热量表的热量计量及传感器选型

热量表的热量计量及传感器选型

摘要：以热量表热量计量原理为基础,介绍了几种常用的热量计量方法，分析比较了各自的优缺点,详细讨论了具有k系数补偿功能的热量计量方法——k 系数补偿法，该方法实现了k系数的温度和压力在线补偿，因而具有较高的精度.还介绍了热量表测量系统的构成。

关键词：热量表；热量计量；热系数；传感器选型

0引言

二十世纪六十年代北欧和西欧因能源危机的影响被迫改变福利性供暖的传统，对热量使用进行计量收费，因此热量表便由此诞生。八十年代初期，热量表在欧美的使用已经相当普遍，热量表由此作为热力公司几家收费的依据和手段，热量表的广泛使用可节能20%~35%。目前，我国的供热收费制度主要根据面积收费，与热量消费无关，在一定程度上导致能源的严重浪费。热量计量收费作为意象建筑节能的基本措施，已经列入我国的建筑节能计划。目目前中国市场的国外热量表居多，其技术成熟、标准化程度高、价格昂贵，我国对热量表的需求量极大，所以热量表的研制开发将向低成本、符合国际标准方向发展。

1热量计量原理

热量表又称热能表，是一种用于测量在热交换环形电路中，载热液体所吸收和所转换热能的仪器，它既能测量供热系统的供热量，又能测量供冷系统的吸热量。热量表的热量计量原理如图1所示，载热流体的上行管和下行管上分别安装一个温度传感器，而流量计则安装在流体入口处，流量计会发出和流量成正比例的脉冲信号，两个温度传感器此时显示温差的模拟信号，而热量表根据这三路传感器的信号，利用计算公式计算出热交换系统获得的热量。

图1 热量表热量计量系统的原理示意图

2热量计量方法

2.1直接焓差法

直接焓差法的计算公式如下：

θr)（1）

该式中, 是指入口和出口的定压比热容；，是指瞬间体积流量和瞬时质量流量；，是指入口和出口稳定下的载体热流量的流体密度[1]。是指入口和出口的温度。通过计算同一时间段流入和流出用户的热能量值的差，可求得该用户使用的瞬时热量，这个公式计算非常简单，只需要根据实测温度，查表计算出、、、、等几个常数，代入公式（1）即可，由此可以推测出，温度精确度却高，数据表占据的存储空间就越大。

2.2常系数焓差法

常系数焓差法的计算公式如下：

)（2）

该式中是指定压比热容，看做常数，是指载热流体的质量流量和体积流量。该公式计算更为简便，为常数，使得程序计算量大大减少，提高了计算速度。然而由于流体的密度ρ是温度的函数，因此密度ρ必须进行温度修正，否则在计算过程中会产生较大的计算误差，影响最终计量结果。如表1所示。在同一的标准大气压下，当温度在10℃~100℃之前变化时，水的定压比热变化数量约为20℃的定压比热值的1%。但是当供暖系统的出水口和入水口的温差较小时，且处于非常稳定的状态时，常系数焓差法可直接用于户用型热表热量计量。

表1 压力为10bar时水的密度随温度的变化关系

Θ/℃Ρ/kg·m-3 Θ/℃Ρ/kg·m-3

50 992 689 90 987 125

60 989 489 100 968 987

70 986 857 110 958 598

80 987 098 120 956 809

2.3分段式K系数法

分段式K系数法的计算公式如下：

（3）

该式中K属于热交换系数，当压力固定时，它随着温度的变化而变化，根据按回水温度可以分为：

K=

该式将热交换系数数量化，并分为3个分段常数，并对其进行了温度修正，并且热量计算方法简单易懂，公式中的3个关键常数根据经验来确定，但是温度区间划分较粗略，温度适应性不强，当温度变化范围加大时，在计算过程中会产生误差。

2.4K系数补偿法

K系数补偿法的计算公式如下：

该公式中：是指入口温度或出口温度下，载热流体的流量；是指某温度下的定压热容，是指入口温度和出口温度。K系数补偿法的计算公式，将比温度和比压力作为自变量的吉布斯函数，通过定量分析压力与温度对K系数的影响来研究热量表的计量方法[2]。K系数补偿法完成了热系数的在线温度和压力补偿，进一步提升热量计量的精确度。值得关注的是，K系数补偿法在变流量供热系统的应用中会产生误差。当给流量系统增加一个阶跃变化时，散热量作为一个与流量、温度和时间相关的函数呈现出多变的特点。假设在两次稳定状态间的过渡时间间隔充足，利用K系数法计算在计算过程中产生较大的误差，然而当系统流量稳定后，误差将会消失。所以，这种误差是一种瞬态误差，当系统处于瞬态的时间过长(超过30分钟)时，必须进行适当补偿，也就是说应在热量计算软件中增加瞬态热量计算程序。

3传感器

3.1温度传感器

目前热量表所使用的温度传感器均采用铂热电阻，分别为Pt100,，Pt500, Pt1000。国外用户的热量表大多采用的是Pt100和Pt500型铂电阻，然而在国外Pt1000用户人群较少，Pt1000铂薄膜电阻更符合中国的国情，因此，在国产热量表中Pt1000得到广泛应用。与于Pt100和Pt500相比较，Pt1000的测量电阻增加了3~10倍，大幅度提高测量灵敏度，减小测量电流，降低系统功耗。此外，因为电缆长度也有一定程度的延长，致使Pt1000的安装更为灵活，符合国内建筑结构的复杂性和多样性。

3.2流量传感器

流量传感器作为热量表最重要的的部件之一，是最敏感的组件。热量表的分类实际意义上是指流量传感器的分类。液体流量计和液体流量转换器同时组成流量传感器[3]。液体流量计计量根据用户使用液体的多少，将流量转换成电脉冲，以供微处理器计算热量。流量传感器按其测量原理，一般分为叶轮式、超声波式和电磁式3类。

4结束语

目前我国的可持续发展战略注重科学发展观和节能减排深入实践，可持续化发展是一种注重长远发展的经济增长模式，有利于我国经济向又好又快的方向发展。热量表作为能量计量的手段之一，在计量原理和计量方法上具有很强的科学性，因此其计量精度越发显得尤为重要，本文所介绍的K系数补偿法对于热量表的研究、使用和生产具有很重要的参考价值。

【参考文献】

[1]舒新宇,王国荣,刘苏宜.一种基于数学形态学的焊缝图像处理方法[J].电焊机, 2006, 36(3): 48-51.

[2]陈天华,唐海涛.基于ARM和GPRS的远程土壤墒情检测预报系统[J].农业工程学报,2012, 28(3):162-166.

[3]梅彦平,张明君,王延平等.TDC-GP21在超声热表中应用[J].仪表技术与传感器,2012,(2):37 -39.