热力参数的智能化测量浅析

[摘 要]本文基于水蒸汽热力参数数学模型，利用数学模型的高精度、宽范围的特性，并在现有热力参数测量技术的基础上提出了以8031单片机为主要部件的智能化热力参数测量仪，经过对测量结果的分析判断得出此测量仪的精确性，为热力参数的测量技术提供了技术支持和理论依据。

中图分类号：TU831；TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0272-01

1 引言

热能的利用占能源消耗总量的3/4以上，其利用技术的高低标志着一个国家的工业水平。热力系统的经济运行是解决目前和今后一段时间能源紧张的最有效办法。热力参数测量的目的是监控热力系统的运行状况，反映用户耗能，为实现系统的最佳运行管理提供依据。因此，热力参数的准确测量至关重要。热力工程设计和热工测量中必须获得的参数是比容、焓、熵、、等，目前这些参数主要通过热力参数国际标准数据表查得。由于国际统一标准的热力参数数据表数据量大、变化复杂，很难建立统一的精确的数学模型，一般都只能对某一特定过程建立近似的数学模型，而且这些模型的精度较低，使用时必须用计算机进行拟合。因此，现有的热力参数测量仪器一般采用查表法。查表法要做大量的内插计算，十分麻烦，这样势必影响仪器的准确性与运算速度。实现热力参数智能化准确快速测量的技术，关键是建立载热工质状态参数高精度、宽范围的数学模型。

2 热力参数的数学模型

根据统计热力学理论，水蒸汽状态参数的计算模型与分子热运动的能级函数有关。能级函数的基本形式为：，式中，是描述能级的某个参数，表示能级随某个参数变小的趋势，表示能级，随某个参数变大的趋势。热力状态参数是热能的外部表现，是无数个能级状态叠加的结果，即

对于饱和水蒸汽，压力和温度之间存在一种确定的关系，状态参数的数学模型只需取温度一种变量，可写成：，对于过热水蒸汽，温度和压力都是独立变量，其状态参数的数学模型应取温度和压力两种变量，即：

以比容为例，查国际统一的饱和水蒸汽热物理参数表，0℃时，比容为206.32lm3/kg，而达到临界状态374.15℃时，其比容为0.003147m3/kg， ，变化是非常剧烈的。描述数据变化如此剧烈的函数关系，采用幂函数和指数函数较为合适。为便于计算，笔者采用自然指数函数。

依据上述原理和方法，可以建立饱和水蒸汽的焓、熵、、等参数的数学模型和过热水蒸汽的比容、焓、熵、、等参数的数学模型。限于篇幅，本文不再赘述。水蒸汽状态参数数学模型建立后，我们通过计算机将模型的运算数据与热力参数国际标准数据表进行了比较，结果表明：饱和水蒸汽比容的数学模型最大绝对误差为-1.72×10-4，最大相对误差为0.05%；饱和水蒸汽焓的数学模型最大绝对误差为1.2×10-4，最大相对误差为0.15%；饱和水蒸汽熵的数学模型最大相对误差为0.05%；过热水蒸汽比容、焓、熵等参数数学模型的相对误差均小于0.15%。

3 热力参数的智能化测量方法

利用已建立的热力参数数学模型，结合计算机进行数据运算处理，可以实现热力参数的智能化检测。作者研制的以8031单片机为主要核心部件的智能化热力参数测量仪，用于测量、监视热能动力系统的运行状态，准确计量热力系统的能量产生、输送、分配、消耗状态及热能转换效率，具有多种智能功能。

温度变送器和压力变送器将被测水蒸汽的温度、压力转换成为与之对应的0 ～10mA（0 ～ 5V）或4 ～20mA（1～5V）的直流测量信号，测量信号经输入通道变换成为0～5V电压信号输出至单片机系统的A/D转换口，CPU依据已给定的处理规则对测量信号进行分析判断与运算处理，并输出温度、压力、比容、焓、熵等参数的测量结果。为简化硬件电路，降低仪器成本，提高仪器的可靠性，我们在设计中尽量用软件实现仪器的功能。通过软件管理，可以将仪器设置在“介质选定”和“测量”两种状态。智能化热力参数测量仪可以测量水、饱和蒸汽、过热蒸汽、压缩空气等不同介质的状态参数，因此，仪器应具有测量介质选择功能。为简化硬件电路设计，我们采用了软件控制设定测量介质的方法，即仪器在复位后，自动进入介质选定状态，操作人员可按数码键“1”、“2”、“3”、“4”等数据键分别选定水、饱和蒸汽、过热蒸汽和压缩空气。介质选定后按“Enter”（回车）进入“测量状态”。开机后直接按“Enter”键，仪器认定上一次的测量介质并进入“测量”状态。

测量状态的软件包括不同载热介质的热力参数计算、A/D转换、显示、打印、通讯、键盘管理、D/A转换等子程序。仪器根据被测介质的调用相应的计算子程序，完成数据采集、计算、显示、报警等任务。并根据“打印”、“通讯”、“控制”等功能键的输入命令进行打印、通讯和输出控制信号。仪器按温度、压力、比容、焓、熵、、、流量等参数的顺序自动循环显示，每种参数显示时间为5秒，显示参数的物理符号和测量值。如果需要长时间显示某一测量参数，则在仪器显示该参数时按下“Enter”键，即输入延时命令，显示内容将停留15秒，之后自动进入各参数的循环显示。

4 智能化仪测量结果分析

产品实际应用证明：仪器测量速度快，精度高，使用范围广，准确地反映了热力系统的运行实质。计量部门的型式试验表明；以电流信号发生器模拟温度、压力变送器的输出，向智能化热力参数测量仪提供0～10mA或4～20mA的测量信号，仪器的测量误差 0.5%。表1、表2分别为饱和水蒸汽、过热水蒸汽几种状态参数的仪器测量值及其相对误差。

5 结论

在建立了高精度、宽范围热力参数数学模型的基础上，结合单片机运算速度快、指令丰富和多功能等优点，研制的智能化热力参数测量仪实现了热力参数的智能化快速检测。仪器小巧轻便、反应灵敏、安装方便、通用性强，评为部级新产品和国家重点推广产品，可望成为热力系统的更新换代设备。

参考文献：

[1] 滕召胜. 智能化热力参数测量仪研究， 电子测量与仪器学报，2000（3）：52～55

[2] 杨成顺.热力系统蒸汽流量测量方法与测量标准，节能，1998（7）：35～36

[3] E・斯米特，U・格里古尔，国际单位制的水和水蒸汽性质，北京：水电出版社，1999