高明  卜占成  劉辰魁  宋榮榮（róng）

本文為第一屆《中（zhōng）國計量》中青年優秀科技論文獎二等獎獲獎文章之一

　　根（gēn）據JJG225-2001《熱能表》檢定規程的規定（dìng），對熱能表的檢定方（fāng）法主要有3種:總量檢定法、分量檢定法和分量組（zǔ）合檢定法。熱能表的檢定條件:通過恒溫槽調節溫差溫度來模擬溫場條件，將控溫水（shuǐ）箱加熱（rè）至(50±5)℃，模擬流量測量條件，不同流量點下對熱能表進行計量檢定。流量傳（chuán）感器的檢定以電子天平（píng）稱量（liàng）換算的體積(或標準表測量體積)與流經熱能表流量傳（chuán）感器的體積進行比較，求出（chū）流量傳感器的（de）誤差。配（pèi）對溫度傳感器以二等（děng）標（biāo）準鉑電阻溫度計作為標準與被（bèi）檢熱能表溫度（dù）傳感器進行示值比較計（jì）算誤差。計算器的（de）檢定（dìng）以標準信號發生器和電阻箱作為模（mó）擬信號（hào），按理論公式計算出的實際熱量值與被檢表計算器顯示值進行比較計算誤差，最後，按3項誤差絕對值的算（suàn）術和確定。

　　現行熱能（néng）表檢定裝置在不斷（duàn）推進（jìn）供熱計量過程中發揮了（le）重要作用，最大限度地保證了熱能表（biǎo）的計量性能。目前，熱能表的檢定（dìng）手段大同小異，設備原理（lǐ）基本（běn）一致，筆者在實際檢定（dìng）中匯總了一係列共（gòng）性的問（wèn）題，這些問題影響著熱能表（biǎo）檢定（dìng）質量，有的已成為（wéi）工作中不可忽視的問（wèn）題。    

　　一、現有熱能（néng）表檢定裝置存在的問題及分析

　　1.恒溫槽模擬介（jiè）質溫度（dù）影響檢定質量
　　當我們對熱能（néng）表進行總量（liàng）或分量檢定時，通常根據配對（duì）溫度傳感器兩個溫度探頭的不同特性，將（jiāng）其分別放在溫度不同的兩個恒溫槽內，采集計算熱量時所需的溫差值（zhí），由安裝在管路上的流量傳感器（qì）測得流量值，最終由計算器算得流經熱能表（biǎo）的熱量。實際檢定時，配對溫度傳感器並不反映流體介質（zhì）的真實溫度（dù），而當熱能表用於用（yòng）戶時，配對溫度傳感（gǎn）器測得的是實際流體溫度。通過（guò）我們（men）對大量不同廠家、不同類型（xíng）的熱能表進行檢定，發現這種檢定方法對檢定結果有一（yī）定的影響。這種差異對機械葉輪式熱能表的影響相對較小，對於逐漸推廣普及的帶有溫度修正的超聲熱能表影響明顯，主要表現為如下幾種情況:

　　 (1)超聲熱（rè）能表主要采用傳播速（sù）度差法(即時差測量法)，從兩個超聲發射器發出兩（liǎng）束超聲波脈衝（chōng），各自到達下、上遊的兩個接收器，超聲波在流體中（zhōng）傳播時，將載上流體流速（sù）的信息，順流和逆（nì）流的傳播速度由於疊加了流（liú）體（tǐ）流（liú）速而不（bú）相（xiàng）同（tóng），利用時差檢測出被測流體的（de）流（liú）速，再換算成流（liú）量。基於超聲熱（rè）能表的測流原理及流量計算公式如下（xià）:
    
    式中:L——超聲換能發射器與接（jiē）收器之間（jiān）的距離，m；t₁——超聲波順流傳播（bō）時間，s；t₂——超聲波逆流傳播時（shí）間，s；c——流體靜止時的聲速，m/s；v——流體（tǐ）的平（píng）均流速，m/s；S——管路（lù）的橫截麵積，m²；q——流體的瞬時體積流量，m³/s。
    聲速c與流體溫度（dù）有關，根據（jù）有關資料，水（shuǐ）溫（wēn）對聲（shēng）速的影響較顯著，聲音的傳播速（sù）度與水的溫度存在以下函數關係:
    c=1449.2+4.6T-0.055T₂+0.00029T₃+(1.34-0.010T)×(S-35)+0.016D
    式中（zhōng）: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。
    基於熱能表的檢定（dìng）條件，在不考慮鹽度、水深的情況下，水溫與聲速的關係近似為:
    c=1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³
    從上式不難看（kàn）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或回鳴技術，國內外一（yī）些高性能熱能表還采用了通過溫（wēn）度傳感器測得的溫度由計算電路對聲速及幾何尺寸等參數（shù）進行修正的補償技術。顯而易見，當熱（rè）能表溫（wēn）度傳（chuán）感器測得的溫（wēn）度與流量傳感器接觸的溫度差異較大時，計算（suàn）器對（duì）聲速的修正不夠準確，從而導（dǎo）致（zhì）對流量的修正不夠準確。此外，超聲（shēng）波（bō）熱能表的溫度測（cè）量範圍、流（liú）量測量（liàng）範圍較寬，使得這種影響比較顯（xiǎn）著，尤其是小流量的測量。
    例如，當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，可根據以下公式分別計算聲速:
    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（chuán）播的速度很快，用熱能（néng）表計量熱（rè）量時（shí），順流與逆流的時間差很微小，忽略因水溫差異引起的時間差(Δt₆₀≈Δt₄₀)，計算溫（wēn）度差異引起聲（shēng）速差異進而導致瞬時（shí）體積流量的誤差δ_q為
    
    (2)當用稱重法進行熱量（liàng）檢定時，流體的密度準確與否至關（guān）重要。介質溫度不同，密度自然也不同，超聲熱能表的計算器對（duì）流體的密度根據溫度傳感器測（cè）得（dé）的溫度進行補償修正，當溫度傳感器測得的溫度（dù）(默認為（wéi）介質溫度（dù）)與（yǔ）流量傳感器接觸的溫度（dù）(實際介質溫度)不同時（shí），計算（suàn）器對密度（dù）值沒有進行正確的修正補償。溫度對密度的影響如（rú）下:
    壓力不變時，液體密度計算（suàn）式為
    ρ=ρ₂₀〔1-μ(T-20)〕
    式（shì）中:ρ——溫度為T℃時水的密度，kg/m³；ρ₂₀——20℃時水的密度，kg/m³；μ——水的體積膨脹係（xì）數，1/℃；T——水的（de）溫度，℃。
    水的溫度（dù）不同，密度（dù）也（yě）不一樣，如果沒有采用正確的密度進（jìn）行計算，就會（huì）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（guǎn）路實際水溫為40℃，模擬溫場水溫為60℃，則密度的誤（wù）差δ_ρ為
    
    JJG225-2001中熱量的計（jì）算公式為
    
    式中:Q——介質釋放的熱量，kJ；q_m——流經熱能表的（de）載熱液體的瞬時質量流量，kg/s；Δh——熱交換回路中入口（kǒu）溫度與出口溫度對應的載熱液體的（de）比焓值差，kJ/kg；t——時間，s。

　　當管路水溫為40℃、模擬（nǐ）溫場水（shuǐ）溫為60℃時（shí），采用稱重法對熱能表進行（háng）檢定，默認標（biāo）準電子天（tiān）平（píng）的稱（chēng）量值近似等於流量傳感器以水溫40℃修正測得的體（tǐ）積流量與40℃水的（de）密（mì）度的（de）乘積，由於檢定裝置與被檢表采集的溫（wēn）差均（jun1）來（lái）自同（tóng）一恒溫槽，對應的焓（hán）值差Δh引起的誤差可忽略不計(Δh_標≈Δh_示)，對熱（rè）能表采取總量檢定法時，因恒溫槽模擬介質溫（wēn）度引起的誤差δ_Q為
    
    2.管路中存在的氣體對熱（rè）能表檢定質量的（de）影響
    在檢定工作中，管路中除了熱（rè）介質水還經常伴隨著一定（dìng）量的氣體，這些氣體的產生比較複雜，首先，無論（lùn）是氣加熱還是電加熱都會產生一定量的氣體。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（wān）頭、死角易導致窩氣現象。如果在檢定前沒有處理（lǐ）好源頭的氣體，不能夠很好地進行排氣，這些因素對熱能表（biǎo）的計量檢定均會產（chǎn）生影響（xiǎng），既對熱能（néng）表自身熱計量有影響，又對檢（jiǎn）定（dìng）裝置（zhì）標準數據的采集有影響。管路中存在的氣體對檢（jiǎn）定質量的影響如下:

　　(1)聲速c不但與流體溫度相（xiàng）關，而且還與流體成分有關，聲音在不（bú）同介質中傳播（bō）速度不同〔(真空0m/s、空氣(25℃)346m/s、水(常溫)1500m/s)〕。另（lìng）外，如（rú）果是非單（dān）相流體，當超聲波遇到雜質（zhì）時（shí），分界麵會有顯著的反射，如當流體中有氣泡時，水與氣的（de）分界麵就會對超（chāo）聲信號產生反射，影響接收器的（de）正常接收，影響流體流量的測量，進而對熱能表的檢定結果產生影響。

　　(2)計算熱量（liàng）時，氣相存在對流體（tǐ）密度也會有影響，雖然經過了排氣，但氣體影響仍然存在，此時流體的密度是氣液混合物的密（mì）度（dù），這種情況會對計（jì）算熱量產生影響。

　　(3)上述兩項（xiàng）中談（tán）到的是氣體或氣泡均勻分（fèn）布在流體中的（de）情況。但（dàn）管路窩氣、被檢熱能表部件吸附現（xiàn）象則複雜、隱蔽，對熱能表檢定質量影響會更（gèng）嚴重，雖然不易定量分析，但可以從檢定結果的比較中得到說明。在幾次對批量熱能表進行檢定時，發現大（dà）部分（fèn）熱能表的誤差均在允許範圍之內且比較（jiào）穩定，但偶然（rán）會有一組全部超差。對這種（zhǒng）整組超差的現（xiàn）象，我們沒有貿然下結論（lùn），開始尋找原因。溫場是否有波動、穩壓罐是否壓力不穩的可能原因被排除之後，發現在開關閥門後，裝置（zhì）上（shàng）的視水管處有少量氣泡（pào）在遊動（dòng），而且，當短促開關（guān）閥門或管路上有震動時，氣泡會趨於密集（jí），經過使（shǐ）管路中的水充分流通和局部振蕩法排氣直到水流（liú）單（dān）相穩定後，再重新檢定這組熱能表，結論（lùn）與先前幾組（zǔ）基本一致。究（jiū）其原（yuán）因，在重新（xīn）安裝這組表後，由於裝（zhuāng）置管路的彎頭（tóu）、閥門放空作用以及新裝熱能表對（duì）氣泡有較（jiào）強的吸附力，盡管（guǎn）操作方法（fǎ）正確，通過排氣（qì）閥（fá）進行了消氣泡處理並通（tōng）水循環，排除了大量氣泡，但有時不（bú）能夠將彎頭、閥門窩（wō）氣以及（jí）熱能表內的吸附氣體排走，影響熱能表正常工作，最終影響了（le）熱能表的檢定質量。

　　3.加熱水箱容積（jī）影（yǐng）響檢定的因素考慮
　　在熱能表檢定裝置中，加熱水箱作為介質熱源的提供者，對（duì）它的設計是否合理會影響到整個檢定效果。目前，所用的（de）熱能表檢定裝（zhuāng）置通常設置一（yī）個水箱，有的水（shuǐ）箱比較大，有的水箱較小。水箱較大時，介質（zhì）的熱穩定性（xìng）較好，氣泡擴散比較迅速，容易溢出，氣泡對檢定的影響較小，但是（shì）由於容量較大，介質升溫、降溫的時間較長，有時升（shēng）溫到50℃左右需要半天的時間，大量的時間花費在了（le）升、降溫度上；若（ruò）要調節介質（zhì）的不同溫度點後再進行檢定很不（bú）方便，僅僅適合規程規定的檢定方法(這種基於規（guī）程規定（dìng）的模擬溫場檢定方法，是通（tōng）過恒溫槽調節溫差（chà），在(50±5)℃的水溫，不同（tóng）流量點（diǎn）、不同溫差的條件下對熱能（néng）表進行計（jì）量（liàng）檢定)；當水箱較小時，升（shēng）溫、降溫比較迅速，提高了檢定的靈活性，適應了檢定過程中在多個溫度點計量熱量（liàng）的需要，改善（shàn）了檢定裝置的（de）技（jì）術性能，但其熱穩定性差，容積狹小，若設計不合理氣泡易帶入試（shì）驗管路，這種弊端對檢（jiǎn）定結果的影響比較顯著。

　　以（yǐ）上因素是影響熱能表檢定質量的主（zhǔ）要因素，當然，熱能表（biǎo）檢定裝置前（qián）後直（zhí）管段、管路（lù）熱水（shuǐ）結垢、閥門泄（xiè）漏、變頻影響等問題，仍然是檢定裝置不可忽（hū）視的問題；同時，裝置的正（zhèng）確使（shǐ）用和（hé）維護，也是（shì）保證檢定裝置處於良好性能必不可少的環（huán）節。    

　　二（èr）、熱能表檢定裝置改進及使用的幾點建議

　　1.針對水箱的問題，建（jiàn）議采用子母水箱的儲水裝置，設置一（yī）大一小兩個水箱，根據實際（jì）需要決定加熱哪一個水箱（xiāng），既提高了利用效（xiào）率，又節省了電能的消耗，同（tóng）時優化了檢定裝置，提高了檢定技術水平。

　　2.由於檢定用水中含（hán）有氣泡對檢定結果的影響比較（jiào）複雜，從（cóng）水箱到（dào）穩（wěn）壓罐再到被檢表，甚至管（guǎn）路上的方方麵（miàn）麵都可能存在氣泡，處理起來比較棘手，切實可行的措施是保證實（shí）驗段下遊背（bèi）壓的穩定，在易產生大量氣泡的位置後安裝集（jí）氣裝置和排氣閥，盡量保證試驗段流體始終為單相（xiàng）運行。

　　3.采用子母（mǔ）水（shuǐ）箱的（de）檢定裝置，基本可以解決現行（háng）方式下由於恒溫槽模擬介質溫度檢（jiǎn）定時帶來的影響。無論是對於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:對於受介質溫度影響小的熱（rè）能表，由於大水箱熱穩定性較好，檢定時可以采用（yòng）大水箱作為熱水源，當檢定受介質溫（wēn）度（dù）影響較大且需要（yào）變化管（guǎn）路中介質溫（wēn）度時（shí），就采用小水（shuǐ）箱作（zuò）為熱水源。若小（xiǎo）水箱（xiāng）控（kòng）溫好，便於調節，方便升、降溫，基（jī）本能夠保證管路（lù）水溫與恒溫槽水溫（wēn）的一致（zhì）性，這種情況下，介質溫度可以（yǐ）取（qǔ）代模擬溫場溫度，但還要保證介質溫度穩（wěn）定性應（yīng）與恒溫槽溫度穩定性相當，即可以將（jiāng）熱能表及標準器溫度傳感器探頭插入循環水（shuǐ）管路，直接測量水溫（wēn），對於（yú）進口(或出口)溫度傳感器與流（liú）量傳感器（qì）同體（tǐ）安裝型熱能（néng）表，且溫度（dù）傳感器的引線較短也能很好適應；對於（yú）控溫稍差的熱能表檢定裝置，仍（réng）采用模擬方式複現熱能表進、出口的溫度場，而熱能表實際流動介質溫度應調整至與某一進口(或出（chū）口)模擬溫場相一致。

　　4.檢定裝置改進完善後，整體性能得到了提高，但（dàn）各個環節的協調運作，以（yǐ）及能否很好（hǎo）地配合使（shǐ）用，也是值得注意的。從檢定方式角度看，要養成良好的習慣（guàn），每安裝一組被檢表後，首先要保證（zhèng）檢定（dìng）段（duàn）壓力（lì）的穩定（dìng）；其次在采（cǎi）集數（shù）據前，先大流量通水（shuǐ）運行一段時間，還需通過局部振蕩的（de）方法排除窩藏在管路彎頭、閥門和（hé）熱能表內的氣體。

　　為（wéi）了（le）保證檢定質量（liàng），還應在實際工作中重（chóng）視（shì）水質軟化、試驗直管段、閥門開度及膠墊突（tū）入（rù）流通截麵等（děng）因（yīn）素。
　　作（zuò）者（zhě）單位【高明  河北大學質量技術監督學院、卜占成  劉（liú）辰魁  宋榮榮  河北（běi）省計（jì）量監督檢測院】