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供暖計(jì)量裝置的技術(shù)研究
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
計(jì)量要求日見(jiàn)明顯。室內(nèi)溫度過(guò)高，造成室內(nèi)外溫差過(guò)大，身體不適，易患感冒；室內(nèi)溫度達(dá)不到供熱要求，百姓浪費(fèi)了供熱費(fèi)用。如果能在達(dá)到供熱要求條件下計(jì)量，根據(jù)個(gè)人適應(yīng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，既可減少能源浪費(fèi)，又可節(jié)省供熱費(fèi)用。為此需要設(shè)計(jì)一種“供暖計(jì)量裝置”。
在研制供暖計(jì)量裝置自動(dòng)檢測(cè)計(jì)量系統(tǒng)時(shí)，由于溫度、流量均為非電量信號(hào)；供熱規(guī)定要求回水溫度高于＋15℃，在回水溫度高于＋15℃時(shí)累積計(jì)量流量，回水溫度低于＋15℃時(shí)不計(jì)量流量。因此必須先把這些非電量信號(hào)變換成電信號(hào)，然后通過(guò)電子測(cè)量，再經(jīng)儀表的信號(hào)轉(zhuǎn)換，由自動(dòng)控制器進(jìn)行控制、顯示及累積計(jì)量。為保證系統(tǒng)測(cè)量精度，在信號(hào)的采集、變換、放大和傳輸過(guò)程中，必須線性好，轉(zhuǎn)換可靠，不失真，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。
溫度、流量自動(dòng)檢測(cè)
溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)借助于溫度傳感器，流量自動(dòng)檢測(cè)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(cè)溫度傳感器的信號(hào)(檢測(cè)供暖系統(tǒng)回水管路中回水的溫度高于＋15℃溫度時(shí)的信號(hào))，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和開(kāi)關(guān)量處理，并根據(jù)采集的信號(hào)來(lái)控制流量累積計(jì)量設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。
測(cè)量溫度、流量時(shí)，溫度、流量傳感器把溫度、流量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚瑸榕c可編程序控制器連接，測(cè)量的電信號(hào)應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0～5 V或0～10 mA。溫度輸出信號(hào)通過(guò)中間繼電器控制流量累積計(jì)量?jī)x表的運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的溫度值，確定是否開(kāi)啟或關(guān)閉回水系統(tǒng)閘門，避免室內(nèi)溫度過(guò)高。例如，當(dāng)回水溫度值高于＋15℃時(shí)，通過(guò)中間繼電器控制流量累積計(jì)量?jī)x表的運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)回水溫度值低于＋15℃時(shí)，通過(guò)中間繼電器控制流量累積計(jì)量?jī)x表的不運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)回水溫度高于人體溫度＋36℃時(shí)，通過(guò)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(cè)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(diǎn)。鉑絲隨著環(huán)境溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)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(shí)的電阻值
K1、K2、K3、K4――溫度系數(shù)
目前我國(guó)全面施行“1990國(guó)際溫標(biāo)”，按照ITS－90標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻在0℃時(shí)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(cè)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(cè)量點(diǎn)與變送單元之間的距離適當(dāng)拉長(zhǎng)。
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(cè)參數(shù)通過(guò)測(cè)量元件轉(zhuǎn)化為測(cè)量力。通過(guò)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大器、開(kāi)方運(yùn)算器將測(cè)量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0～5 V或0～10 mA直流輸出。
本裝置分為差壓測(cè)量部分和力傳遞系統(tǒng)，如圖3所示。
(1) 差壓測(cè)量部分及力傳遞系統(tǒng)
測(cè)量部分是將流體流動(dòng)的壓差轉(zhuǎn)換成為作用力，通過(guò)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(diǎn)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)位移，該位移經(jīng)過(guò)矢量機(jī)構(gòu)6傳遞給副杠桿12，使固定于副杠桿上的檢測(cè)板9產(chǎn)生位移。此時(shí)差動(dòng)變壓器11的平衡電壓產(chǎn)生變化，產(chǎn)生電信號(hào)。
機(jī)構(gòu)中主杠桿以軸封膜片為彈性支點(diǎn)，副杠桿以十字簧片為彈性支點(diǎn)，主杠桿與副杠桿之間以矢量機(jī)構(gòu)作為聯(lián)系，用于傳遞力和位移。從主杠桿來(lái)的水平力F1由矢量機(jī)構(gòu)分解成兩個(gè)力F2、F3；其中分力F3與矢量板同方向，被矢量板平衡掉，對(duì)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(jī)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(cè)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(dòng)產(chǎn)生了作用于檢測(cè)板上的力，經(jīng)過(guò)矢量機(jī)構(gòu)傳遞給副杠桿，使固定于副杠桿上的檢測(cè)板產(chǎn)生位移，此時(shí)差動(dòng)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(shí)該電流經(jīng)過(guò)處于永久磁場(chǎng)中的反饋線圈13，線圈中流出的電流就與被測(cè)壓差的平方根成正比，開(kāi)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(jí)微小的位移信號(hào)(幾個(gè)微米)檢測(cè)并放大成為0～10 mA直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)開(kāi)方器，使儀表輸出0～10 mA直流統(tǒng)一信號(hào)。限于篇幅，放大器原理略去不述。
計(jì)算方法
流量計(jì)實(shí)質(zhì)上是管道內(nèi)流體流動(dòng)的壓力差作用于壓差膜合表面而產(chǎn)生的力。流體流動(dòng)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(dòng)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(guò)流面積，Aα＝πD2／4
根據(jù)上面公式可以推導(dǎo)出
Q＝ψ(π／2)1／2D2／d(F／γ)1／2
體積流量一般是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量
Qn＝εψ(π／2)1／2D2／dγ20(F／γ)1／2
式中Qn――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3／h
γ20――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流體密度，kg／m3
上面的計(jì)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(wèn)題上有所突破：①實(shí)現(xiàn)智能控制：回水溫度過(guò)高，由控制器切斷供水回路并能延時(shí)起動(dòng)。②實(shí)現(xiàn)熱功計(jì)量：即單位時(shí)間內(nèi)流體攜帶熱量的計(jì)量。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
