王俭

摘 要 本文介绍了目前供热计量改革的现状，针对其存在的问题，设计了一种测控一体化的热计量仪表。该仪表不仅能够对供热过程中的用热量进行准确计量，同时具备对用户供热的调节能力，实现供热二次管网的水力平衡，真正做到了计量控制一体化，并取得了良好的试验效果。

【关键词】测控一体化 供热计量 二次管网 水力平衡

2000年建设部发布的“76号令”明确了“鼓励发展分户热量计量技术与装置”和“推行温度调节和户用热量计量装置”，吹响了供热计量改革的号角，促进了中国热计量仪器仪表产业的发展。但目前行业内普遍提供的供热计量解决方案不是单一的热量表热计量收费方案，就是室温控制节能方案，两套方案提供的供热分户计量系统和室温控制系统在通常情况下是两套独立的系统，实践发现，同时安装这两套系统在技术、施工、可操作性和用户接受性等方面均存在相当多的问题。能否跳出传统热量表结构的框框，从系统上考虑，把计量功能和控制管理功能组合起来设计制造一套仪表装置，这不仅代表着行业专家的观点，也代表着供热企业和用户的期望。

1 研究目的與意义

在当前政策背景与用户需求双重驱动下，本文推出了基于电磁测量原理的计量温控型热量表--平衡热量表，平衡热量表融热量计量方案和室内温控方案为一体，充分发挥了两者的综合优势，同时又避免了单一系统带来的缺陷。

作为创新设计的平衡热量表，采用测量一体化阀芯结构等多项关键技术，内置流量传感器和控制阀，配备一对进水和回水温度传感器，不仅具备常规热量表的计量、显示、通讯等功能，还可以通过内置阀调节房间热交换器的热流量，实现房间内温度可控制等功能。对比单一的室温调节系统，平衡热量表不仅实现对室内温度的精确控制，还能提供每户的供热量数据，作为计量收费和数据分析的基础。特别对于一些既想要实现分户计量，又想要对室温进行自动控制实现节能目的的需求，相较于以前需同时采用两套系统，本设计则在系统结构、硬件成本和施工成本上具有明显的优势。

2 测控一体化平衡热量表设计

2.1 平衡热量表设计思路

电磁流量计是随着电子技术的发展而迅速发展起来的基于法拉第电磁感应定理的用来测量导电性液体流量的仪表。上世纪50年代初，电磁流量计就已实现了工业化应用，成为首先进入成熟应用的新一代仪表，与其他流量测量仪表相比，电磁流量计具有一些突出的优点：无可动部件，无阻碍被介质流动的节流部件，对被测流体的流动不产生附加压力损失，而仅有这管段的沿程阻力；测量有导电性的介质的流量，而不受其温度、黏度、密度、压力等物理参数的影响；无机械惯性，反映灵敏，可测瞬时脉动流量；直线性好，测量准确度高。因此，在众多的流量仪表中，电磁流量计成为发展最快的流量仪表之一，其应用已遍及农业、工业、国防、科研等各领域，特别是在工业用水计量、在市政污水计量、在楼栋总表热量计量上都有广泛的应用，这充分证明了其测量原理的适用性，特别是对于严酷水质条件下的测量准确度和使用可靠性。

基于以上考虑，我们认为在热量测量中采用电磁式作为流量测量原理是可行的，但还需要解决一个问题，即如何扩大量程比。目前工业电磁流量计的量程比一般在20：1以上，而供热领域中要求热量表其精度范围内量程比需达到100：1，为此特别研究了几款国外的户用电磁水表设计，在充分分析其设计思路并掌握其特点后，在几个关键技术上取得了突破，结合已有工业电磁流量计设计经验，最终研制成功了高精度高量程比电磁式热量表。

除此之外，在仪表中创新性地集成了阀控功能，将流量传感器和阀门作了一体化设计，使流量热量测量和阀门功能巧妙地融为一体，使仪表同时具备热量计量和阀门通断控制功能，能为用户带来更多便利和价值。

2.2 平衡热量表设计

平衡热量表布置有测量管、阀门、电子仓等三个主要部件；测量管满足不同环境的连接与测量需求，阀门控制热流量的开关，电子仓部分布置主机板，对信号进行分析处理及阀的控制等。

平衡热量表采用测量一体化阀芯结构、新型管路设计、同步采样技术等多项关键技术，内置电磁式流量传感器和控制阀，配备一对进水和回水温度传感器，除了具备常规热量表的计量、显示、通讯等功能外，还可以通过表内置控制阀调节房间的供热量，实现水力热力的平衡，达到房间内温度可控制等功能。

平衡热量表对电磁流量计传统结构做了重大革新，通过控制阀和流量传感器一体化结构，简化了电磁式流量传感器的结构和制造工艺，其实物及内部结构如下图1所示。

平衡热量表由阀体和测量管、阀芯、阀盖、马达和齿轮箱、电子仓组成。其中，阀芯内置有励磁线圈、电极、信号调理电路板等流量测量元件，是具有测量功能的测量一体化阀芯，励磁线圈和电极采用电磁流量计的典型布置结构，当流通通过阀芯时，电极上感应出信号，交由电子部件处理。马达和齿轮箱通过阀芯顶部的阀杆可带动阀芯转动，起到阀门打开和关闭的功能，以实现能量的控制。

平衡热量表硬件由流量传感器、温度传感器、信号调理电路、同步采样电路、MCU（数字信号处理）、通讯电路、电源转换电路、液晶显示/按键、电机驱动电路和励磁驱动电路构成。流量传感器完成流量信号到电信号的转换，通过模拟信号调理电路进行滤波、放大处理，进入ADC转换为数字量，进过MCU计算、补偿后获得与实际流量成正比并且不受温度影响（或影响量可以接受）的数字值。温度传感器负责检测进水口与出水口的温度信号，采用高精度的PT1000配对温度传感器，通过模拟信号调理电路，将PT1000电阻随温度变化量转换为电压变化量，送入ADC进行采样。MCU再对PT1000的采样值进行线性化补偿，得到高精度高分辨率的数字化温度信号。上层仪表/计算机通过RS485通讯接口访问仪表，可以读取实时测量值以及各类报表。操作人员也可以直接通过按键切换液晶显示仪表内存储的各项数据。上层仪表或者PC机可以通过RS485通讯来驱动电机从而控制仪表的阀门开关。仪表通过24V直流电源供电，通过开关电源转换电路供给仪表各个模块供电。

平衡热量表软件每五秒完成一次电磁流量测量，一次进回水温度测量，每秒完成一次热量累积计算，其中的密度和焓值通过查表法和分段线性差值法计算。同时，软件实现记录、报表、温度控制、系统诊断和通讯等功能。

3 结束语

对设计的测控一体化平衡热量表，按照产品相关标准要求，组织实施了相关重要的试验项目进行验证，实施的试验项目有：示值误差与计量稳定性、显示要求、压力损失、耐久性、强度与密封性、防护等级、抗运输性能、干热试验、低温贮存、循环湿热、电源、断电保护、静定放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、静态磁场、工频电磁场、阀门耐久性、阀门泄漏量和控制功能测试等。经过以上试验验证结果来看，满足标准各项指标要求，全面验证了设计的适用性和可行性。

在长春市某小区节能技术改造项目中，在2014-2015年度安装了平衡热量表1016台，计量可靠稳定，均显示正常，计量可靠、稳定，数据准确。通过内置控制阀，具备管网平衡和能量控制等功能，并通过3G网络远程监测和调节住户的供热能量，降低了管网负荷，让小区建筑达到了节水、节电、节能效果。另外，上位机可对记录的历年供热数据和供热参数进行分析，通过对平衡热量表的远程控制，可实现对供热官网的不断优化调节，节能潜力巨大。

参考文献

[1]蔡武昌.电磁流量计的现状和进展[J].世界仪器与自动化，1998，Vol.2（04）：40-43.

[2]黄宝森.电磁流量计[M].北京：原子能出版社，1981.

[3]曾为民，李斌.电磁流量计综述[J].上海大学学报，1997增刊：267-270.

[4]鲁崇恭，马中元.带微机电磁流量计转换器的研究[J].计量学报，1992（01）：52-58.

[5]李素蓉.电磁流量计的现状、发展及应用行业差异性与市场份额分配浅析[J].中国仪器仪表，2003（05）：4-5.

[6]管军.基于相关检测原理的电磁流量计的研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[7]郑建英，朱云，曹辉.一体化智能电磁流量计的研制[J].航空计测技术，2000，20（03）：30-32.