综述了热量表的分类,分析了流量传感器的应用现状,并对传感器的功能、特性进行了简要分析,提出了热量表流量传感器的发展方向。

　　1　热量表的应用现状

　　1.1　热量表的工作原理和组成结构

　　当水流经系统时,根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度信号,以及水流经的时间,通过计算器计算并显示该系统所释放或吸收的热能量。其基本公式如下:

　　式中:Q—系统释放或吸收的热量,J;qm—流经热量表的水的质量流量,kg/h;qv—流经热量表的水的体积流量,m3/h;ρ—流经热量表的水的密度, kg/m3;Δh—在热交换系统进口和出口温度下水的焓值差,J/kg;τ—时间,h。

　　从热量表的工作原理可以看出热量表主要分为三大部分:基表、温度传感器和积算器。基表是指对流量进行计量,并将流量信息转换为电信号的表具。温度传感器是指对热交换系统的供回水的温度进行测量的传感器。积算器是按照式(1)对热量进行积算并显示的装置。

　　1.2　热量表的分类及其技术应用现状

　　热量表按照其基表计量方式的不同,可分为多流束、单流束、同轴式热量表等。按照积算器与基表组成方式的不同可分为整体式和组合式。按照流量传感器的不同可分为磁敏式和无磁式热量表。按照热传递的方向可分为热量式和冷量式。

　　热量表按照基表、流量传感器、积算器各组成部分实现其功能的方式不同,技术各有其优点和缺点。基表是实现对流量准确计量的基础,因此基表在确保精确计量的同时,还要确保基表在复杂工况下的耐磨、耐冲击、防堵塞、抗干扰的能力。目前,用于热水计量的表具主要采用机械式计量,依据计量结构的不同,主要有多流束式、单流束式和同轴式三种,下面通过表1对三种基表的计量稳定性、流通能力(防堵塞能力)、耐磨性能、成本四方面作一个简单比较。

　　从技术角度,基表品质由高至低依次为多流束式、同轴式和单流束式,但各类型基表的技术性能之间并没有较大的差异。

　　从使用角度看,市场依据产品的性价比进行选择,对于管道、水质条件较好,性价比由高到低依次为单流束式、同轴式和多流束式。因此国外热量表基表以同轴式和单流束式为主。国内由于受管道、水质等诸多条件限制,以多流束式基表居多,但随着国内管网条件的改善,单流束式基表正得到广泛使用。

　　由于热量表是将所有信息进行数字化处理后进行积算并显示热值,所以,必需通过传感器实现对基表流量信息的采集。目前,国内外流量传感器主要采用磁敏传感器和无磁传感器。磁敏传感器主要采用韦根传感器,它是基于韦根特效应制成的零功耗磁敏传感器,其工作原理为:当两块磁场强度大小相等但极性相反的磁铁在传感器附近作周期性转动时,会引起传感器外壳和线芯之间的极性交替变化,磁场的改变产生电场,从而在线圈中产生相反方向的电压脉冲输出,因此韦根传感器在一定磁场的作用下无需外加电源,就可以输出幅度和宽度都恒定的电脉冲信号,并且脉冲的幅度在1V以上,这种特性使传感器表具有高响应频率、结构简单、可靠性好和静态下零功耗等优点。采集到的脉冲经过后续的放大、滤波、整形等处理,可实现在各种流量范围内的采集、运算。

　　韦根传感器作为磁敏传感器,会受到外界强磁干扰,造成传感器失效,同时由于水质较差,会使水中杂质吸附在磁极表面,从而造成磁极短路或强度衰减,造成基表运动元件停转或传感器失效。针对该问题,热量表在使用中主要采用磁屏蔽和报警两种方式进行主动式和被动式防磁处理。

　　无磁传感器由非磁性金属(如:铜、铝、锡、金、银等)、振荡器、放大器构成。其工作原理为:当非磁性金属靠近检测面时,电感线圈引起LC自由振荡的衰减或频率变化,经差频后产生一个信号,经放大、转换成二进制信号,并进行计数,从而可采集计量元件的流量信息。无磁传感器由于在采集过程中没有使用磁钢,所以不存在磁敏传感器的诸多问题,如磁钢的温度稳定性问题、磁钢吸附铁磁性物质造成磁力下降甚至造成计量元件(如叶轮)无法正常转动、易受磁干扰问题等,另外,无磁传感器也可实现高响应频率和低功耗的要求。

　　虽然无磁传感器具有十分突出的优点,但由于受到现行工艺和技术的局限,在开发和应用中也存在一定的问题。传感器容易受到水中铁屑沉积或非磁金属表面边界所形成的杂波影响,而造成计数不准确,尤其在低速范围内,因此,解决杂波影响是无磁传感器在应用和开发过程中必需加以解决的问题。另外,无磁传感器虽然利用非磁激励的方式获得信号,理论上不受外磁干扰,但是,现行绝大多数该传感器的电感线圈中有铁芯,铁芯易受外磁场的干扰而影响信号采集或无法正常工作,但是无铁芯的电感线圈要能稳定采集信号,必需加大线圈的体积或采用特殊材质,这在技术和成本上带来较大难题,因此,开发稳定可靠和适宜的无铁芯的电感线圈无磁传感器是今后开发和应用中重点解决的问题。

　　2　热量表的发展方向

　　目前使用最多的机械式计量机构,由于采用运动元件,并且结构设计较为复杂,在使用中不可避免的遇到磨损和防堵塞能力差的问题。因此采用非机械方式的计量原理是提升热量表技术品质的发展方向之一。基于超声波传感技术而发展起来的超声波热量表成为未来几年热量表开发的技术前沿。超声波式热量表是通过测量超声波在热水中传播的时间差(声波在流体中传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,同一传播距离就有不同的传播时间)。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速从而推导出流量。由于其测量腔体内部没有任何运动部件,所以对介质的成份或杂质含量没有严格的要求,不易堵塞。另外,较低的压力损耗也有利于解决今后大规模使用户用冷/热能表而产生的水力平衡问题,同时在计量能力方面测量量程宽,计量精度高,超载能力强,而且具有卓越的稳定性和持久性,总之,时差式的超声波测量原理确保了超声波热量表具有机械式热量表不可比拟的技术优势,具有极大的推广使用价值。

　　虽然超声波热量表具有强大的技术优势,但现阶段,在超声波传感器的开发和应用中还存在技术瓶颈,换能器在规模化生产中,成品率低,工艺复杂,生产成本过高,导致热量表成本居高不下,尤其是户用热量表(DN15,DN20口径)同大口径热量表相比(DN50以上)由于受传感器安装条件限制,产品技术复杂度高,在批量生产中合格率更低,这就造成热量表市场销售价格过高,严重制约了超声波热量表的推广使用。但是,随着换能器工艺技术水平日臻完善,热量表专用芯片集成度的提高,超声波热量表将最终实现其“平民化”的发展要求。

　　3　结论

　　以多流束式、单流束式和同轴式结构为主要代表的机械式热量表无论采用何种传感器采集流量信息,由于受到其计量方式的局限,虽然各有其自身的优点,但耐磨性、防堵塞能力、计量可靠性、使用寿命等方面都存在难以克服的困难。而以采用时差法测量流量的超声波传感器摒弃了机械式的计量原理,解决了机械式热量表在使用中存在的问题,显示出了强大的技术优势,但是它所面临的成本高的难题将成为今后制约超声波热量表推广使用的重要瓶颈。