保溫管道散熱損失測試系統設計與實現

概述

在城鎮供熱領域，保溫效果對保溫管道非常重要，一般用散熱損失進行描述。散熱損失直接影響著管道的節能效果、輸送效率和系統安全。GB/T 50627-2010《城鎮供熱系統評價標準》明確要求室外管網輸送效率不應小于0.9，GB 50411一2007《建筑節能工程施工質量驗收規范》規定了室外管網的熱輸送效率為0.92。如果管道的保溫性能較差，熱損失大，會導致介質降溫過快，增加能耗，甚至會威脅系統安全，因此對管道散熱損失、保溫效果進行測試與評價是十分必要的 [1-3]

目前對于保溫管道保溫性能的測試，一般多采用通用儀表進行測量，以人工定期讀數、記錄的方法開展。這些方法沒有集成化的實時監測、連續記錄手段，自動化程度較低，工作量大，容易出現錯誤，不能完成對多個傳感器的同時讀取和記錄。針對以上問題，筆者設計并實現了一種自動化的保溫結構散熱損失測試系統，大地提高了試驗效率和保證了數據的性、可靠性保溫管道散熱損失測試系統參照國家標準GB/T 28638-2012《城鎮供熱管道保溫結構散熱損失測試與保溫效果評定方法》中規定的試驗要求與測試方法，實現了對管道介質、保溫結構熱流密度、溫度的采集與監測。該系統適用于熱流計法、表面溫度法、溫差法，滿足實驗室模擬與工程現場檢測的試驗需求

2測試系統的理論依據保溫管道散熱損失通過保溫結構的散熱熱流密度來衡量。散熱溫差熱流密度的測量方法主要包括: 熱流計法、表面溫度法、熱流計法是在管道保溫結構外表面布設熱阻式熱流傳感器，直接測量供熱管道保溫結構的散熱熱流密度。熱阻式熱流傳感器內部的熱電堆產生電壓信號，通過采集電壓信號同時結合傳感器轉換系數，計算得到散熱熱流密度。表面溫度法是在管道保溫結構外表面緊密貼附熱電阻或熱電偶，通過采集熱電阻的阻值或熱電偶的電壓信號來計算保溫結構外表面溫度，并根據環境溫度、風速、風向，表面發射率及保溫結構外形尺寸，計算得到保溫結構散熱熱流密度。溫差法一般在管道保溫結構各層材料間預埋熱電偶或熱電阻來測量保溫結構各層界面溫度，根據保溫結構各層材料厚度以及材料在使用溫度下的熱導率 (材料熱導率可在實驗室測定)計算得到保溫結構的散熱熱流密度。以上三種測試方法，都是通過在管道表面選取若干具有代表性的測試截面，布設溫度或熱流傳感器，利用儀表讀取各物理量參數，計算得到散熱損失。工作管外徑為500 mm及以下的管道測試截面的測點布置見圖1。

1工作管外徑為500 mm及以下的管道測試截面的測點布對于工作管外徑較大 (外徑大于500 mm)的保溫管道，應增加測點數量，例如沿周向均勻設置的測點增加到8個。各測點布置完后，管道應在接近額定工況下穩定運行不少于72 h，同時采集各測試截面各傳感器的數據，通過觀察數據的變化情況來判斷系統是否達到亞穩態條件，即在兩個連續的5 min周期內，傳感器的讀數平均值相差不過2%。當系統達到亞穩態條件時，開始正式測試，按每分鐘不少于1次連續采集記錄數據記錄時間不少于10 min。

3測試系統的設計與實現保溫管道散熱損失測試系統應滿足保溫結構散熱損失的試驗方法的要求，并能適用于熱流計法、溫差法、表面溫度法，數據實時采集、顯示及記錄功能，同時還應具有數據采集的穩定性和系統配置的靈活性。測試系統的組成包括: 測試傳感器信號采集裝置和數據采集計算機 (信號采集裝置和數據采集計算機可集成在信號采集箱內，信號采集箱D測試傳感器測試傳感器包括熱流傳感器和溫度傳感器。熱流傳感器為平板熱電堆式，用于測量保溫結構外表面的熱流密度。平板熱電堆將通過傳感器的熱流密度轉化為電壓信號輸出到信號采集裝置。平板熱電堆的平面尺寸一般選擇為100 mmx50 mm，軟硅橡膠封裝，可方便貼敷在管道保溫結構的弧形表面。溫度傳感器選用PT100型鉑電阻溫度傳感器，使用耐高溫三芯屏蔽電纜，并采用三線制連接。根據測試方法和測試場景的不同，傳感器的布設可采用現場布設 或工廠預埋 的方式，一般熱流計法和表面溫度法傳感器可現場布設，溫差法為了在現場不破壞保溫結構，可將傳感器在制管時在工廠預埋。

5傳感器現場布設傳感器工廠預埋信號采集裝置信號采集裝置主要用于連接各傳感器并采集測試信號，將模擬信號轉換為數字信號傳遞給上層數據采集計算機。信號采集硬件選用ICPDAS公司生產的17000系列模塊。17000系列模塊由一系列遠程可控的采集模塊組成，了模擬信號輸入輸出(A/D、D/A)、數字信號輸入輸出 (DI/0) 、計數器(Timer/Counter) 等功能 [7]。保溫管道散熱損失的測試使用模擬信號輸入 (A/D) 模塊、1個17017毫伏電壓采集模塊和4個17015熱電阻溫度采集模塊。1個17017毫伏電壓采集模塊可采集8路熱流傳感器的毫伏電壓信號;1個17015熱電阻溫度采集模塊可同時采集6路熱電阻溫度信號。17000系列A/D模塊內部均配備24位A/D元件以高精度采樣，滿足散熱損失的測試精度[8]。I7000系列各采集模塊之間采用RS485總線進行連接并使用一系列指令實現控制。各采集模塊通過RS485總線與數據采集計算機(所選用的數據采集計算機帶有RS485接口)相連。I7000系列的RS485網絡是一個主從結構的光雙工網終.采田DCON協議.應簽式通信方式,并使用ASCII編碼格式,具有采集網絡配置靈活、便于維護的特點,當一個模塊或模塊通道出現問題時,不會影響網終中其他模塊的正常采集,保證系統正常運行。此外采取應答的方式,主機可靈活地配置各模塊的數據傳遞周期,定時更新各模塊采集通道的數據信息,實現系統數據實時更新[9-10].將上述各個模塊集成到信號采集箱中。信號采集箱設有信號采集面板，信號采集面板上設有220 V電源接口、電源開關、熱流傳感器接口、溫度傳感器接口以及USB數據導出接口。熱流傳感器接口共8個，編號為H1~H8，用于測量布設在供熱管道上的8路熱流密度信號;溫度傳感器接口共24個，編號為T1~T24，可根據實際情況測量供熱管道保溫結構的溫度、直埋管道周圍土壤溫度、工作管介質溫度以及環境空氣溫度@數據采集計算機數據采集計算機選用MMI人機界面系統，以嵌入式低功耗CPU為核心，同時嵌入一體化觸摸屏，并帶有多種接口，如USB口、串口 (RS232、RS485)、以太網口等，具有結構緊湊集成化程度高等特點。數據采集計算機安裝WinCE操作系統并預裝組態軟件，具備豐富的圖像顯示和數據處理功能。系統

采用的人機界面帶有RS485接口，可直接與17000 RS485網絡相連，省去了通信轉換模塊，有效降低了功耗，提高了傳輸穩定性和可靠性。另外，工業級的MMI人機界面具有較高的防護于級(那僅元年級T兒月E技嵌入到信號采集箱中，提高了系統的便攜性與穩定性，可勝任工程現場的數據監測與記錄，且環境適應性較強。保溫管道散熱損失測試系統的軟件使用人機界面自帶的組態軟件進行開發，通過圖形化設計和編寫腳本語言實現。軟件界面。軟件調用定時器通過串口通信向信號采集裝置中的各采集模塊發送字節指令，各采集模塊回復所采到的傳感器數據軟件將數據按預設的參數、公式進行算法處理 (如將熱流傳感器的毫伏電壓信號轉換為熱流密度數據)。軟件按預設形式將所得到的熱流密度數據、溫度數據直觀表示出來，實時刷新便于監測。軟件可同時顯示6個采集通道的數據實時變化曲線便于觀察數據變化趨勢。軟件還了采集數據的自動保存功能，可自動保存采集的熱流密度、溫度等數據，試驗人員可根據具體的測試需要，設定數據的保存周期經能傳的高換數WT·mV)的出)

軟件可以將數據存儲在MMI人機界面本地磁盤內，可根據時間

進行查閱，瀏覽采集到的歷史數據見圖7，還可以將查閱到的歷

史數據導出生成Excel文件，便于后續計算或存檔。

系統優化與特定功能

針對保溫結構散熱損失的測試特點，可在底層17000系列采集模塊和RS485采集網絡的基礎上，選擇不同的上位機系統來實現系統的優化和特定功能的實現D使用PC系統進行數據采集與顯示上述系統(以下稱為原系統)以MMI人機界面系統作為數據采集計算機，雖然便攜性較強，但數據處理能力與功能擴展方面不如PC系統。PC系統可原系統中的MMI人機界面，與信號采集裝置分離設計，在信號采集裝置中增加17052模塊與17000 RS485網絡相連，17052模塊可將RS485轉為RS232接，方便與PC系統通信。軟件可使用Visual Basic編寫，通過調用定時器、UART.DLL和17000.DLL等動態鏈接庫，實現數據實時采集，程序編寫自由度高，除數據采集、監測外，還可與office軟件相結合，數據計算處理、格式化報表導出測試報告編制等附加功能。此外，數據存儲更加靈活，既可在本地磁盤存儲成文本文件，也可根據需要選用Access.Oracle等數據庫進行存儲，方便數據查詢和調用。采用PC系統設計開發的保溫管道散熱損失測試系統見圖8。-=不建作過保酒陽熱性

采用PC系統的保溫管道散熱損失測試系統@使用M2M智能模塊實現數據采集與遠傳原系統中的MMI人機界面也可由M2M (Machine toMachine，終端間的數據傳輸)智能模塊，實現現場采集和遠程傳輸功能。保溫性能的測試通常需要較長時間，測試過程中管道系統工況的變化、各試驗參數的穩定情況直接影響著測試時間。保溫管道散熱損失測試系統如果能數據的遠程