热量表流量传感器若干技术问题之初探

【关键词】热量表 流量范围 流量系数修正 抗磁干扰 适应水质

【摘要】本文根据笔者对热量表流量传感器的研究体会，详尽分析了小口径机械式热水表作为热量表流量传感器时存在的主要问题，如：量程问题，冷热水流量系数差异问题，降低始动流量和提高小流量情况下精度问题，磁传方式存在的磁干扰问题，失步问题，以及对我国供暖系统水质的适应性问题。文章根据研究和分析结果对上述问题提出一些初步解决方案与业内同行研讨，以期提高我国热量表的研制水平。

简述： 在国内外众多户用热量表产品中，因价格和功耗等诸多因素，普遍采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，建设部热量表行业标准CJ128-2000中对流量计部分的要求也基本上采用了与现行热水表产品性能相同的要求。
使用和研究实践表明：直接采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，存在一系列需要解决的问题。根据对热量表流量传感器的研究体会，我们发现小口径机械式热水表作为热量表流量传感器时存在的主要问题有：量程问题，冷热水流量系数差异问题，降低始动流量和提高小流量情况下精度问题，磁传方式存在的磁干扰问题，高温失步问题，以及对我国供暖系统水质的适应性问题。根据研究和分析结果我们对上述问题作了初步分析，提出一些解决方案与业内同行研讨，以期研制出了热量表相适应的流量传感器，共同提高我国热量表的研制水平。

1 热量表流量传感器的量程问题

1.1 热量表流量传感器的测量范围

建设部热量表行业标准CJ128-2000中第4.3.3条规定：“热量表的常用流量应符合GB/778.3冷水水表的要求，常用流量与最小流量之比应为10、25、50或100。公称直径≤40mm的热量表，其常用流量与最小流量之比必须采用50或100。”

某厂（目前热量表厂家普遍采用该厂热水表）不同口径热水表的流量范围如表1所示：

表 1

公称直径
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标准第5.3.5条规定：3级流量传感器误差限：

Eq=±（3+0.05q_p/q)

示值误差在分界流量（含）至最大流量之间为2%，在分界流量至最小流量之间为5%。同时规定：各级流量传感器误差限最大不应超过5%。

以目前使用广泛的DN20 热量表为例，其测量误差曲线如图1所示。

1.2 建筑采暖系统的流量设计范围

根据有关资料，我国北方城市节能和非节能建筑采暖系统的流量设计范围如表2和表3所示。

根据实际使用情况的经验数据，当用户实现分室调节后，工作流量将降到设计流量的50%。

1.3 分析结论及改进措施

根据以上数据，直接采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，可以得出以下几点结论：

表2. 节能建筑采暖系统的设计范围

建筑面积 m² 最大设计流量 kg/h 最小设计流量 kg/h 50 70 50 100 130 100 150 200 160

表3 非节能建筑采暖系统的流量设计范围

建筑面积 m² 最大设计流量 kg/h 最小设计流量 kg/h 50 100 80 100 200 160 150 300 250

a. 热水表的常用流量太大，在建筑采暖系统设计流量的10倍以上；

b. 大部分热量表将工作在分界流量以下，口径在DN 20以上的热量表甚至工作在最小流量附近；

c. 热量表的流量传感器大部分时间将工作在高误差区，如果工作在最小流量以下，实际测量误差将超过CJ128-2000标准2%～5%的要求；

d. 未经改造的热水表不适合直接作为热量表的流量传感器使用；

e. 将热水表作为热量表的流量传感器时需要解决的问题是：降低常用流量，使之接近建筑采暖系统的设计流量范围；提高流量传感器的灵敏度，降低始动流量，进一步降低最小流量使之达到目前常用流量的1/100的要求；采取有效措施，提高分界流量以下测量范围的计量准确度。我们在研制HM－1型热量表的过程中采取了一系列技术措施，解决上述存在的问题。包括：采取去掉原热水表齿轮技术机构，降低叶轮阻力（根据实验数据：去掉原热水表齿轮计数机构后阻力可降低30％左右），达到提高灵敏度，降低始动流量，进一步降低最小流量使之达到目前常用流量的1/100的目的；采取对流量传感器逐个标定和动态测量修正措施，实现一表一系数，有效提高分界流量以下测量范围的计量准确度。设计新的流量传感器，降低常用流量，使之接近建筑采暖系统的设计流量范围，为了降低系统压损，可采取变口径措施，这些应该是目前继续重点解决的技术问题。

2. 冷热水流量系数差异问题

众所周知，旋翼式机械式磁传热水表流量系数K^V与设计、制造精度和生产调试有关，在热水表整个流量范围内，其示值误差是随流量（流速）变化而变化的，见图1。研究结果表明，流量系数K_V还随水温的变化而变化，特别是在分界流量以下的小流量区，其变化更为显著。不难理解，由于水温升高，水的密度减小，其粘稠度降低，叶轮阻力减小；水温升高，壳体和叶轮均会发生膨胀，由于他们的制造材料不同，膨胀系数不同，会造成壳体内腔和叶轮之间的间隙发生变化，计算结果表明这种变化对流量系数K_V的影响是不可忽略的，另外，水温升高，叶轮与轴承的阻力也会发生变化。上述因素的综合影响造成流量系数K_V随水温变化而变化，对于不同的热水表，其变化规律将不同，表4是某厂热水表在85℃和常温下流量系数K_V的变化情况。

表4-1 冷水流量系数

测量点 表1 表2 表3 表4 各点平均 K系数 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 热水流量系数

测量点 表1 表2 表3 表4 各点平均 K系数 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、热水流量系数

测量点 5032.5 2784.8 739.3 199.8 51.7 25.1 K冷-K热 0.90 0.55 0.33 0.47 0.27 0.60 冷、热水流量系数平均差值 0.52

表4 冷热水流量系数变化情况

在我国，热水表生产厂均没有热水流量标准试验装置，出厂检验是在冷水装置上进行的，几乎没有考虑温度对流量系数的影响，这就是此类水表在高温情况下准确度降低的主要原因，由此在业内形成了一种普遍共识；直接采用热水表作为热量表流量传感器，在进行样机型式检验时必须经过仔细挑选才能通过，这是很不正常的。我们认为：产品出厂检验在冷水装置上进行，必须对设计的产品进行冷热水对比试验，找到该产品的冷热水流量系数K_V之间的变化规律，对在冷水装置上检测出的流量系数进行必要的修正，这样才能满足热量表对热水表的要求。

3. 磁传方式存在的磁干扰问题，失步问题

目前国内研制的热量表流量传感器普遍采用磁传方式将叶轮转动信号传出，由于在叶轮上安装了磁性材料，不可避免会受到磁场影响。CJ128-2000标准第6.11.3条规定：热量表正常工作条件下，将流量传感器、计算器壳体和显示器放在磁场强度为100kA/m的环境下，监测期间显示各项示值不能发生间断和突然加、减现象。试验表明：国内生产的热水表虽然有的采取了防磁措施，有的可以满足上述要求，但在更强磁场（如钕铁硼强磁铁）的附近，将普遍出现叶轮摆动，磁传失效的现象，无法满足标准的要求。在对热水表进行改进，作为热量表流量传感器时，必须彻底解决这一问题。对此，我们对叶轮盒采取了磁屏蔽和强磁检测双重措施，较好地解决了磁干扰问题。

研究实践还表明：大多数磁传热水表普遍存在着高温失步现象，也就是说在高温情况下（如水温在85℃以上时）存在着丢转现象，测量准确度明显降低并超差，当温度下降时又恢复到原来的准确度。分析原因，这是叶轮上安装的磁性材料随着温度升高而降低造成的。为此，我们选取温度特性较好的磁性材料，成功地解决了该问题。

当然要彻底解决磁传方式存在的磁干扰问题，最有效的方法是取消磁传方式，采用更先进的信号拾取传感器，由于技术原因，这方面国内与国外存在着较大的差距，我们正在深入开展研究，可望在近期解决。

4. 对我国供暖系统水质的适应性问题

我国供暖采取系统水质差是普遍存在的问题，热量表是否要适应较差水质，一直在业内存在着争论。我们认为：在呼吁有关部门改善水质的同时，研制热量表必须考虑对不同水质的适应性，不能因为水质差就拒绝安装热量表。实际应用试验表明：供热采暖系统水中的杂质主要是管道中残留的泥土、杂物、沙砾、黑红色的铁锈。针对这一实际情况，我们采取加装特制滤网和磁滤器的措施有效滤除上述杂质，延长热量表的使用时间。当然，滤网和磁滤器要便于清洗或更换是设计时必须考虑的问题，在水质问题没有得到彻底解决的情况下，做到每个采暖季清理一次是可行的。

简述： 在国内外众多户用热量表产品中，因价格和功耗等诸多因素，普遍采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，建设部热量表行业标准CJ128-2000中对流量计部分的要求也基本上采用了与现行热水表产品性能相同的要求。
使用和研究实践表明：直接采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，存在一系列需要解决的问题。根据对热量表流量传感器的研究体会，我们发现小口径机械式热水表作为热量表流量传感器时存在的主要问题有：量程问题，冷热水流量系数差异问题，降低始动流量和提高小流量情况下精度问题，磁传方式存在的磁干扰问题，高温失步问题，以及对我国供暖系统水质的适应性问题。根据研究和分析结果我们对上述问题作了初步分析，提出一些解决方案与业内同行研讨，以期研制出了热量表相适应的流量传感器，共同提高我国热量表的研制水平。

1 热量表流量传感器的量程问题

1.1 热量表流量传感器的测量范围

建设部热量表行业标准CJ128-2000中第4.3.3条规定：“热量表的常用流量应符合GB/778.3冷水水表的要求，常用流量与最小流量之比应为10、25、50或100。公称直径≤40mm的热量表，其常用流量与最小流量之比必须采用50或100。”

某厂（目前热量表厂家普遍采用该厂热水表）不同口径热水表的流量范围如表1所示：

表 1

公称直径
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标准第5.3.5条规定：3级流量传感器误差限：

Eq=±（3+0.05q_p/q)

示值误差在分界流量（含）至最大流量之间为2%，在分界流量至最小流量之间为5%。同时规定：各级流量传感器误差限最大不应超过5%。

以目前使用广泛的DN20 热量表为例，其测量误差曲线如图1所示。

1.2 建筑采暖系统的流量设计范围

根据有关资料，我国北方城市节能和非节能建筑采暖系统的流量设计范围如表2和表3所示。

根据实际使用情况的经验数据，当用户实现分室调节后，工作流量将降到设计流量的50%。

1.3 分析结论及改进措施

根据以上数据，直接采用小口径机械式热水表作为热量表的流量传感器，可以得出以下几点结论：

表2. 节能建筑采暖系统的设计范围

建筑面积 m² 最大设计流量 kg/h 最小设计流量 kg/h 50 70 50 100 130 100 150 200 160

表3 非节能建筑采暖系统的流量设计范围

建筑面积 m² 最大设计流量 kg/h 最小设计流量 kg/h 50 100 80 100 200 160 150 300 250

a. 热水表的常用流量太大，在建筑采暖系统设计流量的10倍以上；

b. 大部分热量表将工作在分界流量以下，口径在DN 20以上的热量表甚至工作在最小流量附近；

c. 热量表的流量传感器大部分时间将工作在高误差区，如果工作在最小流量以下，实际测量误差将超过CJ128-2000标准2%～5%的要求；

d. 未经改造的热水表不适合直接作为热量表的流量传感器使用；

e. 将热水表作为热量表的流量传感器时需要解决的问题是：降低常用流量，使之接近建筑采暖系统的设计流量范围；提高流量传感器的灵敏度，降低始动流量，进一步降低最小流量使之达到目前常用流量的1/100的要求；采取有效措施，提高分界流量以下测量范围的计量准确度。我们在研制HM－1型热量表的过程中采取了一系列技术措施，解决上述存在的问题。包括：采取去掉原热水表齿轮技术机构，降低叶轮阻力（根据实验数据：去掉原热水表齿轮计数机构后阻力可降低30％左右），达到提高灵敏度，降低始动流量，进一步降低最小流量使之达到目前常用流量的1/100的目的；采取对流量传感器逐个标定和动态测量修正措施，实现一表一系数，有效提高分界流量以下测量范围的计量准确度。设计新的流量传感器，降低常用流量，使之接近建筑采暖系统的设计流量范围，为了降低系统压损，可采取变口径措施，这些应该是目前继续重点解决的技术问题。

2. 冷热水流量系数差异问题

众所周知，旋翼式机械式磁传热水表流量系数K^V与设计、制造精度和生产调试有关，在热水表整个流量范围内，其示值误差是随流量（流速）变化而变化的，见图1。研究结果表明，流量系数K_V还随水温的变化而变化，特别是在分界流量以下的小流量区，其变化更为显著。不难理解，由于水温升高，水的密度减小，其粘稠度降低，叶轮阻力减小；水温升高，壳体和叶轮均会发生膨胀，由于他们的制造材料不同，膨胀系数不同，会造成壳体内腔和叶轮之间的间隙发生变化，计算结果表明这种变化对流量系数K_V的影响是不可忽略的，另外，水温升高，叶轮与轴承的阻力也会发生变化。上述因素的综合影响造成流量系数K_V随水温变化而变化，对于不同的热水表，其变化规律将不同，表4是某厂热水表在85℃和常温下流量系数K_V的变化情况。

表4-1 冷水流量系数

测量点 表1 表2 表3 表4 各点平均 K系数 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 热水流量系数

测量点 表1 表2 表3 表4 各点平均 K系数 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、热水流量系数

测量点 5032.5 2784.8 739.3 199.8 51.7 25.1 K冷-K热 0.90 0.55 0.33 0.47 0.27 0.60 冷、热水流量系数平均差值 0.52

表4 冷热水流量系数变化情况

在我国，热水表生产厂均没有热水流量标准试验装置，出厂检验是在冷水装置上进行的，几乎没有考虑温度对流量系数的影响，这就是此类水表在高温情况下准确度降低的主要原因，由此在业内形成了一种普遍共识；直接采用热水表作为热量表流量传感器，在进行样机型式检验时必须经过仔细挑选才能通过，这是很不正常的。我们认为：产品出厂检验在冷水装置上进行，必须对设计的产品进行冷热水对比试验，找到该产品的冷热水流量系数K_V之间的变化规律，对在冷水装置上检测出的流量系数进行必要的修正，这样才能满足热量表对热水表的要求。

3. 磁传方式存在的磁干扰问题，失步问题

目前国内研制的热量表流量传感器普遍采用磁传方式将叶轮转动信号传出，由于在叶轮上安装了磁性材料，不可避免会受到磁场影响。CJ128-2000标准第6.11.3条规定：热量表正常工作条件下，将流量传感器、计算器壳体和显示器放在磁场强度为100kA/m的环境下，监测期间显示各项示值不能发生间断和突然加、减现象。试验表明：国内生产的热水表虽然有的采取了防磁措施，有的可以满足上述要求，但在更强磁场（如钕铁硼强磁铁）的附近，将普遍出现叶轮摆动，磁传失效的现象，无法满足标准的要求。在对热水表进行改进，作为热量表流量传感器时，必须彻底解决这一问题。对此，我们对叶轮盒采取了磁屏蔽和强磁检测双重措施，较好地解决了磁干扰问题。

研究实践还表明：大多数磁传热水表普遍存在着高温失步现象，也就是说在高温情况下（如水温在85℃以上时）存在着丢转现象，测量准确度明显降低并超差，当温度下降时又恢复到原来的准确度。分析原因，这是叶轮上安装的磁性材料随着温度升高而降低造成的。为此，我们选取温度特性较好的磁性材料，成功地解决了该问题。

当然要彻底解决磁传方式存在的磁干扰问题，最有效的方法是取消磁传方式，采用更先进的信号拾取传感器，由于技术原因，这方面国内与国外存在着较大的差距，我们正在深入开展研究，可望在近期解决。

4. 对我国供暖系统水质的适应性问题

我国供暖采取系统水质差是普遍存在的问题，热量表是否要适应较差水质，一直在业内存在着争论。我们认为：在呼吁有关部门改善水质的同时，研制热量表必须考虑对不同水质的适应性，不能因为水质差就拒绝安装热量表。实际应用试验表明：供热采暖系统水中的杂质主要是管道中残留的泥土、杂物、沙砾、黑红色的铁锈。针对这一实际情况，我们采取加装特制滤网和磁滤器的措施有效滤除上述杂质，延长热量表的使用时间。当然，滤网和磁滤器要便于清洗或更换是设计时必须考虑的问题，在水质问题没有得到彻底解决的情况下，做到每个采暖季清理一次是可行的。