第四节　热量测量仪表和数据采集仪表

一、热量测量仪表

（一）热量表的工作原理

传统的热量测量方法是用流量计测量流体的流量，用温度计测量流体的进出温度，然后再用热量计算公式进行计算。热量表的出现很好地解决了传统测量方法存在的不足。热量表把流量表、温度计、数据处理系统有机地结合在一起。热量表在进行工作时，在一定的时间内，其热量与进出水管的温差、流过热水的体积成正比。流过热水的体积通过流量计测出，并通过变送器传给数据处理系统，进出水管温差通过安装在管道上的配对温度计测出，并传给数据处理系统，数据处理系统根据流过流体体积、温差进行时间积分，计算出热量消耗并显示和记录。

热量表是测量计算热量的仪表。热量表的具体工作原理是：将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上（流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同），流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量和温度传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。

（二）热量表的基本类型

热量表按照其的结构和原理不同，可以分为机械式、电磁式、超声波式等类型。热量表的分类实际上是以流量计的类型不同而进行区分的，理论上可用于测量热水的流量计很多，但真正应用的主要有机械式和非机械式两类。机械式热量表主要包括旋翼式和螺翼式；非机械式热量表主要包括超声波式和电磁式等。

1.机械式热量表

机械热量表又可分为单流束和多流束两种，单流束表的性能是水在表内从一个方向单股推动叶轮转动的表为单流束表。不足之外表的磨损大，使用年限短。多流束表的性能是水在表内从多个方向推动叶轮转动的表为多流束表。该表相对磨损小，使用年限长。叶轮分为两种形式：螺翼和旋翼。一般小口径DN15～40户用表使用旋翼。大口径的工艺表DN50～300使用螺翼。机械表的质量保证期一般是2年。

机械式流量表的流量传感信号传递不需要外部电源，不需要消耗电能；压力损失小，量程比较大；安装维护方便，价格比较低廉。但是，必须适应95℃以上工作需要，不可简单地用冷水表代替。

2.超声波式热量表

超声波式流量计是利用超声波在流动的流体中传播时，顺水流传播速度与逆水流传播速度差计算流体的流速，从而计算出流体流量。对介质无特殊要求；流量测量的准确度不受被测流体温度、压力、密度等参数的影响。超声波热量表有两种形式：一种是直射式也叫对射式，工作原理是超声波换能器直接发射和接收信号确定流量；另一种是反射式也叫对流式，工作原理是超声波换能器通过反射板平面的反射速度确定流量。

3.电磁式热量表

电磁式热量表是采用电磁式流量计的热量表的统称。由于是无机械转动元件，不易损坏，测量精度高，计量稳定可靠。但由丁成本比较高，需要外加电源等原因，所以很少有热量表采用这种流量计。目前，国内有些热量表生产企业利用用户对热能表的结构和原理不了解情况，将一般机械热表当做电磁式热量表介绍给用户。此种现象需要警惕。

（三）供热采暖系统热量测量

1.双管水平并联式采暖系统和单管水平串联跨越式采暖系统

随着住宅功能的提高和供热收费机制的改革，新建住宅可在住户外的楼梯间设管道井，室内管道设计成水平式。这种布置形式既便于按户进行计量，又便于按户加以控制。室内双管水平并联式采暖系统如图3-48所示；室内单管水平串联跨越式采暖系统如图3-49所示。

从图3-48和图3-49中可以看出，一户一阀、一户一表的热量计量方式，供热系统是设计成水平双管并联或单管串联形式且设置管道井。这种采暖方式的室内供热系统投资相对更高一些，但采取分户计量符合我国国情，是今后大力推广和发展的方向。

2.室内双管上供下回式安装热分配表采暖系统和室内单管上供下回式安装热分配表采暖系统

　　传统的室内采暖系统，为了节省管道用材，避免双管系统因高层建筑的垂直失调，大多数为单管顺流系统。实行计量供热后，双管系统直接在散热器上加装温度控制阀和热分配表即可，而单管顺流系统需要加装旁通管，改造为单管跨越式采暖系统。

室内双管上供下回式安装热分配表采暖系统如图3-50所示；室内单管上供下回式安装热分配表采暖系统如图3-51所示。

从图3-50和图3-51中可以看出，热分配式的供热计量方法，是在一栋楼或一个门栋入口处安装一块热量表，每个用户的散热器上安装热分配表的计量方法。我国老的住宅大多数宜采用这种供热系统。

二、数据采集仪表

数据采集仪表就是将在检测过程中传感器测量出的数据，通过转换器储存到存储元件的仪表。数据采集仪表主要由测量探头、转换器、导线、存储元件、数据处理、显示器等组成。

实现数字显示的基本过程，是将连续变化的被测物理量（模拟量）通过A/D转换器先转换为与其成比例的断续变化的数字量，然后再进行数字编码、传输、存储、显示或打印。一般情况下，电量、直流电压和频率易于实现数字化。因此，在使用中总是将各种被测参数先通过传感器（或变送器）转换为电信号，然后再送入数字仪表。

随着科学技术的进步和建筑节能检测的要求，数据采集仪表的品种越来越多，在检测中常见的有数字显示仪表和数字巡回测量仪表等。

（一）数字显示仪表

数字显示仪表是检测过程获得测量结果的仪表，数字显示仪表可以与不同的传感器（变送器）配合，对压力、温度、流量、物位、转速等参数进行测量并以数字的形式显示被测结果，所以称为数字显示仪表。数字显示仪表显示直观、没有人为视觉误差、反应迅速、准确度高等优点。目前数字显示仪表在各个行业已等到广泛的应用。

数字显示仪主要前置放大器、A/D转换器、非线性补偿、 标度变换及计数显示器5部分组成。其中A/D转换器、非线性补偿、标度变换的次序可以互换，其基本组成方案如图3-52所示。

1.前置放大器

被测参数经变送器变换后的信号，一般只有毫伏（mV）数量级，而模/数（A/D）转换器一般要求输入电压数量级为伏（V），所以必须采用前置放大器。

由于前置放大器的性能直接影响整机指标，所以设计制造性能良好的放大器是一个非常重要的问题。一般用于数字仪表中的放大器必须满足以下要求：①线性度良好，一般要求非线性误差要小于全量程的0.1%；②具有高精度和高稳定性的放大倍数；③具有高输入阻抗和低输出阻抗；④抗干扰能力强；⑤具有较快的反应速度和过载恢复时间。

2. A/D转换器

A/D转换器有多种，常用的有两种：双积分型和逐次比较反馈编码型。

（1）双积分型A/D　转换器基本原理：将一段时间内的模拟量电压值通过两次积分变换成与其成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，从而得到数字量。双积分转换器的特点：①电路元件参数要求不苛刻；②很强的抗工频干扰能力；③不宜用在快速测量系统中。

（2）逐次比较电压反馈编码型A/D　转换器基本原理：用一套标准电压与被测电压进行比较并不断逼近，最后达到一致。标准电压值的大小就表示了被测电压的大小。将这一与被测电压相平衡的标准电压以二进制形式输出，就实现了模/数转换过程。

A/D转换器是数字显示仪表和计算机输入通道的重要组成部分。由于大规模集成电路技术的发展，A/D 转换器现在多数已集成化。在A/D 转换中必须有一定的量化单位使模拟量整量化，量化单位越小，整量化的误差就越小，数字量也就越接近模拟量本身的值。因此，A/D 转换器实际上是一个量化器。当其输入量为模拟信号A，输出为数字信号D时，A/D转换器的输出和输入关系可用式（3-26）表示：

D=A/R　　        （3-26）

式中　D——输出的数字量；

        A——输入的模拟量；

        R——量化单位。

连续模拟量的范围非常广，测量上有各种各样的物理量，常用电压-数字转换。电压-数字转换的方法有多种，按照转换的过程不同，可分为直接法和间接法。

直接法是直接由电压转换成数字量。只需要一套基准电压，使之与被转换电压进行比较，把电压转化为数字量，所以又称为比较型A/D 转换器，如逐次比较电压反馈编码型A/D 转换器。

间接法是电压不直接转换成数字量，而是首先转换成一个中间量，再由中间量转换成数字量。目前应用最多的是电压-时间间隔型A/D 转换器和电压-频率型A/D 转换器。

3.非线性补偿

大量的试验结果表明，多数感受件输出信号与输入被测量之间呈非线性关系。这对于指针式模拟显示仪表来说，只需将标尺刻度按对应的非线性关系进行划分即可。但是，在数字显示仪表中，不可以用非线性刻度来进行划分，这是因为二、一、十进制数码是通过等量化取得的，是线性递增或递减的，所以要消除非线性造成的误差，必须在仪表中加入非线性补偿。

补偿的目的是使输出更加接近理论值。造成非线性关系输出的原因很多，除了传感器自身的因素外，还有很多外界因素。这些外界因素很复杂，不能直接计算得到。所以要进行非线性补偿，排除其他影响因素，才能得到合理的输出。目前，非线性补偿常用方法有非线性A/D转换法和数字式非线性补偿法。

4.标度变换

所谓标度变换是指将数字仪表的显示值和被测原始物理量统一起来的过程。因为放大器输出的测量值与工程实际值之间往往存在一定的比例关系，因此，测量值乘上某常数后，才能转换成数字显示仪表所能直接显示的工程实际值，这个过程称为标度变换。

通俗地说标度变换就是放大或缩小的码尺变换，对分形来说用不同的码尺所测得的结果，有随码尺的变化而变化的，也有随码尺的变化而不变的。分形理论就是基于对事物在不同标度变换下的不变性。

例如，当采用Cu100作为测温元件时，温度每变化1℃，其阻值变化0.428Ω，测量值与被测值的关系并不是一目了然，如果有一恒定电流2.34mA通过这个电阻，则温度每变化1℃时，这个热电阻的两端电压变化为1mV，这样测量值与被测物理量就统一起来了。

5.计数显示器

数字显示仪表可以与不同的传感器（变送器）配合， 对压 力、温度、流量、物位、转速等参数进行测量并以数字的形式显示被测结果，所以称为数字显示仪表。数字显示仪表具有显示直观、没有人为视觉误差、反应迅速、准确度高等优点。目前数字显示仪表在各个行业已等到广泛的应用。

数字显示仪表要将测量和处理的结果直接用十进位制数的形式显示出来，所以许多集成显示器都包含二、一、十进制译码电路，将A/D转换器输出的二进制先转换成十进制，再通过驱动电路显示出十进制的测量结果。

数字显示器从原理上不同，可分为发光二极管（LED）显示器、液晶（LCD）显示器和等离子显示器等。数字显示器从尺寸上不同，可分为小型显示器、中型显示器、大型显示器和特大型显示器。

（二）数字巡回测量仪表

随着建筑节能检测工作的广泛开展，热工检测的项目及数量相应增多，如果再采用单一的检测仪表，已经不能满足热工检测的需要。

数字巡回测量仪表简称巡测仪，这种仪表能够对多个热工测点进行巡回测量显示，可以实现仪表多用的目的。数字巡回测量仪表的种类较多，既有十几点到几十点的单一参数或多参数小型巡测仪，也有几百点的大型巡测仪。各种巡测仪的基本组成是相同的，与单点数字显示仪表的不同之处，是在A/D 转换器之前加了采样系统。

采样系统包括控制电路、采样开关、采样保持器、点序显示等，如图3-53所示。自动采样时，采样控制电路在采样脉冲的作用下控制采样开关的动作，使相应的被测信号进入前置放大器；同时由点序显示电路显示点序。采用手动选点采样时，手动点序号，采样控制电路接收点序号控制采样开关，并将被选参数送至A/D 转换器。

常用数字巡测仪的技术性能如表3-19所列。

微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高，不但能完成多种物理量的精确显示，同时可以带变送输出、继电器控制输出、通讯、数据保持等多种功能。