CN107884098A - 基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对供热回路中热量测量系统的测量或校准，尤其涉及一种供热回路中热量测量系统现场在线校准装置。其无需拆卸被测流量传感器，使用非常方便。其包括超声波换能器、超声波流量计主机、标准数字温度计、恒温槽、数据采集单元、工控机及图像采集单元。所述超声波换能器设置于供热回路管道上，所述超声波换能器与超声波流量计主机相连；所述超声波流量计主机的信号输出端口与数据采集单元相连。所述恒温槽用于模拟供热交换回路中入口管道及出口管道内介质的温度，所述标准数字温度计用于对恒温槽进行温度测量，所述标准数字温度计与数据采集单元相连；所述数据采集单元与工控机相连，所述工控机与图像采集单元相连。

Description

基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置及校准方法

技术领域

本发明涉及对供热回路中热量测量系统的的测量或校准，尤其涉及一种供热回路中热量测量系统现场在线校准装置。

背景技术

能源是支撑经济社会可持续发展的决定因素，能源测量是企业节能降耗，降低成本的关键。其中，对流体热量的精确测量和控制已成为工业生产中不可缺少的组成部分，在水电、供热、供暖、石油、化工等领域，流体热量计量准确与否起着至关重要的作用。

目前对方便拆卸的一般口径的热量测量系统，可在实验室里通过热量标准装置对其进行实流检定或校准，通常采用静态质量法或标准表法热水流量标准装置进行检测。但对于一些安装在常输热水管道上的热量测量系统，由于现场情况较为复杂，影响因素较多，热量测量系统不可拆卸也不能进入其内部进行测量；所以校准溯源比较困难。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置及校准方法，其无需拆卸被测流量传感器，使用非常方便。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括超声波换能器、超声波流量计主机、标准数字温度计、恒温槽、数据采集单元、工控机及用于采集被测热量计量仪表显示值的图像采集单元。

所述超声波换能器设置于供热回路管道上，用于采集供热交换回路的流量信号；所述超声波换能器的信号输出端口通过数据线与超声波流量计主机的信号输入端口相连；所述超声波流量计主机的信号输出端口与数据采集单元相连。

所述恒温槽用于模拟供热交换回路中入口管道及出口管道内介质的温度，所述标准数字温度计用于对恒温槽进行温度测量，所述标准数字温度计与数据采集单元相连；所述数据采集单元与工控机相连，所述工控机与图像采集单元相连。

进一步地，被测热量测量系统的被测温度计采集恒温槽模拟的温度，该被测温度计的温度信号显示于被测热量测量系统的二次显示仪表上，该二次显示仪表还显示被测热量测量系统的热量值及流量值；(被测温度计与被测热量测量系统的二次显示仪表相连，所述被测热量测量系统的二次显示仪表还与被测热量测量系统的流量传感器相连；)所述被测热量测量系统与数据采集单元相连；(所述二次显示仪表的输出与热量表专用数据采集器输入相连，所述热量表专用数据采集器的输入与数据采集单元相连)。

作为本发明的一种优选方案，所述超声波换能器采用便携式外夹单/双声道换能器。

作为本发明的另一种优选方案，所述图像采集单元包括摄像头。

作为本发明的另一种优选方案，所述标准数字温度计选用双通道高精度标准数字温度计。

作为本发明的另一种优选方案，所述工控机为便携式工控机。

作为本发明的另一种优选方案，所述数据采集单元包括模拟量输入模块及与模拟量输入模块相连的串口通信采集模块；所述模拟量输入模块与超声波流量计主机相连，所述串口通信采集模块与工控机相连。

进一步地，所述恒温槽为现场型恒温槽。

基于修正热量的热量测量系统现场在线校准方法，包括以下步骤：

步骤1、将超声波换能器安装于管路上，该管路为被测热量测量系统流量传感器安装的同一管路，通过时间差法计算获得供热回路管道内的标准流量，与超声波换能器相连的超声波流量计主机通过数据采集单元将标准流量信息传输至工控机；

步骤2、用恒温槽模拟供热回路中入口管道及出口管道内介质的温度，以标准数字温度计测量恒温槽内模拟的入口管道及出口管道的温度，将标准数字温度计所得标准温度信息通过数据采集单元传输至工控机；同时，用被测热量测量系统的被测温度计测量恒温槽内模拟的入口管道及出口管道的温度，作为被校验温度信号；

步骤3、工控机根据步骤1、步骤2所述的标准流量信息及标准温度信息，利用基于焓差法的优化热量计算公式计算得到标准热量值；所述优化热量计算公式为：

式中：Q—热量值，kJ；

q_m—流经超声波流量计的热水质量流量，kg/s；

δq_m—流经超声波流量计经过温度补偿修正的热水质量流量，kg/s；

h₁—入口温度对应的焓值，kJ/kg；

h₂—出口温度对应的焓值，kJ/kg；

δh₁—入口温度由系统效应和随机效应带来的对应焓值误差的代数和，kJ/kg；

δh₂—出口温度由系统效应和随机效应带来的对应焓值误差的代数和，kJ/kg；

t—测量时间，s。

步骤4、利用图像采集单元通过摄像拍照得到被测热量测量系统二次显示仪表的显示值，该显示值包括流量值、温度值及热量值，所述图像采集单元将显示值传送至工控机中，作为被校验值。

或者将被测热量测量系统自身测量计算的温度值、流量值、热量值传输至工控机内，作为被校验值；(利用被测热量测量系统的热量表专用数据采集器通过Modbus协议进行被测热量仪表的数据采集，包括流量值、温度值及热量值，所述专用数据采集器将数据传送至工控机中，作为被校验值。)

步骤5、在工控机内对标准值及被校验值进行误差计算完成对被测热量测量系统的现场在线量值溯源，从而达到校准被测热量测量系统的目的。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明所述双声道换能器安装在被测热量计量仪表测量管道的外侧对流量值进行测量；以现场型恒温槽用于模拟供热交换回路中入口管道及出口管道内介质的温度，利用双通道高精度标准数字温度计对恒温槽内温度进行采集，同时用被测温度计对恒温槽温度进行采集；将换能器采集的流量信号与温度计采集的温度信号传输至工控机，所述工控机对流量数据、温度数据进行处理及计算，得出标准热量值。同时，以摄像头对被测热量仪表的显示数据进行摄像拍照，得到被测热量值。在工控机内对标准热量值及被测热量值进行误差计算完成对被测热量仪表的现场在线量值溯源。

本发明双声道换能器采集的供热交换回路流量值也可直接作为被测热量仪表流量值的校准数据。

本发明双通道高精度标准数字温度计于现场恒温槽采集的温度值也可作为被测热量仪表的温度值的校准数据。具体地，将被测热量计量仪表的温度传感器从供热交换回路中拆卸后放入现场型恒温槽中，采集到被测温度值，与双通道高精度标准数字温度计采集到的温度值进行比较、计算以及校准。

本发明无需拆卸被测流量传感器即可校准热量测量系统，使用方便；另外，还可通过单/双声道换能器获得管道流量标准值，现场热量在线校准的准确度和数据处理功能得到了显著的提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明现场在线校准装置示意图。

图中，1为超声波换能器、2为超声波流量计主机、3为标准数字温度计、4为工控机、5为图像采集单元、6为数据采集单元、7为恒温槽、8为热量表专用数据采集器、9为被测热量测量系统流量传感器、10为二次显示仪表、11为供热回路管道。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括超声波换能器1、超声波流量计主机2、标准数字温度计3、现场型恒温槽7、数据采集单元6、工控机4及用于采集被测热量计量仪表显示值的图像采集单元5。

所述超声波换能器1设置于供热回路管道11上，用于采集供热交换回路的流量信号；所述超声波换能器1的信号输出端口通过数据线与超声波流量计主机2的信号输入端口相连。所述超声波流量计主机2的信号输出端口与数据采集单元6相连；所述数据采集单元6与工控机4相连。

所述现场型恒温槽7用于模拟供热交换回路中入口管道及出口管道内介质的温度，所述标准数字温度计3用于对恒温槽7进行温度测量。

所述工控机4与图像采集单元5相连，通过图像采集单元5对被测热量测量系统所显示数据进行摄像拍照，得到被测热量值；对标准热量值和被测热量值进行相对误差计算完成对被测热量测量系统的现场在线量值溯源。

进一步地，被测热量测量系统的被测温度计采集恒温槽7模拟的温度，该被测温度计的温度信号显示于被测热量测量系统的二次显示仪表10上，该二次显示仪表10还显示被测热量测量系统的热量值及流量值；(被测温度计与被测热量测量系统的二次显示仪表10相连，所述被测热量测量系统的二次显示仪表10还与被测热量测量系统流量传感器9相连；)所述被测热量测量系统与数据采集单元6相连；(所述二次显示仪表10的输出与热量表专用数据采集器8输入相连，所述热量表专用数据采集器8的输入与数据采集单元6相连)。热量表专用采集器利用Modbus协议采集被测热量测量系统数据，通过串口与数据采集系统进行数据传输。

优选地，所述超声波换能器1采用便携式外夹单/双声道换能器。采用双声道换能器可提高测量准确度，采用外夹式便于换能器在供热回路管道11上的安装。

优选地，所述图像采集单元5包括摄像头。

优选地，所述标准数字温度计3选用双通道高精度标准数字温度计3。标准数字温度计3采用RS232C串行通信接口与数据采集系统通讯连接。

优选地，所述工控机4为便携式工控机4。

优选地，所述数据采集单元6包括模拟量输入模块及与模拟量输入模块相连的串口通信采集模块；所述串口通信采集模块与工控机4相连。所述超声波流量计主机2输出4～20mA电流，模拟量输入模块与超声波流量计主机2相连，串口通信采集模块可选用RS485转换模块。

基于修正热量的热量测量系统现场在线校准方法，包括以下步骤：

步骤1、将超声波换能器1安装于管路上，该管路为被测热量测量系统流量传感器9安装的同一管路，通过时间差法计算获得供热回路管道11内的标准流量，与超声波换能器1相连的超声波流量计主机2通过数据采集单元6将标准流量信息传输至工控机4。

具体地，时间差法是通过测量超声波在流体中顺流传播时间和逆流传播时间的差，计算出流体的在管道内的流速，进而得到管道内的流量值。

步骤2、用恒温槽7模拟供热回路中入口管道及出口管道内介质的温度，以标准数字温度计3测量恒温槽7内模拟的入口管道及出口管道的温度，将标准数字温度计3所得标准温度信息通过数据采集单元6传输至工控机4；同时，用被测热量测量系统的被测温度计测量恒温槽7内模拟的入口管道及出口管道的温度，作为被校验温度信号；

步骤3、工控机4根据步骤、步骤所述的标准流量信息及标准温度信息，利用基于焓差法的优化热量计算公式计算得到标准热量值；所述热量计算公式为：

式中：Q—热量值，kJ；

q_m—流经超声波流量计的热水质量流量，kg/s；

δq_m—流经超声波流量计经过温度补偿修正的热水质量流量，kg/s；

h₁—入口温度对应的焓值，kJ/kg；

h₂—出口温度对应的焓值，kJ/kg；

δh₁—入口温度由系统效应和随机效应带来的对应焓值误差的代数和，kJ/kg；

δh₂—出口温度由系统效应和随机效应带来的对应焓值误差的代数和，kJ/kg；

t—测量时间，s。

普通标准焓差计算公式为：

与普通标准焓差计算公式相比，公式(1)中通过对热水温度的测量，通过密度换算，将标准热水质量流量q_m进行了修正，将实际测量值增加了δq_m。

步骤4、利用图像采集单元5通过摄像拍照得到被测热量测量系统二次显示仪表10的显示值，该显示值包括流量值、温度值及热量值，所述图像采集单元5将显示值传送至工控机4中，作为被校验值。

或者将被测热量测量系统自身测量计算的温度值、流量值、热量值传输至工控机4内，作为被校验值；(利用被测热量测量系统的热量表专用数据采集器8通过Modbus协议进行被测热量仪表的数据采集，所述专用数据采集器将数据传送至工控机4中，包括流量值、温度值及热量值，所述专用数据采集器将数据传送至工控机4中，作为被校验值。)。

又或者即利用图像采集单元又利用被测热量系统自身测量结构共同作为被校验值。

步骤5、在工控机4内对标准值及被校验值进行误差计算完成对被测热量测量系统的现场在线量值溯源，从而达到校准被测热量测量系统的目的。

具体地，超声波流量计主机2与数据采集单元6相连，该流量计主机输出4～20mA电流，数据采集单元6通过通用串行总线与工控机4通讯。高精度标准数字温度计3采用RS232C串行通信接口与工控机4相连，图像采集单元5采集被测热量测量系统数据图像后采用通用串行总线与工控机4相连，工控机4通过图像处理得到显示值；或者通过热量表专用采集器利用Modbus协议采集被测热量测量系统数据，通过串口与工控机4进行数据传输。

图1中，通过超声波换能器1与超声波流量计主机2组合测量供热回路管道11中的标准流量值，利用现场型恒温槽7模拟供热回路中入口管路和出口管路的温度，将被测热量仪表的温度计与标准温度计放入现场型恒温槽7中测量得到标准温度及被测仪表显示温度，通过图像采集单元5(或热量表专用数据采集器8)和数据采集系统传送至工控机4(数据处理上位机)中，利用专用热量计算程序由焓差计算公式得到标准热量值，与被测热量仪表的显示值进行相对误差比较完成量值溯源。

下面结合图说明本发明的安装及工作过程。

首先，将超声波换能器1安装在被测热量仪表流量传感器同一管路上(即被测热量仪表测量的供热回路管道11的外侧)，通过时间差法计算获得供热回路管道11内的标准流量，超声波流量计主机2通过4～20mA电流信号输出至数据采集单元6，高精度标准数字温度计3将标准温度计信号通过数据采集单元6输出至工控机4。利用专用热量计算程序根据焓差公式计算得到标准热量值。图像采集单元5通过摄像拍照得到被测热量测量系统的显示值(于被测热量系统二次显示仪表10)，该显示值包括流量、温度及热量值等，或者利用热量表专用数据采集器8通过Modbus协议进行被测热量测量系统的数据采集，图像采集单元5和专用数据采集器将数据传送至便携式工控机4中，作为被校验值。在工控机4内对标准热量值及被测热量值(被检验值)进行误差计算完成对被测热量仪表的现场在线量值溯源，从而达到校准被测热量测量系统的目的。

同时，双声道换能器采集的供热交换回路流量值也可直接作为被测热量仪表流量值的校准数据，对仪表的流量值进行测量或校准。双通道高精度标准数字温度计3于现场恒温槽7采集的温度值也可作为被测热量仪表的温度值的校准数据。将被测热量测量系统的温度传感器从供热交换回路中拆卸后放入现场型恒温槽7中，采集到被测温度值，与双通道高精度标准数字温度计3采集到的温度值进行比较、计算以及校准。实现热量测量系统的温差值进行校准，且其对被测热量测量系统正常工作的影响可以忽略。由于使用本发明校验无需拆卸被测流量传感器，因此使用非常方便。因其不用拆卸被测热量测量系统，不影响其正常供水及供热，校准结果比分别测量流量和温度的传统方法更加符合客户需求。对供热回路中不含热量显示值的热水系统，本发明也可获得标准热量值。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于，包括超声波换能器、超声波流量计主机、标准数字温度计、恒温槽、数据采集单元、工控机及用于采集被测热量计量仪表显示值的图像采集单元；

所述超声波换能器设置于供热回路管道上，用于采集供热交换回路的流量信号；所述超声波换能器的信号输出端口通过数据线与超声波流量计主机的信号输入端口相连；所述超声波流量计主机的信号输出端口与数据采集单元相连；

所述恒温槽用于模拟供热交换回路中入口管道及出口管道内介质的温度，所述标准数字温度计用于对恒温槽进行温度测量，所述标准数字温度计与数据采集单元相连；所述数据采集单元与工控机相连，所述工控机与图像采集单元相连。

2.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：被测热量测量系统的被测温度计采集恒温槽模拟的温度，该被测温度计的温度信号显示于被测热量测量系统的二次显示仪表上，所述被测热量测量系统与数据采集单元相连。

3.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：所述超声波换能器采用便携式外夹单/双声道换能器。

4.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：所述图像采集单元包括摄像头。

5.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：所述标准数字温度计选用双通道高精度标准数字温度计。

6.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：所述工控机为便携式工控机。

7.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：所述数据采集单元包括模拟量输入模块及与模拟量输入模块相连的串口通信采集模块；所述模拟量输入模块与超声波流量计主机相连，所述串口通信采集模块与工控机相连。

8.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置，其特征在于：所述恒温槽为现场型恒温槽。

9.根据权利要求1所述的基于修正热量的热量测量系统现场在线校验装置的校验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1、将超声波换能器安装于管路上，该管路为被测热量测量系统流量传感器安装的同一管路，通过时间差法计算获得供热回路管道内的标准流量，与超声波换能器相连的超声波流量计主机通过数据采集单元将标准流量信息传输至工控机；

步骤2、用恒温槽模拟供热回路中入口管道及出口管道内介质的温度，以标准数字温度计测量恒温槽内模拟的入口管道及出口管道的温度，将标准数字温度计所得标准温度信息通过数据采集单元传输至工控机；同时，用被测热量测量系统的被测温度计测量恒温槽内模拟的入口管道及出口管道的温度，作为被校验温度信号；

步骤3、工控机根据步骤1、步骤2所述的标准流量信息及标准温度信息，利用基于焓差法的优化热量计算公式计算得到标准热量值；所述优化热量计算公式为：

<mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>t</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>q</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;delta;q</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;delta;h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;delta;h</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中：Q—热量值，kJ；

q_m—流经超声波流量计的热水质量流量，kg/s；

δq_m—流经超声波流量计经过温度补偿修正的热水质量流量，kg/s；

h₁—入口温度对应的焓值，kJ/kg；

h₂—出口温度对应的焓值，kJ/kg；

δh₁—入口温度由系统效应和随机效应带来的对应焓值误差的代数和，kJ/kg；

δh₂—出口温度由系统效应和随机效应带来的对应焓值误差的代数和，kJ/kg；

t—测量时间，s。

步骤4、利用图像采集单元通过摄像拍照得到被测热量测量系统二次显示仪表的显示值，该显示值包括流量值、温度值及热量值，所述图像采集单元将显示值传送至工控机中，作为被校验值；或者将被测热量测量系统自身测量计算的温度值、流量值、热量值传输至工控机内，作为被校验值；

步骤5、在工控机内对标准值及被校验值进行误差计算完成对被测热量测量系统的现场在线量值溯源，从而达到校准被测热量测量系统的目的。