高明  卜占成  刘辰魁  宋荣荣

本文为第一届《中国计量》中青年优秀科技论文奖二等奖获奖文章之一

　　根据JJG225-2001《热能表》检定规程的规定，对热能表的检定方法主要有3种:总量检定法、分量检定法和分量组合检定法。热能表的检定条件:通过恒温槽调节温差温度来模拟温场条件，将控温水箱加热至(50±5)℃，模拟流量测量条件，不同流量点下对热能表进行计量检定。流量传感器的检定以电子天平称量换算的体积(或标准表测量体积)与流经热能表流量传感器的体积进行比较，求出流量传感器的误差。配对温度传感器以二等标准铂电阻温度计作为标准与被检热能表温度传感器进行示值比较计算误差。计算器的检定以标准信号发生器和电阻箱作为模拟信号，按理论公式计算出的实际热量值与被检表计算器显示值进行比较计算误差，最后，按3项误差绝对值的算术和确定。

　　现行热能表检定装置在不断推进供热计量过程中发挥了重要作用，最大限度地保证了热能表的计量性能。目前，热能表的检定手段大同小异，设备原理基本一致，笔者在实际检定中汇总了一系列共性的问题，这些问题影响着热能表检定质量，有的已成为工作中不可忽视的问题。    

　　一、现有热能表检定装置存在的问题及分析

　　1.恒温槽模拟介质温度影响检定质量
　　当我们对热能表进行总量或分量检定时，通常根据配对温度传感器两个温度探头的不同特性，将其分别放在温度不同的两个恒温槽内，采集计算热量时所需的温差值，由安装在管路上的流量传感器测得流量值，最终由计算器算得流经热能表的热量。实际检定时，配对温度传感器并不反映流体介质的真实温度，而当热能表用于用户时，配对温度传感器测得的是实际流体温度。通过我们对大量不同厂家、不同类型的热能表进行检定，发现这种检定方法对检定结果有一定的影响。这种差异对机械叶轮式热能表的影响相对较小，对于逐渐推广普及的带有温度修正的超声热能表影响明显，主要表现为如下几种情况:

　　 (1)超声热能表主要采用传播速度差法(即时差测量法)，从两个超声发射器发出两束超声波脉冲，各自到达下、上游的两个接收器，超声波在流体中传播时，将载上流体流速的信息，顺流和逆流的传播速度由于叠加了流体流速而不相同，利用时差检测出被测流体的流速，再换算成流量。基于超声热能表的测流原理及流量计算公式如下:
    
    式中:L——超声换能发射器与接收器之间的距离，m；t₁——超声波顺流传播时间，s；t₂——超声波逆流传播时间，s；c——流体静止时的声速，m/s；v——流体的平均流速，m/s；S——管路的横截面积，m²；q——流体的瞬时体积流量，m³/s。
    声速c与流体温度有关，根据有关资料，水温对声速的影响较显著，声音的传播速度与水的温度存在以下函数关系:
    c=1449.2+4.6T-0.055T₂+0.00029T₃+(1.34-0.010T)×(S-35)+0.016D
    式中:c——声音在流体中的传播速度，m/s；T——水温，℃；S——含盐量；D——水深，m。
    基于热能表的检定条件，在不考虑盐度、水深的情况下，水温与声速的关系近似为:
    c=1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³
    从上式不难看出温度对声速测量的影响。
    时差法的流量传感器采用了锁相技术或回鸣技术，国内外一些高性能热能表还采用了通过温度传感器测得的温度由计算电路对声速及几何尺寸等参数进行修正的补偿技术。显而易见，当热能表温度传感器测得的温度与流量传感器接触的温度差异较大时，计算器对声速的修正不够准确，从而导致对流量的修正不够准确。此外，超声波热能表的温度测量范围、流量测量范围较宽，使得这种影响比较显著，尤其是小流量的测量。
    例如，当温度传感器测得的温度为60℃，流量传感器接触的温度为40℃时，可根据以下公式分别计算声速:
    c₄₀=1449.2+4.6×40-0.055×40²+0.00029×40³
    =1563.8m/s
    c₆₀=1449.2+4.6×60-0.055×60²+0.00029×60³
    =1589.8m/s
    声音在水中传播的速度很快，用热能表计量热量时，顺流与逆流的时间差很微小，忽略因水温差异引起的时间差(Δt₆₀≈Δt₄₀)，计算温度差异引起声速差异进而导致瞬时体积流量的误差δ_q为
    
    (2)当用称重法进行热量检定时，流体的密度准确与否至关重要。介质温度不同，密度自然也不同，超声热能表的计算器对流体的密度根据温度传感器测得的温度进行补偿修正，当温度传感器测得的温度(默认为介质温度)与流量传感器接触的温度(实际介质温度)不同时，计算器对密度值没有进行正确的修正补偿。温度对密度的影响如下:
    压力不变时，液体密度计算式为
    ρ=ρ₂₀〔1-μ(T-20)〕
    式中:ρ——温度为T℃时水的密度，kg/m³；ρ₂₀——20℃时水的密度，kg/m³；μ——水的体积膨胀系数，1/℃；T——水的温度，℃。
    水的温度不同，密度也不一样，如果没有采用正确的密度进行计算，就会存在误差。例如，JJG225-2001中给出了水在40℃下的密度为992.44kg/m³，水在60℃下密度为983.41kg/m³，此时如果管路实际水温为40℃，模拟温场水温为60℃，则密度的误差δ_ρ为
    
    JJG225-2001中热量的计算公式为
    
    式中:Q——介质释放的热量，kJ；q_m——流经热能表的载热液体的瞬时质量流量，kg/s；Δh——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——时间，s。

　　当管路水温为40℃、模拟温场水温为60℃时，采用称重法对热能表进行检定，默认标准电子天平的称量值近似等于流量传感器以水温40℃修正测得的体积流量与40℃水的密度的乘积，由于检定装置与被检表采集的温差均来自同一恒温槽，对应的焓值差Δh引起的误差可忽略不计(Δh_标≈Δh_示)，对热能表采取总量检定法时，因恒温槽模拟介质温度引起的误差δ_Q为
    
    2.管路中存在的气体对热能表检定质量的影响
    在检定工作中，管路中除了热介质水还经常伴随着一定量的气体，这些气体的产生比较复杂，首先，无论是气加热还是电加热都会产生一定量的气体。其次，水的背压如果不足也会引起气泡。再次，管路上的阀门、弯头、死角易导致窝气现象。如果在检定前没有处理好源头的气体，不能够很好地进行排气，这些因素对热能表的计量检定均会产生影响，既对热能表自身热计量有影响，又对检定装置标准数据的采集有影响。管路中存在的气体对检定质量的影响如下:

　　(1)声速c不但与流体温度相关，而且还与流体成分有关，声音在不同介质中传播速度不同〔(真空0m/s、空气(25℃)346m/s、水(常温)1500m/s)〕。另外，如果是非单相流体，当超声波遇到杂质时，分界面会有显著的反射，如当流体中有气泡时，水与气的分界面就会对超声信号产生反射，影响接收器的正常接收，影响流体流量的测量，进而对热能表的检定结果产生影响。

　　(2)计算热量时，气相存在对流体密度也会有影响，虽然经过了排气，但气体影响仍然存在，此时流体的密度是气液混合物的密度，这种情况会对计算热量产生影响。

　　(3)上述两项中谈到的是气体或气泡均匀分布在流体中的情况。但管路窝气、被检热能表部件吸附现象则复杂、隐蔽，对热能表检定质量影响会更严重，虽然不易定量分析，但可以从检定结果的比较中得到说明。在几次对批量热能表进行检定时，发现大部分热能表的误差均在允许范围之内且比较稳定，但偶然会有一组全部超差。对这种整组超差的现象，我们没有贸然下结论，开始寻找原因。温场是否有波动、稳压罐是否压力不稳的可能原因被排除之后，发现在开关阀门后，装置上的视水管处有少量气泡在游动，而且，当短促开关阀门或管路上有震动时，气泡会趋于密集，经过使管路中的水充分流通和局部振荡法排气直到水流单相稳定后，再重新检定这组热能表，结论与先前几组基本一致。究其原因，在重新安装这组表后，由于装置管路的弯头、阀门放空作用以及新装热能表对气泡有较强的吸附力，尽管操作方法正确，通过排气阀进行了消气泡处理并通水循环，排除了大量气泡，但有时不能够将弯头、阀门窝气以及热能表内的吸附气体排走，影响热能表正常工作，最终影响了热能表的检定质量。

　　3.加热水箱容积影响检定的因素考虑
　　在热能表检定装置中，加热水箱作为介质热源的提供者，对它的设计是否合理会影响到整个检定效果。目前，所用的热能表检定装置通常设置一个水箱，有的水箱比较大，有的水箱较小。水箱较大时，介质的热稳定性较好，气泡扩散比较迅速，容易溢出，气泡对检定的影响较小，但是由于容量较大，介质升温、降温的时间较长，有时升温到50℃左右需要半天的时间，大量的时间花费在了升、降温度上；若要调节介质的不同温度点后再进行检定很不方便，仅仅适合规程规定的检定方法(这种基于规程规定的模拟温场检定方法，是通过恒温槽调节温差，在(50±5)℃的水温，不同流量点、不同温差的条件下对热能表进行计量检定)；当水箱较小时，升温、降温比较迅速，提高了检定的灵活性，适应了检定过程中在多个温度点计量热量的需要，改善了检定装置的技术性能，但其热稳定性差，容积狭小，若设计不合理气泡易带入试验管路，这种弊端对检定结果的影响比较显著。

　　以上因素是影响热能表检定质量的主要因素，当然，热能表检定装置前后直管段、管路热水结垢、阀门泄漏、变频影响等问题，仍然是检定装置不可忽视的问题；同时，装置的正确使用和维护，也是保证检定装置处于良好性能必不可少的环节。    

　　二、热能表检定装置改进及使用的几点建议

　　1.针对水箱的问题，建议采用子母水箱的储水装置，设置一大一小两个水箱，根据实际需要决定加热哪一个水箱，既提高了利用效率，又节省了电能的消耗，同时优化了检定装置，提高了检定技术水平。

　　2.由于检定用水中含有气泡对检定结果的影响比较复杂，从水箱到稳压罐再到被检表，甚至管路上的方方面面都可能存在气泡，处理起来比较棘手，切实可行的措施是保证实验段下游背压的稳定，在易产生大量气泡的位置后安装集气装置和排气阀，尽量保证试验段流体始终为单相运行。

　　3.采用子母水箱的检定装置，基本可以解决现行方式下由于恒温槽模拟介质温度检定时带来的影响。无论是对于大口径热能表还是小口径热能表，其检定装置都应满足以下条件:对于受介质温度影响小的热能表，由于大水箱热稳定性较好，检定时可以采用大水箱作为热水源，当检定受介质温度影响较大且需要变化管路中介质温度时，就采用小水箱作为热水源。若小水箱控温好，便于调节，方便升、降温，基本能够保证管路水温与恒温槽水温的一致性，这种情况下，介质温度可以取代模拟温场温度，但还要保证介质温度稳定性应与恒温槽温度稳定性相当，即可以将热能表及标准器温度传感器探头插入循环水管路，直接测量水温，对于进口(或出口)温度传感器与流量传感器同体安装型热能表，且温度传感器的引线较短也能很好适应；对于控温稍差的热能表检定装置，仍采用模拟方式复现热能表进、出口的温度场，而热能表实际流动介质温度应调整至与某一进口(或出口)模拟温场相一致。

　　4.检定装置改进完善后，整体性能得到了提高，但各个环节的协调运作，以及能否很好地配合使用，也是值得注意的。从检定方式角度看，要养成良好的习惯，每安装一组被检表后，首先要保证检定段压力的稳定；其次在采集数据前，先大流量通水运行一段时间，还需通过局部振荡的方法排除窝藏在管路弯头、阀门和热能表内的气体。

　　为了保证检定质量，还应在实际工作中重视水质软化、试验直管段、阀门开度及胶垫突入流通截面等因素。
　　作者单位【高明  河北大学质量技术监督学院、卜占成  刘辰魁  宋荣荣  河北省计量监督检测院】