范圍寬(－200～＋960)℃，加工容易等特點。鉑絲隨著環(huán)境溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增大。
熱電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系為
Rt＝R0(1＋K1t＋K2t2＋K3t3＋K4t4)
式中 R0――熱電阻在0℃時的電阻值
K1、K2、K3、K4――溫度系數(shù)
目前我國全面施行“1990國際溫標”，按照ITS－90標準，國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用鉑電阻在0℃時的R0值有100～1 000Ω等幾種。
為了保證溫度傳感器工作的可靠性與精確度，可采用以下方法：
1) 可選用測溫電阻大于1 kΩ或高于幾千歐的鉑電阻，這樣不易受接線電阻的影響，測量點與變送單元之間的距離適當拉長。
2) 消除傳感器的偏壓成分。
2.流量傳感器及變送系統(tǒng)
流量傳感器是根據(jù)力的平衡原理工作的，將被測參數(shù)通過測量元件轉(zhuǎn)化為測量力。通過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大器、開方運算器將測量的電信號轉(zhuǎn)化為標準信號0～5 V或0～10 mA直流輸出。
本裝置分為差壓測量部分和力傳遞系統(tǒng)，如圖3所示。
(1) 差壓測量部分及力傳遞系統(tǒng)
測量部分是將流體流動的壓差轉(zhuǎn)換成為作用力，通過連接簧片2作用于主杠桿4上。該力使主杠桿以軸封膜片3為支點產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)位移，該位移經(jīng)過矢量機構(gòu)6傳遞給副杠桿12，使固定于副杠桿上的檢測板9產(chǎn)生位移。此時差動變壓器11的平衡電壓產(chǎn)生變化，產(chǎn)生電信號。
機構(gòu)中主杠桿以軸封膜片為彈性支點，副杠桿以十字簧片為彈性支點，主杠桿與副杠桿之間以矢量機構(gòu)作為聯(lián)系，用于傳遞力和位移。從主杠桿來的水平力F1由矢量機構(gòu)分解成兩個力F2、F3；其中分力F3與矢量板同方向，被矢量板平衡掉，對副杠桿不起作用，分力F2作用于副杠桿上，F(xiàn)2＝F1tgnα，改變矢量機構(gòu)的角度α，可以改變作用于副杠桿上的力，因此就可以改變測量的量程。
(2) 磁電系統(tǒng)及低頻流量放大器
由于流體的流動產(chǎn)生了作用于檢測板上的力，經(jīng)過矢量機構(gòu)傳遞給副杠桿，使固定于副杠桿上的檢測板產(chǎn)生位移，此時差動變壓器11的平衡電壓產(chǎn)生變化，此變化由放大器10轉(zhuǎn)換成0～10 mA直流電流輸出，同時該電流經(jīng)過處于永久磁場中的反饋線圈13，線圈中流出的電流就與被測壓差的平方根成正比，開方器的輸出電流也就是變壓器的輸出電流，它直接與流量成正比。
低頻流量放大器將級微小的位移信號(幾個微米)檢測并放大成為0～10 mA直流信號，經(jīng)過開方器，使儀表輸出0～10 mA直流統(tǒng)一信號。限于篇幅，放大器原理略去不述。
計算方法
流量計實質(zhì)上是管道內(nèi)流體流動的壓力差作用于壓差膜合表面而產(chǎn)生的力。流體流動的速度ν與管道內(nèi)出口處存在額外壓力的關(guān)系為
ν＝ψ(2P0／γ)1／2
管道中的容積流量為Q＝Aανε；則作用于壓差膜合表面的力F與流體流動的速度ν的關(guān)系為
F＝P0At＝ν2πd2γ／8ψ2
式中 ψ――管道摩擦因數(shù)
ε――管口收縮系數(shù)
g――重力加速度，9.806 m／s2
γ――使用狀態(tài)下流體的重度，kg／m3
At――壓差膜合的面積，At＝πd2／4
Aα――管道過流面積，Aα＝πD2／4
根據(jù)上面公式可以推導出
Q＝ψ(π／2)1／2D2／d(F／γ)1／2
體積流量一般是標準狀態(tài)下的體積流量
Qn＝εψ(π／2)1／2D2／dγ20(F／γ)1／2
式中Qn――標準狀態(tài)下的體積流量，m3／h
γ20――標準狀態(tài)下的流體密度，kg／m3
上面的計算及分析證明，該儀表是可行的。在今后的發(fā)展中將在下面問題上有所突破：①實現(xiàn)智能控制：回水溫度過高，由控制器切斷供水回路并能延時起動。②實現(xiàn)熱功計量：即單位時間內(nèi)流體攜帶熱量的計量。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
