熱量表的類型及技術(shù)性能比較

熱量表的類型及技術(shù)性能比較

1熱量表的應(yīng)用現(xiàn)狀1.1系統(tǒng)的基本工作原理如果水流通過系統(tǒng)，則根據(jù)流量傳感器提供的流量和對應(yīng)的溫度傳染源給出的流量和流量時間，并通過計算器計算并顯示系統(tǒng)釋放或吸收的熱能量。其基本公式如下:Q=∫τ1τ0τ0τ1qm×Δh×dτ=∫τ1τ0ρ×qv×Δh×dτ(1)式中:Q—系統(tǒng)釋放或吸收的熱量,J;qm—流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量,kg/h;qv—流經(jīng)熱量表的水的體積流量,m3/h;ρ—流經(jīng)熱量表的水的密度,kg/m3;Δh—在熱交換系統(tǒng)進口和出口溫度下水的焓值差,J/kg;τ—時間,h。從熱量表的工作原理可以看出熱量表主要分為三大部分:基表、溫度傳感器和積算器?；硎侵笇α髁窟M行計量,并將流量信息轉(zhuǎn)換為電信號的表具。溫度傳感器是指對熱交換系統(tǒng)的供回水的溫度進行測量的傳感器。積算器是按照式(1)對熱量進行積算并顯示的裝置。1.2基表流量信息采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀熱量表按照其基表計量方式的不同,可分為多流束、單流束、同軸式熱量表等。按照積算器與基表組成方式的不同可分為整體式和組合式。按照流量傳感器的不同可分為磁敏式和無磁式熱量表。按照熱傳遞的方向可分為熱量式和冷量式。熱量表按照基表、流量傳感器、積算器各組成部分實現(xiàn)其功能的方式不同,技術(shù)各有其優(yōu)點和缺點?；硎菍崿F(xiàn)對流量準(zhǔn)確計量的基礎(chǔ),因此基表在確保精確計量的同時,還要確?；碓趶?fù)雜工況下的耐磨、耐沖擊、防堵塞、抗干擾的能力。目前,用于熱水計量的表具主要采用機械式計量,依據(jù)計量結(jié)構(gòu)的不同,主要有多流束式、單流束式和同軸式三種,下面通過表1對三種基表的計量穩(wěn)定性、流通能力(防堵塞能力)、耐磨性能、成本四方面作一個簡單比較。從技術(shù)角度,基表品質(zhì)由高至低依次為多流束式、同軸式和單流束式,但各類型基表的技術(shù)性能之間并沒有較大的差異。從使用角度看,市場依據(jù)產(chǎn)品的性價比進行選擇,對于管道、水質(zhì)條件較好,性價比由高到低依次為單流束式、同軸式和多流束式。因此國外熱量表基表以同軸式和單流束式為主。國內(nèi)由于受管道、水質(zhì)等諸多條件限制,以多流束式基表居多,但隨著國內(nèi)管網(wǎng)條件的改善,單流束式基表正得到廣泛使用。由于熱量表是將所有信息進行數(shù)字化處理后進行積算并顯示熱值,所以,必需通過傳感器實現(xiàn)對基表流量信息的采集。目前,國內(nèi)外流量傳感器主要采用磁敏傳感器和無磁傳感器。磁敏傳感器主要采用韋根傳感器,它是基于韋根特效應(yīng)制成的零功耗磁敏傳感器,其工作原理為:當(dāng)兩塊磁場強度大小相等但極性相反的磁鐵在傳感器附近作周期性轉(zhuǎn)動時,會引起傳感器外殼和線芯之間的極性交替變化,磁場的改變產(chǎn)生電場,從而在線圈中產(chǎn)生相反方向的電壓脈沖輸出,因此韋根傳感器在一定磁場的作用下無需外加電源,就可以輸出幅度和寬度都恒定的電脈沖信號,并且脈沖的幅度在1V以上,這種特性使傳感器表具有高響應(yīng)頻率、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好和靜態(tài)下零功耗等優(yōu)點。采集到的脈沖經(jīng)過后續(xù)的放大、濾波、整形等處理,可實現(xiàn)在各種流量范圍內(nèi)的采集、運算。韋根傳感器作為磁敏傳感器,會受到外界強磁干擾,造成傳感器失效,同時由于水質(zhì)較差,會使水中雜質(zhì)吸附在磁極表面,從而造成磁極短路或強度衰減,造成基表運動元件停轉(zhuǎn)或傳感器失效。針對該問題,熱量表在使用中主要采用磁屏蔽和報警兩種方式進行主動式和被動式防磁處理。無磁傳感器由非磁性金屬(如:銅、鋁、錫、金、銀等)、振蕩器、放大器構(gòu)成。其工作原理為:當(dāng)非磁性金屬靠近檢測面時,電感線圈引起LC自由振蕩的衰減或頻率變化,經(jīng)差頻后產(chǎn)生一個信號,經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換成二進制信號,并進行計數(shù),從而可采集計量元件的流量信息。無磁傳感器由于在采集過程中沒有使用磁鋼,所以不存在磁敏傳感器的諸多問題,如磁鋼的溫度穩(wěn)定性問題、磁鋼吸附鐵磁性物質(zhì)造成磁力下降甚至造成計量元件(如葉輪)無法正常轉(zhuǎn)動、易受磁干擾問題等,另外,無磁傳感器也可實現(xiàn)高響應(yīng)頻率和低功耗的要求。雖然無磁傳感器具有十分突出的優(yōu)點,但由于受到現(xiàn)行工藝和技術(shù)的局限,在開發(fā)和應(yīng)用中也存在一定的問題。傳感器容易受到水中鐵屑沉積或非磁金屬表面邊界所形成的雜波影響,而造成計數(shù)不準(zhǔn)確,尤其在低速范圍內(nèi),因此,解決雜波影響是無磁傳感器在應(yīng)用和開發(fā)過程中必需加以解決的問題。另外,無磁傳感器雖然利用非磁激勵的方式獲得信號,理論上不受外磁干擾,但是,現(xiàn)行絕大多數(shù)該傳感器的電感線圈中有鐵芯,鐵芯易受外磁場的干擾而影響信號采集或無法正常工作,但是無鐵芯的電感線圈要能穩(wěn)定采集信號,必需加大線圈的體積或采用特殊材質(zhì),這在技術(shù)和成本上帶來較大難題,因此,開發(fā)穩(wěn)定可靠和適宜的無鐵芯的電感線圈無磁傳感器是今后開發(fā)和應(yīng)用中重點解決的問題。2通過完善的差式超聲波傳感器,使被測流體的流速與傳播速度相關(guān)性強,測量流量差目前使用最多的機械式計量機構(gòu),由于采用運動元件,并且結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜,在使用中不可避免的遇到磨損和防堵塞能力差的問題。因此采用非機械方式的計量原理是提升熱量表技術(shù)品質(zhì)的發(fā)展方向之一?；诔暡▊鞲屑夹g(shù)而發(fā)展起來的超聲波熱量表成為未來幾年熱量表開發(fā)的技術(shù)前沿。超聲波式熱量表是通過測量超聲波在熱水中傳播的時間差(聲波在流體中傳播,順流方向聲波傳播速度會增大,逆流方向則減小,同一傳播距離就有不同的傳播時間)。利用傳播速度之差與被測流體流速之關(guān)系求取流速從而推導(dǎo)出流量。由于其測量腔體內(nèi)部沒有任何運動部件,所以對介質(zhì)的成份或雜質(zhì)含量沒有嚴(yán)格的要求,不易堵塞。另外,較低的壓力損耗也有利于解決今后大規(guī)模使用戶用冷/熱能表而產(chǎn)生的水力平衡問題,同時在計量能力方面測量量程寬,計量精度高,超載能力強,而且具有卓越的穩(wěn)定性和持久性,總之,時差式的超聲波測量原理確保了超聲波熱量表具有機械式熱量表不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢,具有極大的推廣使用價值。雖然超聲波熱量表具有強大的技術(shù)優(yōu)勢,但現(xiàn)階段,在超聲波傳感器的開發(fā)和應(yīng)用中還存在技術(shù)瓶頸,換能器在規(guī)?；a(chǎn)中,成品率低,工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本過高,導(dǎo)致熱量表成本居高不下,尤其是戶用熱量表(DN15,DN20口徑)同大口徑熱量表相比(DN50以上)由于受傳感器安裝條件限制,產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜度高,在批量生產(chǎn)中合格率更低,這就造成熱量表市場銷售價格過高,嚴(yán)重制約了超聲波熱量表的推廣使用。但是,隨著換能器工藝技術(shù)水平日臻完善,熱量表專用芯片集成度的提高,超聲波熱量表將最終實現(xiàn)其“平民化”的發(fā)展要求。3難以克服的原因以多流束式、單流束式和同軸式結(jié)構(gòu)為主要代表的機械式熱量表無論采用何種傳感器采集流量信息,由于受到其計量方式的局限,雖然各