热能表是近几年发展起来的新型计量仪器,由于城市建设对它的迫切需求和广阔的市场前景,使得它在几年内得以迅猛发展。
中国计量科学研究院立项建立热能表检定装置,主要目的是统一全国热能表的热量量值。热能表国家计量检定规程的正式颁布与实施和国内省市一级的热能表检定装置的建成,为热能表的出厂检定和样机鉴定提供了法律依据和技术保障,为热能表的研制和技术水平的提高提供了有力的技术支持。但国内目前对热能表检定装置的研究还不多,相关的国家计量检定规程或标准规范尚未出台,不同单位建立的热能表检定装置的原理和检定方法也不尽相同,因此,国家级热能表检定装置的建立,为今后国内热能表检定装置在热量方面的量值统一创造了条件。
1 热能表检定装置的结构与标准
1. 1 装置的结构
该装置由控温箱、水泵、缓冲罐、管路系统、称重系统、恒温槽、控制系统、数据采集系统和计算机组成。其工艺流程示意图如图1所示。
控温箱是用于对水进行加热和冷却的重要设备,设计容积2。内部通道设计有自循环,采用2个电机带动2个叶轮式搅拌器,搅拌器上方装有冷却管和加热器。在控温箱的一侧装有2台并联水泵,其中一台水泵用变频器控制。经过水泵的水,再经过缓冲罐后,流向标准表区、调节阀区,在调节阀的下游,有2个分支, 1路通往被检表区后返回控温箱; 1路通往称重区,经过换向器或旁通管返回控温箱。标准表区采用4个口径不同的电磁流量计,被检表区最大口径为50mm,通过不同的变接头,还可以安装DN40、DN25、DN20、DN15等口径的热能表。在被检表的下游,装有夹表器和视窗。
称重区设计有3个台位, 3台电子秤的最大称量能力为600kg、30kg、6kg,秤的准确度分别为1/30000、1/30000、1/60000。
热能表检定装置在控制上要考虑的因素非常多。在过程信号处理与设置方面,要考虑标准表与被检表的脉冲或模拟信号、电子秤的标准信号等、要考虑管路与试验信号;在热能表检定装置的过程实现方面,要考虑各个设备的接电连接、设备或仪器与计算机的通讯连接等、还要考虑控温箱的温度与液位控制。
数据采集系统所采集的信号也很多,有恒温槽内的二等标准铂电阻温度计信号、在管路各个部位的温度传感器信号、测量压损的差压变送器信号、控温箱内的温度和液位计信号、标准表的脉冲信号、摄像信号、计时信号及电子称的称重值信号等。这些信号均被采集到控制台或计算机,采集到控制台的信号显示后再传输到计算机中。
1·2 装置的标准
整套装置采用原始法和标准表法结合的方式,这样即方便量值溯源,又可以提高检定效率。
1·2. 1 原始法标准
原始法标准采用静态质量法,流量范围是(0. 002~36)/h,分为大中小3个台位。
原始法标准用于对安装在标准表区的电磁流量计进行量值传递。如图1所示,打开阀1,关闭阀2,根据被检电磁流量计的流量选择换向器台位,并打开/关闭相应阀门,将流量调节到所需流量点之后,平稳运行一段时间,然后切换换向器,使水流从旁通管切换到称重容器中,同时开始计时和记录电磁流量计的脉冲数,待称重值达到预定值时,再次切换换向器,使水流从称重容器切换到旁通管中,同时停止计时和记录电磁流量计的脉冲数,在试验过程中,应记录管路中的水温,经过计算,可以得到电磁流量计的仪表系数。
1·2. 2 标准表法标准
采用4台口径大小不同的电磁流量计作为标准表,其流量范围为(0. 015~36)/h。
标准表法标准用于向被检热能表进行量值传递。被检表管路只有1根,可以用变接头安装DN15~DN50范围内各种口径的热能表; 4台标准表是并联排列的,其各自的流量范围互相之间是有交叉的,为了发挥电磁流量计的最佳性能,应尽量避免在低流速下使用电磁流量计。如图1所示,打开阀2,关闭阀1,根据被检热能表的流量选择标准表,并打开/关闭相应阀门,将流量调节到所需流量点之后,平稳运行一段时间,然后开始计量,计量时要保证标准表与被检表的同步。
2 热能表检定装置的特点
2·1 测量范围宽
装置的口径测量范围覆盖了DN15~DN50,参考了国内外热能表厂家的样本,最终确定并实现了(0. 015~36)/h的流量范围,可以解决目前市场上所有热能表的流量检定需求。
2·2 控温性能好
以热水为介质的流量标准装置,要对水进行加热、制冷,因此,对温度进行有效的控制并采取合理的保温措施,是确保装置能够正常运行的必要条件。加热制冷的关键部分在控温箱,控温箱内装有2组冷却管和3组加热器,在加热制冷的过程中,箱内的搅拌器强制箱内的水循环流动,通过箱内温度传感器的反馈温度,由控温器将控温箱中的水温稳定到设定温度,控温范围为(10~85)℃。在结构设计时,要同时考虑在初调温度时仅在控温箱内的小循环和试验时整个系统的大循环两种情况,因此在控温箱底部和水泵口处各设计了两个夹层。
整个系统除了要控温之外,还需要采取有效的保温措施。对于控温箱,在外层设计了夹层,内填聚氨酯,实际使用表明,保温效果非常好;对于称量容器,采用了发泡的方法,外包玻璃钢,这样既美观又比其它方法减轻了重量;对于管路系统,考虑到形状的复杂多样,用聚氨酯和橡塑海绵两种保温材料进行外包,凡是不影响操作使用的露热环节都进行了包裹。
2·3 控制系统安全可靠
热能表检定装置的线路连接主要指各个设备的接电连接、设备或仪器与计算机的通讯连接等。为保证试验过程中设备的安全,在直接接电的仪表或设备上都安装有保护开关,其他一些通讯的设备,一般都先接线进入控制台的接线端子,然后通过端子与计算机或其它设备相连接。这样可以保证设备的安全,且如果出现问题可以及时查找,迅速解决。
控温箱是控制系统的关键部分。需要控制的有加热、制冷和液位。在控制台面板通过SR83温度控制器来完成控温箱内温度的加热或制冷,并设定SR83温度控制器和SR93液位计的多路报警器件,以避免出现干烧或过热等现象,来保证设备或仪表不受损坏和试验的安全可靠。
2·4 数据采集准确方便
热能表检定装置需要进入计算机进行采集和显示的数据较多,通讯接口都采用RS232的通用接口。所需采集的信号有:电磁流量计的脉冲和模拟信号、电子秤的RS232标准信号、管路温度计和控温箱温度计的电阻信号、计时信号、被检热能表的摄像信号等。
3 装置的主要试验内容
3·1 换向器试验
换向器有三个台位,每个台位要分别改变温度和流量参数进行试验,温度选择常温、50℃、85℃三个温度点;流量选择最小流量、常用流量、最大流量三个流量点。这样每个台位要分别做9组试验,取9组中最大值作为该台位的最终结果。
3·2 电子秤试验
按照JJG164-2000液体流量标准装置国家计量检定规程的要求进行试验,按三个台位分别进行。
4 装置的不确定度分析
4·1 数学模型
根据JJG225-2001热能表国家检定规程,热量的计算有两种方法:k系数法和焓差法。本课题用的是静态质量法作为流量的标准,因此选用焓差法来计算热量。焓差法的计算公式如下:
式中,Q为释放的热量, kJ;qm为流经热能表中载热液体的质量流量, kg/s;Δh为热交换回路中入口温度与出口温度对应的载热液体的比焓值差,kJ/kg;t为时间, s。
将上述公式变形,成为下面实用公式:
式中,Qm为由电子秤得到的经过浮力修正的累计质量流量, kg;h1(θ1)为恒温槽中高温槽由一支二等标准铂电阻温度计测得的温度θ1对应的比焓值,kJ/kg;h2(θ2)为恒温槽中低温槽由另一支二等标准铂电阻温度计测得的温度θ2对应的比焓值, kJ/kg。
4·2 不确定度传递关系
根据式(1),有如下关系:
因为比焓值随温度变化基本上是线性的,所以h1和h2的不确定度可以认为相等,因此,式(2)可以变形为下式:
4·3 不确定度分量
4. 3·1 累计质量流量的不确定度u(m)
4. 3·1. 1 电子秤称量的不确定度u1(m)
按照JJG164-2000液体流量标准装置国家计量检定规程所规定的方法进行试验。三个台位中最大不确定度u1(m)= 0. 055%。
4.3·1. 2 换向器引起的质量流量的不确定度u2(m)。
按照JJG164-2000液体流量标准装置国家计量检定规程所规定的方法进行试验。三个台位中最大不确定度u2(m)= 0. 017%。
4. 3·1. 3 标准砝码质量的不确定度u3(m)
标准砝码是m1级的,其不确定度在量级。
4. 3·1. 4 蒸发引起的质量流量的不确定度u4(m)
水的蒸发是在水汽饱和状态变为另一种饱和状态的过程中发生的。在水温为50℃时,使1空气升高1℃并达到饱和状态需蒸发约0.0038kg的水。
由此可以得到相对于称量水质量的不确定度。
计算可得u4(m)为0. 018%。
4. 3·1. 5 累计质量流量的不确定度u(m)
4. 3·2 累计体积流量的不确定度u(V)
影响累计体积不确定度有三个方面:温度测量引起密度值的不确定度、由温度确定密度的查表的不确定度和温度测量点与实际要测量的温度不符带来的不确定度。
4.3·2.1 温度测量引起密度值的不确定度u1(ρ)
A级铂电阻温度计在各温度点的最大误差计算式为:±(0.15℃+0. 002×θ),式中,θ为管道温度,单位℃。按85℃时最大值来考虑,
4. 3·2. 2 由温度确定密度的查表不确定度u2(ρ)
表格的不确定度不超过1×。
4. 3·2. 3 温度测量点与实际要测量的温度不符引起的密度的不确定度u3(ρ)
由于温度测量点不是真正要测量的点、由于温度套管的隔绝等带来的温度的误差不超过0.4℃由此引起的密度值的最大误差(85℃)为0. 027%,则
4. 3·3 比焓值不确定度u(h1)
首先分析恒温槽内标准温度测量的不确定度uθ,其来源包括二等标准铂电阻温度计的不确定度、所配用电测设备引入的不确定度、二等标准铂电阻温度计的长期稳定性、恒温槽的均匀性和恒温槽温场波动性。
4.3·3.1 标准器铂电阻温度计的不确定度uθ1
由资料查得,标准器铂电阻温度计本身的不确定度uθ1=0.0022℃
4.3·3.2所配用电测设备引入的标准不确定度uθ2
电测设备为六位半数字表,用于测量二等标准铂电阻温度计的电阻值,数字表随机误差一般不超过最小分辨力的10倍,对于最小分辨0. 0001Ω的数字表引起的标准不确定度,取均匀分布,可计算为:
对于100Ω的标准铂电阻温度计,换算成温度值约为0.0015℃
4. 3·3. 3 标准铂电阻温度计的长期稳定性uθ3
在每次检定时,需将温度计在水三相点进行测量,用测得的水三相点值代入计算,那么标准铂电阻温度计的长期稳定性影响很小,uθ3可以忽略不计。
4. 3·3. 4 恒温槽的均匀性uθ4
如果恒温水槽的温场不超过0.01℃,由此引起的标准不确定度为:
4.3·3.5 恒温槽温场波动引起的标准不确定度uθ5
由于在检定过程中,恒温槽温度会产生波动,一般恒温槽的波动为0.005℃/15min,由此引起的标准不确定度按均匀分布可计算为
4. 3·3. 6 恒温槽标准温度测量的不确定度uθ
4.3·3.7 恒温槽标准温度差测量的不确定度uΔθ
因为一般最小温差为3℃,所以
4. 3·3. 8 比焓值不确定度u(h1)
根据温度与比焓值的关系,温度测量误差0.0049℃带给比焓值的误差,从10℃~85℃之间,是(0. 0204722~0. 0205800)kJ/kg,按最大值计算。
4·4 合成不确定度uc(Q) /Q
根据公式(3),
5 结论
1)各项技术指标符合JJG225-2001《热能表》国家计量检定规程对热能表检定的要求,能完成对DN15~DN50的热能表的检定。
2)装置流量范围达到了(0. 002~36)/h,温度范围达到了(10~85)℃,测量能力较强。
3)热水累积质量流量的不确定度达到0. 12%(k=2),热水累积体积流量的不确定度达到0. 13%(k=2),热量的不确定度为0. 48% (k=2)。
4)该装置采用稳压容器稳压,配合变频泵和调节阀调节流量,实现流量和压力的稳定,效果较好。
5)该装置采用闭式换向器,配合高精度电子秤,使装置的一次标准达到较高的准确度。