工況下熱量表性能研究平臺(tái)的搭建及結(jié)果分析

路 遙，李 坡，李毅堂，施 鑫

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

使用在工況供熱管網(wǎng)下的熱量表，其管內(nèi)壁因浸泡在水中，易被腐蝕、生銹而使內(nèi)壁表層發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，且時(shí)間越長變化就越明顯；同時(shí)供熱水質(zhì)中的雜質(zhì)及銹渣等也會(huì)在管道內(nèi)壁和超聲波換能器表面附著，這都會(huì)直接影響到超聲波熱量表的準(zhǔn)確度。關(guān)于供熱水質(zhì)對熱量表使用準(zhǔn)確度產(chǎn)生的影響，目前國內(nèi)的相關(guān)研究較少。在此，搭建了工況條件下熱量表流量性能研究平臺(tái)，并基于搭建的遠(yuǎn)程抄表監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)安裝表在供暖季前后的檢測數(shù)據(jù)，對超聲波熱量表的流量性能開展深入的分析研究。

1 工況條件下熱量表性能研究平臺(tái)的搭建

1.1 平臺(tái)管網(wǎng)的搭建

文中所搭建的工況條件下熱量表流量性能研究平臺(tái)，選取了不同反射結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)的熱量表接入供熱管網(wǎng)，每種型號(hào)3塊樣表，共計(jì)30塊熱量表串聯(lián)接入。

在每個(gè)供暖周期開始前和結(jié)束后，均對所有試驗(yàn)用表進(jìn)行檢定，觀察測量誤差的變化量。在供暖期間，每天對試驗(yàn)用熱量表通過抄表系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤數(shù)據(jù)采集，觀察熱量表流量性能變化的過程。由于串聯(lián)表較多，為保證管網(wǎng)的供水動(dòng)力，在該平臺(tái)管網(wǎng)中接入微型變頻泵，通過閉環(huán)控制使試驗(yàn)管路水流速穩(wěn)定在0.6 m3/h，以便于樣表的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1.2 遠(yuǎn)程抄表監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

熱量表的數(shù)據(jù)采集及傳輸方式均采用M-Bus總線，故該平臺(tái)基于M-Bus通訊原理搭建自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因當(dāng)前熱表通訊協(xié)議無法統(tǒng)一，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，文中抄表系統(tǒng)平臺(tái)搭建時(shí)，先將熱量表的通訊協(xié)議寫入數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過軟件編程實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議自動(dòng)匹配，進(jìn)而通過M-Bus總線將數(shù)據(jù)采集到采集器中。并且基于SQL Server建立熱量表參數(shù)性能數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表監(jiān)測系統(tǒng)的搭建。

1.2.1 M-Bus數(shù)據(jù)采集器原理及電路設(shè)計(jì)

熱量表的數(shù)據(jù)采集及傳輸方式采用M-Bus總線。M-Bus總線協(xié)議以ISO-OSI參考模型作為參考，但是只采用了模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

從主站（集中器）向從站（熱量表）發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí)，M-Bus采用電壓調(diào)制的方式，在總線電流保持不變的前提下，從站通過檢測總線電壓的變化來確定接收到的數(shù)據(jù)，因此要求其總線接口具有動(dòng)態(tài)電平識(shí)別的功能。由從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí)，MBus采用電流調(diào)制的方式，在總線電壓保持不變的前提下，主站通過檢查電流的變化解調(diào)出所接收的信息。

由此可見，M-Bus總線既可用于信號(hào)傳輸又能為從站提供電源，使終端儀表所用電池成為備用電源，從而減少儀表定期更換電池的工作量。

從主站到從站整個(gè)信號(hào)的傳播過程為，首先由主站端發(fā)出指令，接入232串口電路。如圖1所示，途徑PC_TXD1觸發(fā)MAX 3232芯片的R1IN管腳，MAX 3232為RS-232接口芯片，可將PC中電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。

圖1 PC接口模塊電路原理圖Fig.1 Circuit schematic of PC interface module

從R1OUT管腳輸出的信號(hào)經(jīng)過處理后，采用2個(gè)2N8050三極管增加驅(qū)動(dòng)能力，從232_RXD_S輸出后進(jìn)入TLP181光電耦合器（如圖2所示）。光電耦合器很好地隔離了主站與從站之間的電路，可有效保障主站安全正常的工作，避免過載電流對主站造成損毀。

圖2 過電壓保護(hù)模塊電路原理Fig.2 Circuit schematic of overvoltage protection module

經(jīng)過處理后的電信號(hào)從M_TXD_X流入M-Bus主站接口電路，如圖3所示，通過M_TXD_X的高低電平變化控制QMX8的通斷，向總線輸出M-Bus主站控制信號(hào)。

由從站到主站的信號(hào)傳播路徑是相反的，即通訊協(xié)議匹配成功的試驗(yàn)用熱量表接收到主站的通訊后，反饋的電信號(hào)首先經(jīng)過圖3所示電路處理，利用LM393電壓比較器，比較采樣電阻RMX14上電壓的變化，從而將M-Bus從站電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成M_RXD_X電壓信號(hào)。然后，M_RXD_X輸入光電耦合器，當(dāng)輸入的為低電壓時(shí)，從232_TXD_S導(dǎo)出的為低電壓；當(dāng)輸入為高電壓時(shí)，從232_TXD導(dǎo)出的為高電壓。通過MAX3232芯片處理后，從PC_RXD1輸出，即為主站獲得的信號(hào)。

圖3 M-Bus主站接口電路原理Fig.3 Circuit schematic of M-Bus master station interface

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

熱量表運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序流程如圖4所示。主程序里做初始化之后，定時(shí)器將數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)為每30 min采集1次，程序首先判斷數(shù)據(jù)傳輸過程中是否出現(xiàn)問題，判斷數(shù)據(jù)無誤后從數(shù)據(jù)包中提取運(yùn)行數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。

圖4 熱量表運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序流程Fig.4 Flow chart of heat meter data collection procedure

采集管理軟件基于Windows系統(tǒng).NET平臺(tái)開發(fā)，采用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，保證系統(tǒng)的兼容性及擴(kuò)展性，滿足熱量表結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析要求。

2 一個(gè)采暖季前后樣表的數(shù)據(jù)對比

在2015年冬季采暖季開始之前和2016年春季采暖季結(jié)束后，分別對該平臺(tái)試驗(yàn)所用的30塊熱量表進(jìn)行檢定，檢測點(diǎn)為 qs，qp，0.3qp，0.1qp，qi。 其中，qs為在滿足熱量表準(zhǔn)確度不超過誤差限的條件下，在短時(shí)間（＜1 h/d；＜200 h/a）內(nèi)，熱量表運(yùn)行的極限流量；qp為在滿足熱量表準(zhǔn)確度不超過誤差限的條件下，熱量表長期連續(xù)運(yùn)行時(shí)的上限流量；qi為在滿足熱量表準(zhǔn)確度不超過誤差限的條件下，水流經(jīng)熱量表時(shí)的下限流量。

每個(gè)檢測點(diǎn)檢測3次，當(dāng)出現(xiàn)粗大誤差時(shí)，進(jìn)行第4次和第5次檢測以修正檢測值；每個(gè)檢測點(diǎn)的最終數(shù)據(jù)為重復(fù)測量數(shù)據(jù)的平均值。保持檢測使用同一試驗(yàn)臺(tái)、各個(gè)熱量表前后檢定采用同一臺(tái)位。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照管段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類處理后，從結(jié)果可以看出，熱量表在經(jīng)過一個(gè)采暖季以后，受工況水質(zhì)等的影響，熱量表的準(zhǔn)確度發(fā)生了變化，但是變化量均在1%以內(nèi)。可見我國熱量表的生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。

各種管段結(jié)構(gòu)的熱量表誤差變化量見表1。就不同結(jié)構(gòu)而言，由表可知，管段結(jié)構(gòu)為支架結(jié)構(gòu)的熱量表受工況管網(wǎng)影響最小，其次是管段結(jié)構(gòu)為對射式和立柱式的熱量表，而V形反射結(jié)構(gòu)和W形反射結(jié)構(gòu)的熱量表受影響比相對較大。

表1 各種管段結(jié)構(gòu)的熱量表誤差變化量（%）Tab.1 Error variation of heat meters with various tube section structures

3 試驗(yàn)結(jié)果的分析與研究

3.1 數(shù)學(xué)建模

為了對各種反射結(jié)構(gòu)構(gòu)管段的熱量表所出現(xiàn)的誤差變化量做進(jìn)一步分析研究，首先對各種反射結(jié)構(gòu)管段的超聲波熱量表進(jìn)行數(shù)學(xué)建模研究[1-2]。各種反射結(jié)構(gòu)的超聲波熱量表管段剖面如圖5所示。

圖5 各種反射結(jié)構(gòu)的超聲波熱量表管段剖面Fig.5 Sectional drawings of ultrasonic heat meters with various reflecting structures

如圖5所示，對于流速測量，不同管段結(jié)構(gòu)的熱量表的數(shù)學(xué)模型是有區(qū)別的[3-5]。其中，V形反射結(jié)構(gòu)熱量表的流速vV為

W形反射結(jié)構(gòu)熱量表的流速vW為

對射結(jié)構(gòu)的熱量表流速ve為

支架式結(jié)構(gòu)的反射原理和反射路徑，與立柱式管道結(jié)構(gòu)的完全一樣，因此立柱結(jié)構(gòu)與支架結(jié)構(gòu)的熱量表流速vc和vs為

式中：C為超聲波信號(hào)的傳播速度。由于C遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工況水質(zhì)在管道中的流速v，因此將v/C的二階無窮小忽略不計(jì)。故超聲波熱量表的瞬時(shí)流量為

式中：k（T）為修正系數(shù)。

我國供熱的水質(zhì)較差，長時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生水垢，同時(shí)金屬管壁表面會(huì)產(chǎn)生鐵銹，而且供熱管道為封閉式結(jié)構(gòu)，熱水長時(shí)間循環(huán)使用且不能對管道進(jìn)行清潔，會(huì)使水垢和鐵銹等雜質(zhì)附著在管道內(nèi)壁。而一般家用的超聲波熱量表管道口徑較小，以DN20和DN25口徑的居多，因此超聲波熱量表的測量管道內(nèi)壁發(fā)生變化，會(huì)直接影響超聲波熱量表的性能。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中，利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器模擬超聲波發(fā)射信號(hào)，中心頻率為1 MHz，用示波器連接超聲波換能器的接收端，觀察不同生銹程度、不同傳播距離的一對超聲波換能器的信號(hào)衰減情況。通過超聲波換能器的發(fā)射端發(fā)射10個(gè)振幅相等的正弦波脈沖信號(hào)，試驗(yàn)在純凈水環(huán)境中進(jìn)行。

通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在同軸相對的2個(gè)超聲波換能器之間有間距的時(shí)候，接收端接收到的信號(hào)有一個(gè)逐漸起振的過程。對于超聲波換能器的接收端而言，只有超過了閾值的脈沖信號(hào)才能被視為計(jì)時(shí)信號(hào)。在此以識(shí)別到第3個(gè)波形信號(hào)為例，被記錄的時(shí)間點(diǎn)為第1個(gè)超過閾值的脈沖信號(hào)（即第3個(gè)波形）再次回到零點(diǎn)的時(shí)刻，具體原理如圖6所示。

圖6 超聲波信號(hào)衰減示意Fig.6 Schematic of attenuation of ultrasonic signal

通過試驗(yàn)對比，在保證超聲波換能器表面清潔度良好的情況下，不同的超聲波傳播距離會(huì)對超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響，傳播距離越長，信號(hào)衰減越明顯，且衰減速率呈非線性增長。這是由于超聲波在傳播過程中，由于傳播介質(zhì)吸收、介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒物的散射及反射過程中產(chǎn)生的能量損失造成超聲波信號(hào)不能被接收端換能器全部接收。然而，對于普通戶用熱量表因結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的超聲波傳播距離的差異非常小，對信號(hào)衰減的影響基本可以忽略。

通過試驗(yàn)對比，在相同的傳播距離條件下，超聲波換能器表面的清潔程度會(huì)對信號(hào)的衰減產(chǎn)生更加明顯的影響。在工況實(shí)流的環(huán)境中，由于供熱用水的水質(zhì)不純凈，在一個(gè)采暖季過后，發(fā)現(xiàn)熱量表管道及換能器表面發(fā)生了變化，拆卸后的熱量表管道情況如圖7所示。

圖7 一個(gè)采暖周期后不同熱量表管道的內(nèi)壁Fig.7 Inner wall of different heat meter pipes after a heating cycle

為通過該試驗(yàn)探究換能器表面的鐵銹對熱量表準(zhǔn)確度的影響，對超聲波換能器的表面進(jìn)行了不同程度的鍍鐵銹處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵銹層越厚，信號(hào)衰減越嚴(yán)重，當(dāng)鐵銹層厚度達(dá)到一定數(shù)值后，所有脈沖信號(hào)都將衰減到閾值以下，此時(shí)超聲波換能器的接收端無法再識(shí)別接收到超聲波信號(hào)。

根據(jù)計(jì)算，針對V形反射、W形反射和對射結(jié)構(gòu)的熱量表：

情況A當(dāng)?shù)?個(gè)與閾值相交的波形信號(hào)的波峰值衰減到與閾值比較接近時(shí)，由于噪聲信號(hào)的影響使發(fā)射端和接收端對波形信號(hào)識(shí)別不一致，也就是其中有一段信號(hào)產(chǎn)生1 μs的誤差，在工況實(shí)流的流速條件下，根據(jù)式（1）（2）（3）計(jì)算可得出，會(huì)對熱量表的計(jì)量準(zhǔn)確度造成近100%的偏差。若發(fā)射端和接收端對波形信號(hào)同樣識(shí)別到，則不造成偏差；若兩端對波形信號(hào)均未識(shí)別到，造成的偏差值與情況B相同。

情況B當(dāng)?shù)?個(gè)與閾值相交的波形信號(hào)的波峰值衰減到閾值以下時(shí)，時(shí)間記錄取決于新的第1個(gè)與閾值相交的波形信號(hào)，如圖7所示的波形1，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生 1 μs的倍數(shù)的誤差，根據(jù)式（1）（2）（3）計(jì)算可得出，會(huì)對W形反射結(jié)構(gòu)熱量表的流量計(jì)量準(zhǔn)確度造成2.90%以上的偏差、對射結(jié)構(gòu)的4.45%以上的偏差、V形反射結(jié)構(gòu)3.94%以上的偏差。

針對立柱和支架結(jié)構(gòu)的熱量表：

情況A當(dāng)?shù)?個(gè)與閾值相交的波形信號(hào)的波峰值衰減到與閾值比較接近時(shí)，若發(fā)射和接收端同步識(shí)別接收到該波形或沒接收到該波形，均不會(huì)對熱量表的計(jì)量準(zhǔn)確度造成偏差，若發(fā)射和接收端的識(shí)別不同步，根據(jù)式（4）計(jì)算可得出，會(huì)對熱量表的計(jì)量準(zhǔn)確度造成近100%的偏差。

情況B當(dāng)?shù)?個(gè)與閾值相交的波形信號(hào)的波峰值衰減到閾值以下時(shí)，不會(huì)對熱量表的計(jì)量準(zhǔn)確度造成偏差。

4 結(jié)語

從試驗(yàn)可看出，目前我國熱量表的質(zhì)量已達(dá)到一定水平，整體而言無論是計(jì)量準(zhǔn)確度還是穩(wěn)定性都是可靠的。然而，為了進(jìn)一步提高熱量表的計(jì)量性能，使其符合我國工況供暖的水質(zhì)特點(diǎn)，后續(xù)將對熱量表的硬件電路設(shè)計(jì)及軟件參數(shù)設(shè)置開展研究，對熱量表的修正系數(shù)根據(jù)供暖的地域性差異及熱量表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用時(shí)間進(jìn)行周期性更新。