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熱量表流量傳感器若干技術問題之初探
 

簡述: 在國內外眾多戶用熱量表產品中,因價格和功耗等諸多因素,普遍采用小口徑機械式熱水表作為熱量表的流量傳感器,建設部熱量表行業標準CJ128-2000中對流量計部分的要求也基本上采用了與現行熱水表產品性能相同的要求。
使用和研究實踐表明:直接采用小口徑機械式熱水表作為熱量表的流量傳感器,存在一系列需要解決的問題。根據對熱量表流量傳感器的研究體會,我們發現小口徑機械式熱水表作為熱量表流量傳感器時存在的主要問題有:量程問題,冷熱水流量系數差異問題,降低始動流量和提高小流量情況下精度問題,磁傳方式存在的磁干擾問題,高溫失步問題,以及對我國供暖系統水質的適應性問題。根據研究和分析結果我們對上述問題作了初步分析,提出一些解決方案與業內同行研討,以期研制出了熱量表相適應的流量傳感器,共同提高我國熱量表的研制水平。

1 熱量表流量傳感器的量程問題

1.1 熱量表流量傳感器的測量范圍

建設部熱量表行業標準CJ128-2000中第4.3.3條規定:“熱量表的常用流量應符合GB/778.3冷水水表的要求,常用流量與最小流量之比應為10、25、50或100。公稱直徑≤40mm的熱量表,其常用流量與最小流量之比必須采用50或100?!?/P>

某廠(目前熱量表廠家普遍采用該廠熱水表)不同口徑熱水表的流量范圍如表1所示:

表 1

公稱直徑
DN
常用流量
m3/h
最大流量
m3/h
最小流量
L3/h(取1/50)
分界流量
L3/h
15
0.6
1.2
12
48
1.5
3
30
120
20
2.5
5
50
200
25
3.5
7
70
280

CJ128-2000標準第5.3.5條規定:3級流量傳感器誤差限:

Eq=±(3+0.05qp/q)

示值誤差在分界流量(含)至最大流量之間為2%,在分界流量至最小流量之間為5%。同時規定:各級流量傳感器誤差限最大不應超過5%。

以目前使用廣泛的DN20 熱量表為例,其測量誤差曲線如圖1所示。

1.2 建筑采暖系統的流量設計范圍

根據有關資料,我國北方城市節能和非節能建筑采暖系統的流量設計范圍如表2和表3所示。

根據實際使用情況的經驗數據,當用戶實現分室調節后,工作流量將降到設計流量的50%。

1.3 分析結論及改進措施

根據以上數據,直接采用小口徑機械式熱水表作為熱量表的流量傳感器,可以得出以下幾點結論:

表2. 節能建筑采暖系統的設計范圍

建筑面積 m2
最大設計流量 kg/h
最小設計流量 kg/h
50
70
50
100
130
100
150
200
160

表3 非節能建筑采暖系統的流量設計范圍

建筑面積 m2
最大設計流量 kg/h
最小設計流量 kg/h
50
100
80
100
200
160
150
300
250

a. 熱水表的常用流量太大,在建筑采暖系統設計流量的10倍以上;

b. 大部分熱量表將工作在分界流量以下,口徑在DN 20以上的熱量表甚至工作在最小流量附近;

c. 熱量表的流量傳感器大部分時間將工作在高誤差區,如果工作在最小流量以下,實際測量誤差將超過CJ128-2000標準2%~5%的要求;

d. 未經改造的熱水表不適合直接作為熱量表的流量傳感器使用;

e. 將熱水表作為熱量表的流量傳感器時需要解決的問題是:降低常用流量,使之接近建筑采暖系統的設計流量范圍;提高流量傳感器的靈敏度,降低始動流量,進一步降低最小流量使之達到目前常用流量的1/100的要求;采取有效措施,提高分界流量以下測量范圍的計量準確度。我們在研制HM-1型熱量表的過程中采取了一系列技術措施,解決上述存在的問題。包括:采取去掉原熱水表齒輪技術機構,降低葉輪阻力(根據實驗數據:去掉原熱水表齒輪計數機構后阻力可降低30%左右),達到提高靈敏度,降低始動流量,進一步降低最小流量使之達到目前常用流量的1/100的目的;采取對流量傳感器逐個標定和動態測量修正措施,實現一表一系數,有效提高分界流量以下測量范圍的計量準確度。設計新的流量傳感器,降低常用流量,使之接近建筑采暖系統的設計流量范圍,為了降低系統壓損,可采取變口徑措施,這些應該是目前繼續重點解決的技術問題。

2. 冷熱水流量系數差異問題

眾所周知,旋翼式機械式磁傳熱水表流量系數KV與設計、制造精度和生產調試有關,在熱水表整個流量范圍內,其示值誤差是隨流量(流速)變化而變化的,見圖1。研究結果表明,流量系數KV還隨水溫的變化而變化,特別是在分界流量以下的小流量區,其變化更為顯著。不難理解,由于水溫升高,水的密度減小,其粘稠度降低,葉輪阻力減??;水溫升高,殼體和葉輪均會發生膨脹,由于他們的制造材料不同,膨脹系數不同,會造成殼體內腔和葉輪之間的間隙發生變化,計算結果表明這種變化對流量系數KV的影響是不可忽略的,另外,水溫升高,葉輪與軸承的阻力也會發生變化。上述因素的綜合影響造成流量系數KV隨水溫變化而變化,對于不同的熱水表,其變化規律將不同,表4是某廠熱水表在85℃和常溫下流量系數KV的變化情況。

表4-1 冷水流量系數

測量點
表1
表2
表3
表4
各點平均 K系數
5032.5
38.98
38.72
39.04
38.744
38.87
2784.8
38.89
38.85
39.18
38.836
38.94
739.3
38.41
38.23
38.91
37.202
38.69
199.8
38.68
38.14
38.41
40.013
38.81
51.7
38.73
39.26
38.47
41.175
39.41
25.1
39.01
39.59
38.58
40.843
39.51

表4-2 熱水流量系數

測量點
表1
表2
表3
表4
各點平均 K系數
4876.2
38.18
37.84
37.86
37.99
37.97
2529.9
38.65
38.42
39.26
38.24
38.39
743
38.52
38.33
38.21
38.37
38.36
199.1
38.2
38.26
37.82
39.06
38.34
50.5
38.68
38.81
38.81
40.24
39.13
22.4
38.2
39.14
37.39
40.88
38.90

表4-3 冷、熱水流量系數

測量點
5032.5
2784.8
739.3
199.8
51.7
25.1
K冷-K熱
0.90
0.55
0.33
0.47
0.27
0.60
冷、熱水流量系數平均差值
0.52

表4 冷熱水流量系數變化情況

在我國,熱水表生產廠均沒有熱水流量標準試驗裝置,出廠檢驗是在冷水裝置上進行的,幾乎沒有考慮溫度對流量系數的影響,這就是此類水表在高溫情況下準確度降低的主要原因,由此在業內形成了一種普遍共識;直接采用熱水表作為熱量表流量傳感器,在進行樣機型式檢驗時必須經過仔細挑選才能通過,這是很不正常的。我們認為:產品出廠檢驗在冷水裝置上進行,必須對設計的產品進行冷熱水對比試驗,找到該產品的冷熱水流量系數KV之間的變化規律,對在冷水裝置上檢測出的流量系數進行必要的修正,這樣才能滿足熱量表對熱水表的要求。

3. 磁傳方式存在的磁干擾問題,失步問題

目前國內研制的熱量表流量傳感器普遍采用磁傳方式將葉輪轉動信號傳出,由于在葉輪上安裝了磁性材料,不可避免會受到磁場影響。CJ128-2000標準第6.11.3條規定:熱量表正常工作條件下,將流量傳感器、計算器殼體和顯示器放在磁場強度為100kA/m的環境下,監測期間顯示各項示值不能發生間斷和突然加、減現象。試驗表明:國內生產的熱水表雖然有的采取了防磁措施,有的可以滿足上述要求,但在更強磁?。ㄈ珙咸鵯看盤┑母澆?,將普遍出現葉輪擺動,磁傳失效的現象,無法滿足標準的要求。在對熱水表進行改進,作為熱量表流量傳感器時,必須徹底解決這一問題。對此,我們對葉輪盒采取了磁屏蔽和強磁檢測雙重措施,較好地解決了磁干擾問題。

研究實踐還表明:大多數磁傳熱水表普遍存在著高溫失步現象,也就是說在高溫情況下(如水溫在85℃以上時)存在著丟轉現象,測量準確度明顯降低并超差,當溫度下降時又恢復到原來的準確度。分析原因,這是葉輪上安裝的磁性材料隨著溫度升高而降低造成的。為此,我們選取溫度特性較好的磁性材料,成功地解決了該問題。

當然要徹底解決磁傳方式存在的磁干擾問題,最有效的方法是取消磁傳方式,采用更先進的信號拾取傳感器,由于技術原因,這方面國內與國外存在著較大的差距,我們正在深入開展研究,可望在近期解決。

4. 對我國供暖系統水質的適應性問題

我國供暖采取系統水質差是普遍存在的問題,熱量表是否要適應較差水質,一直在業內存在著爭論。我們認為:在呼吁有關部門改善水質的同時,研制熱量表必須考慮對不同水質的適應性,不能因為水質差就拒絕安裝熱量表。實際應用試驗表明:供熱采暖系統水中的雜質主要是管道中殘留的泥土、雜物、沙礫、黑紅色的鐵銹。針對這一實際情況,我們采取加裝特制濾網和磁濾器的措施有效濾除上述雜質,延長熱量表的使用時間。當然,濾網和磁濾器要便于清洗或更換是設計時必須考慮的問題,在水質問題沒有得到徹底解決的情況下,做到每個采暖季清理一次是可行的。

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