CN108645542A - 一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其在以采样周期t_s为时间间隔对热量表耐久性试验过程状态参数进行采集；建立试验过程状态参数数据集，判断步骤(2)的热水箱液位数据集L_hot是否在热水箱的最高液位和最低液位之间、冷水箱液位数据集L_cold是否在冷水箱的最高液位和最低液位之间，对热水箱进水阀、热水箱出水阀、冷水箱进水阀以及冷水箱出水阀进行调节，以实现冷热水箱的液位平衡，本发明有效避免因累积效应产生的一个水箱溢水一个水箱缺水的缺陷，保证了冷热水箱各自的温度稳定，使平台的试验条件严格遵循热量表耐久性冷热冲击试验标准。

Description

一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法

技术领域

本发明属于热量表计量技术领域，具体涉及一种基于牛顿迭代法的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法。

背景技术

在我国，实际使用热量表进行分户计量从开始试点至今已有十多年时间，热量表的安装使用数量已很庞大。从日常检测统计情况看，热量表产品质量存在的问题主要表现在长期可靠性方面。关于热量表的耐久性研究，具体试验主要有2400h基本耐久试验、300h附加耐久试验和4000次冷热冲击试验，且积累的数据也不很充分。在国内，2400h基本耐久试验和300h附加耐久试验已有国标规范，但4000次冷热冲击试验还处在探索阶段。

在实际的4000次冷热冲击耐久性试验中，由于热水、冷水周期性轮换冲击试验管道，试验水再根据程序回到相应的热水箱或冷水箱。在回水的过程中，不可避免地发生两个水箱的水位小小偏移，长期累积作用下，热水箱和冷水箱可能一个水溢出，另一个则相应缺水状态。这将导致整个试验被迫停止，手动水位平衡，造成时间、人力的浪费和试验的有效性大大降低。

因此，研究一种基于牛顿迭代法的热量表耐久性冷热水箱水位平衡方法，具有重要的现实必要性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的不足而提供一种基于牛顿迭代法的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，本发明的检测方法可靠性高、安全性好、操作方便。

本发明所采用的技术方案是：

一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其由以下步骤组成：

(1)以采样周期t_s为时间间隔对热量表耐久性试验过程状态参数进行采集；热量表耐久性试验过程状态参数具体包括热水箱液位、热水箱最高液位、热水箱最低液位、冷水箱液位、冷水箱最高液位、冷水箱最低液位、冷热水箱液位差、热水箱进水阀开启时间及热水箱进水阀关闭时间、热水箱回水阀开启时间及热水箱回水阀关闭时间、冷水箱进水阀开启时间及冷水箱进水阀关闭时间、冷水箱回水阀开启时间及冷水箱回水阀关闭时间；

(2)根据步骤(1)所采集的热量表耐久性试验过程状态参数，建立试验过程状态参数数据集，记当前采样次数为k，k≥1；采样时间t＝kt_s，单位：s；试验过程状态参数数据集包括热水箱液位数据集L_hot、冷水箱液位数据集L_cold和回水阀关闭时间数据集T_h；

(3)判断步骤(2)的热水箱液位数据集L_hot是否在热水箱的最高液位和最低液位之间、冷水箱液位数据集L_cold是否在冷水箱的最高液位和最低液位之间，

当L_hot-Lw≤L_hot-yw(i)≤L_hot-Mw且L_cold-Lw≤L_cold-yw(i)≤L_cold-Mw且L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)>L_limit或L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)<-L_limit时，则按照下述方法对热水箱进水阀、热水箱出水阀、冷水箱进水阀以及冷水箱出水阀进行调节以实现冷热水箱的液位平衡：

T＝kT₀时，F_hot-j＝{1,0}，F_cold-j＝{0,1}；

T＝kT₀+T_d+T_b时，F_cold-h＝{0,1}，F_hot-h＝{1,0}；

T＝kT₀+150s时，F_hot-j＝{0,1}，F_cold-j＝{1,0}；

T＝kT₀+150s+T_d-T_b时，F_hot-h＝{0,1}，F_cold-h＝{1,0}

其中，T_d为试验中某一个周期内，热水箱进水阀打开后冷水箱回水阀关闭的等待时间或者是冷水箱进水阀打开后热水箱回水阀关闭的等待时间，是根据管道长度、管径和流速计算可得；T_b为冷热水箱液位平衡时在T_d上的调节步长时间，是通过牛顿迭代法确定出；T₀为冷热冲击试验周期；

L_hot-yw(i)为热水箱当前采集到的液位值，L_hot-Mw为热水箱限定的最高液位，L_hot-Lw为热水箱限定的最低液位，1≤i≤k；L_cold-yw(i)为冷水箱当前采集到的液位值，L_cold-Mw为冷水箱限定的最高液位，L_cold-Lw为冷水箱限定的最低液位，L_limit为热水箱液位比冷水箱液位高出的极限调节值，1≤i≤k；

F_hot-j为热水箱进水阀开关指令，F_hot-j＝0，热水箱进水阀关闭，F_hot-j＝1，热水箱进水阀开启；F_hot-h为热水箱回水阀开关指令，F_hot-h＝0，热水箱回水阀关闭，F_hot-h＝1，热水箱回水阀开启；F_cold-j为冷水箱进水阀开关指令，F_cold-j＝0，冷水箱进水阀关闭，F_cold-j＝1，冷水箱进水阀开启，F_cold-h为冷水箱回水阀开关指令，F_cold-h＝0，冷水箱回水阀关闭，F_cold-h＝1，冷水箱回水阀开启。

进一步限定，步骤(2)所述的试验过程状态参数数据集具体包括以下数据集：

2.1)热水箱液位数据集L_hot＝{L_hot-yw(i)，L_hot-Mw，L_hot-Lw}，单位：m；

其中，L_hot-yw(i)为热水箱当前采集到的液位值，L_hot-Mw为热水箱限定的最高液位，L_hot-Lw为热水箱限定的最低液位，1≤i≤k；

2.2)冷水箱液位数据集L_cold＝{L_cold-yw(i)，L_cold-Mw，L_cold-Lw，L_limit}，单位：m；

其中，L_cold-yw(i)为冷水箱当前采集到的液位值，L_cold-Mw为冷水箱限定的最高液位，L_cold-Lw为冷水箱限定的最低液位，L_limit为热水箱液位比冷水箱液位高出的极限调节值，1≤i≤k；

2.3)回水阀关闭时间数据集T_h＝{T_d，T_b，T_c，T₀，L_pip，DN，Q，ν}；

其中，T_c为冷热水箱液位平衡时液位差的初始时间，一般取值为2～10s；L_pip为从进水阀到出水阀之间的管道长度，单位：m；DN为测试管路的管径，单位：mm；Q为试验时管路瞬时流量，单位：m³/h；ν为试验时管路瞬时流速，单位：m/s。

进一步限定，所述回水阀关闭时间数据集是根据步骤(1)所采集冷热水箱液位及热水箱进水阀开启时间及热水箱进水阀关闭时间、热水箱回水阀开启时间及热水箱回水阀关闭时间、冷水箱进水阀开启时间及冷水箱进水阀关闭时间、冷水箱回水阀开启时间及冷水箱回水阀关闭时间以及测试管路的规格确定出。

进一步限定，所述T_d是根据管道长度、管径和流速确定出，具体计算方法为：

其中：

进一步限定，所述T_b是利用牛顿迭代法确定出，具体方法为：

结束迭代过程的条件为：

|L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)|≤L_limitmin

其中，当i＝1时，T_b(0)是迭代步长的初始值；L_limitmin为冷热水箱水位差的极小值。

本发明所涉及的一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，为国内热量表耐久性试验过程中首次提出关于冷热水箱水位平衡的方法，避免因累积效应产生的一个水箱溢水一个水箱缺水的缺陷，保证了冷热水箱各自的温度稳定，使平台的试验条件严格遵循热量表耐久性冷热冲击试验标准，本发明有效提高了对试验过程的监控能力，加强了无人监守下的自动控制能力，为热量表的耐久性试验提供一种技术支持，对提升产品计量保障能力及检验检测能力具有重要的社会意义。

附图说明

图1为热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法逻辑图。

图2为4000次冷热冲击试验控制阀的开关逻辑。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。

本发明的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法主要是在热量表耐久性冷热冲击试验中通过牛顿迭代法逐步更改步长时间，能够实现冷热水箱的水位平衡，有效提高了热量表耐久性试验的自动监控。

现以4000次冷热冲击试验为例，4000次冷热冲击试验就是在最大流量下温度负荷按周期性大小变化得耐久性试验。其运行的时间：按每日4次负载变化×每年供热200天×5年检定周期＝4000次负载变化估算；设计为每日288次的负荷变化，那么达到4000次变化就只需要大约14天了。

4000次冷热负荷变化试验要求：

(1)温度从20℃开始，1min之内将温度转换至90℃，在90℃下运行2.5min。

(2)然后1min之内将温度转换到20℃，在20℃温度条件下运行2.5min。

(3)前两步过程为一个周期，如此运行4000个周期。

(4)整个过程在q_s条件下运行，q_s的偏差为-5％。

从运行过程可以看出，4000次冷热冲击试验需14天的连续试验，这就需要一个稳定控制良好的冷热水箱水位平衡方法。

本发明的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，参见图1，具体由以下步骤实现：

(1)在线监测水箱、进出水阀以及回水阀，以采样周期t_s为间隔采集热量表耐久性试验过程状态参数，具体包括热水箱液位、热水箱最高液位、热水箱最低液位、冷水箱液位、冷水箱最高液位、冷水箱最低液位、冷热水箱液位差、热水箱进水阀开启时间及热水箱进水阀关闭时间、热水箱回水阀开启时间及热水箱回水阀关闭时间、冷水箱进水阀开启时间及冷水箱进水阀关闭时间、冷水箱回水阀开启时间及冷水箱回水阀关闭时间；

(2)根据步骤(1)所采集的热量表耐久性试验过程状态参数，建立试验过程状态参数数据集，即实现对过程监控数据的预处理。

记当前采样次数为k，k≥1；采样时间t＝kt_s，单位：s；试验过程状态参数数据集具体包括以下数据集：

2.1)热水箱液位数据集L_hot＝{L_hot-yw(i)，L_hot-Mw，L_hot-Lw}，单位：m；

其中，L_hot-yw(i)为热水箱当前采集到的液位值，L_hot-Mw为热水箱限定的最高液位，L_hot-Lw为热水箱限定的最低液位，1≤i≤k；

2.2)冷水箱液位数据集L_cold＝{L_cold-yw(i)，L_cold-Mw，L_cold-Lw，L_limit}，单位：m；

其中，L_cold-yw(i)为冷水箱当前采集到的液位值，L_cold-Mw为冷水箱限定的最高液位，L_cold-Lw为冷水箱限定的最低液位，L_limit为热水箱液位比冷水箱液位高出的极限调节值，1≤i≤k；

2.3)回水阀关闭时间数据集T_h＝{T_d，T_b，T_c，T₀，L_pip，DN，Q，ν}；

该回水阀关闭时间数据集是根据步骤(1)所采集的冷热水箱液位及热水箱进水阀开启时间及热水箱进水阀关闭时间、热水箱回水阀开启时间及热水箱回水阀关闭时间、冷水箱进水阀开启时间及冷水箱进水阀关闭时间、冷水箱回水阀开启时间及冷水箱回水阀关闭时间以及测试管路的规格确定出的。

其中，T_d为试验中某一个周期内，热水箱进水阀打开后冷水箱回水阀关闭的等待时间或者是冷水箱进水阀打开后热水箱回水阀关闭的等待时间，可根据管道长度、管径和流速计算得到；T_b为冷热水箱液位平衡时在T_d上的调节步长时间，利用牛顿迭代法来确定；T_c为冷热水箱液位平衡时液位差的初始时间，T_c一般取2～10s；T₀为4000次冷热冲击试验周期；L_pip为从进水阀到出水阀之间的管道长度，单位：m；DN为测试管路的管径，单位：mm；Q为试验时管路瞬时流量，单位：m³/h；ν为试验时管路瞬时流速，单位：m/s。

(3)判断步骤(2)的热水箱液位数据集是否在热水箱的最高液位和最低液位之间、冷水箱液位数据集是否在冷水箱的最高液位和最低液位之间，当冷水箱和热水箱之间的液位差值超出L_limit的范围时，即L_hot-Lw≤L_hot-yw(i)≤L_hot-Mw且L_cold-Lw≤L_cold-yw(i)≤L_cold-Mw且L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)>L_limit或L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)<-L_limit时，

利用牛顿迭代法来逐步确定T_b值，具体为：

结束迭代过程的条件为：

|L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)|≤L_limitmin

其中，T_c为冷热水箱液位平衡时液位差的初始时间，当i＝1时，T_b(0)是迭代步长的初始值；L_limitmin为冷热水箱水位差的极小值。

根据管道长度、管径和流速计算T_d值，具体为：

其中：

参见图2，按照下述开关阀的时序逻辑对热水箱进水阀、热水箱出水阀、冷水箱进水阀以及冷水箱出水阀进行调节以实现冷热水箱的液位平衡：

T＝kT₀时，F_hot-j＝{1,0}，F_cold-j＝{0,1}；

T＝kT₀+T_d+T_b时，F_cold-h＝{0,1}，F_hot-h＝{1,0}；

T＝kT₀+150s时，F_hot-j＝{0,1}，F_cold-j＝{1,0}；

T＝kT₀+150s+T_d-T_b时，F_hot-h＝{0,1}，F_cold-h＝{1,0}

其中，F_hot-j为热水箱进水阀开关指令，F_hot-j＝0，热水箱进水阀关闭，F_hot-j＝1，热水箱进水阀开启；F_hot-h为热水箱回水阀开关指令，F_hot-h＝0，热水箱回水阀关闭，F_hot-h＝1，热水箱回水阀开启；F_cold-j为冷水箱进水阀开关指令，F_cold-j＝0，冷水箱进水阀关闭，F_cold-j＝1，冷水箱进水阀开启，F_cold-h为冷水箱回水阀开关指令，F_cold-h＝0，冷水箱回水阀关闭，F_cold-h＝1，冷水箱回水阀开启。

实施例1

用本实施例的热量表耐久性试验装置对热量表进行4000次冷热冲击试验时，所选热量表为等级3级的DN25热量表，在试验过程中的冷热水位平衡方法具体为：

(1)以采样周期t_s＝5s为间隔对耐久性试验过程状态参数；

(2)建立试验过程状态参数数据集，记当前采样次数为k，k≥1；采样时间t＝kt_s；冷热水从水泵开始流经试验管路，直到回到水箱，其具体试验管路L_pip＝15.0m，4000次冷热冲击瞬时流量Q＝7.0m³/s，4000次冷热冲击周期T₀＝300s，因此，试验流速为：

因此，热水或冷水出来到最后流回热水箱或冷水箱所用时间T_d为

(3)判断步骤(2)的热水箱液位数据集是否在热水箱的最高液位和最低液位之间、冷水箱液位数据集是否在冷水箱的最高液位和最低液位之间、冷水箱和热水箱之间的液位差值是否超出L_limit的范围。

冷热水箱为双层保温水箱，内高0.7m，则水箱液位的上下限为L_hot-Lw＝L_cold-Lw＝0.35m，L_hot-Mw＝L_cold-Mw＝0.6m，为保证试验的可靠性，L_limit＝0.1m。

当0.35≤L_hot-yw(i)≤0.6且0.35≤L_cold-yw(i)≤0.6且L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)>0.1或L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)<-0.1时：

在没有液位自动平衡方法调整时，某一周期中四个开关阀的时序逻辑为：

当T＝k300s，F_hot-j＝{1,0}，F_cold-j＝{0,1}；

当T＝(k300+3.79)s，F_hot-h＝{1,0}，F_cold-h＝{0,1}；

当T＝(k300+150)s，F_hot-j＝{0,1}，F_cold-j＝{1,0}；

当T＝(k300+150+3.79)s，F_hot-h＝{0,1}，F_cold-h＝{1,0}；

本发明进行冷热水箱的液位平衡调整时，某一周期中四个开关阀的时序逻辑为：

当T＝k300s，F_hot-j＝{1,0}，F_cold-j＝{0,1}；

当T＝(k300+3.79+T_b)s，F_hot-h＝{1,0}，F_cold-h＝{0,1}；

当T＝(k300+150)s，F_hot-j＝{0,1}，F_cold-j＝{1,0}；

当T＝(k300+150+3.79-T_b)s，F_hot-h＝{0,1}，F_cold-h＝{1,0}。

其中，T_b是利用牛顿迭代法确定，具体公式为：

其中，T_c根据工况(当0.35≤L_hot-yw(i)≤0.6且0.35≤L_cold-yw(i)≤0.6且L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)>0.1或L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)<-0.1时)在4000次冷热冲击时设定为T_c＝5s，T_b(0)是迭代步长的初始值，设定T_b(0)＝0s。根据实际工况经验及传感器精度，确定L_limitmin＝0.01m。

为了不让迭代过程无休止地执行下去，需要一个用来结束迭代过程的条件，即为

|L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)|≤0.01。

则按照该时序逻辑对热水箱进水阀、热水箱出水阀、冷水箱进水阀以及冷水箱出水阀进行调节以实现冷热水箱的液位平衡。

Claims (5)

1.一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其特征在于由以下步骤组成：

(1)以采样周期t_s为时间间隔对热量表耐久性试验过程状态参数进行采集；热量表耐久性试验过程状态参数具体包括热水箱液位、热水箱最高液位、热水箱最低液位、冷水箱液位、冷水箱最高液位、冷水箱最低液位、冷热水箱液位差、热水箱进水阀开启时间及热水箱进水阀关闭时间、热水箱回水阀开启时间及热水箱回水阀关闭时间、冷水箱进水阀开启时间及冷水箱进水阀关闭时间、冷水箱回水阀开启时间及冷水箱回水阀关闭时间；

(2)根据步骤(1)所采集的热量表耐久性试验过程状态参数，建立试验过程状态参数数据集，记当前采样次数为k，k≥1；采样时间t＝kt_s，单位：s；试验过程状态参数数据集包括热水箱液位数据集L_hot、冷水箱液位数据集L_cold和回水阀关闭时间数据集T_h；

(3)判断步骤(2)的热水箱液位数据集L_hot是否在热水箱的最高液位和最低液位之间、冷水箱液位数据集L_cold是否在冷水箱的最高液位和最低液位之间，

当L_hot-Lw≤L_hot-yw(i)≤L_hot-Mw且L_cold-Lw≤L_cold-yw(i)≤L_cold-Mw且L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)>L_limit或L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)<-L_limit时，则按照下述方法对热水箱进水阀、热水箱出水阀、冷水箱进水阀以及冷水箱出水阀进行调节以实现冷热水箱的液位平衡：

T＝kT₀时，F_hot-j＝{1,0}，F_cold-j＝{0,1}；

T＝kT₀+T_d+T_b时，F_cold-h＝{0,1}，F_hot-h＝{1,0}；

T＝kT₀+150s时，F_hot-j＝{0,1}，F_cold-j＝{1,0}；

T＝kT₀+150s+T_d-T_b时，F_hot-h＝{0,1}，F_cold-h＝{1,0}

其中，T_d为试验中某一个周期内，热水箱进水阀打开后冷水箱回水阀关闭的等待时间或者是冷水箱进水阀打开后热水箱回水阀关闭的等待时间，是根据管道长度、管径和流速计算可得；T_b为冷热水箱液位平衡时在T_d上的调节步长时间，是通过牛顿迭代法确定出；T₀为冷热冲击试验周期；

L_hot-yw(i)为热水箱当前采集到的液位值，L_hot-Mw为热水箱限定的最高液位，L_hot-Lw为热水箱限定的最低液位，1≤i≤k；L_cold-yw(i)为冷水箱当前采集到的液位值，L_cold-Mw为冷水箱限定的最高液位，L_cold-Lw为冷水箱限定的最低液位，L_limit为热水箱液位比冷水箱液位高出的极限调节值，1≤i≤k；

F_hot-j为热水箱进水阀开关指令，F_hot-j＝0，热水箱进水阀关闭，F_hot-j＝1，热水箱进水阀开启；F_hot-h为热水箱回水阀开关指令，F_hot-h＝0，热水箱回水阀关闭，F_hot-h＝1，热水箱回水阀开启；F_cold-j为冷水箱进水阀开关指令，F_cold-j＝0，冷水箱进水阀关闭，F_cold-j＝1，冷水箱进水阀开启，F_cold-h为冷水箱回水阀开关指令，F_cold-h＝0，冷水箱回水阀关闭，F_cold-h＝1，冷水箱回水阀开启。

2.根据权利要求1所述的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其特征在于，步骤(2)所述的试验过程状态参数数据集具体包括以下数据集：

2.1)热水箱液位数据集L_hot＝{L_hot-yw(i)，L_hot-Mw，L_hot-Lw}，单位：m；

其中，L_hot-yw(i)为热水箱当前采集到的液位值，L_hot-Mw为热水箱限定的最高液位，L_hot-Lw为热水箱限定的最低液位，1≤i≤k；

2.2)冷水箱液位数据集L_cold＝{L_cold-yw(i)，L_cold-Mw，L_cold-Lw，L_limit}，单位：m；

其中，L_cold-yw(i)为冷水箱当前采集到的液位值，L_cold-Mw为冷水箱限定的最高液位，L_cold-Lw为冷水箱限定的最低液位，L_limit为热水箱液位比冷水箱液位高出的极限调节值，1≤i≤k；

2.3)回水阀关闭时间数据集T_h＝{T_d，T_b，T_c，T₀，L_pip，DN，Q，ν}；

其中，T_c为冷热水箱液位平衡时液位差的初始时间，一般取值为2～10s；L_pip为从进水阀到出水阀之间的管道长度，单位：m；DN为测试管路的管径，单位：mm；Q为试验时管路瞬时流量，单位：m³/h；ν为试验时管路瞬时流速，单位：m/s。

3.根据权利要求2所述的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其特征在于，所述回水阀关闭时间数据集是根据步骤(1)所采集冷热水箱液位及热水箱进水阀开启时间及热水箱进水阀关闭时间、热水箱回水阀开启时间及热水箱回水阀关闭时间、冷水箱进水阀开启时间及冷水箱进水阀关闭时间、冷水箱回水阀开启时间及冷水箱回水阀关闭时间以及测试管路的规格确定出。

4.根据权利要求3所述的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其特征在于，所述T_d是根据管道长度、管径和流速确定出，具体计算方法为：

其中：

5.根据权利要求3所述的热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法，其特征在于，所述T_b是利用牛顿迭代法确定出，具体方法为：

结束迭代过程的条件为：

|L_hot-yw(i)-L_cold-yw(i)|≤L_limitmin

其中，当i＝1时，T_b(0)是迭代步长的初始值；L_limitmin为冷热水箱水位差的极小值。