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摘要：本文介绍了目前国内热计量现状，回顾热量表发展历程，并结合七洋热量表研发过程，交流热量表研发的思考和体会。
关键词：热计量，流量传感器、热量表、预付费热量表、远传热量表。
一、 热量表发展概况
2003年7月，建设部、国家发改委等八个部委印发了《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》。现在，遍及全国15个省、区的47个城市已经在进行试点工作。主要在集中采暖的新建居住建筑系统中，推行温度调节和户用热量计量装置，按热量计量收费的系统试验工作。在八部委关于供热体制改革试点工作的指导意见发布前，许多热量表生产企业曾经期盼过，认为一旦实施“国家级”的试点工作，热量表会迎来新的销售高峰期。可事实上市场增长的并不理想。一方面我们国产的热量表技术不成熟还存在相当多的技术难题，影响热能计量的准确性，另一方面因为热能计量包含许多不确定因素：住户的朝向、楼层、位置、对室温不同要求等因素都会影响能耗，虽然各地已经试运行多年，但迄今为止，供热计量收费单价仍无法制订统一、科学的标准。中国人均能源资源匮乏，远远低于世界人均水平，能源消费却是世界第二大国。在国家“十一五”规划中明确提出了建筑节能指标，而供热节能是建筑节能的重要组成部分，已经列入各级政府重要议事日程。因此积极推进实施供热体制改革，实行供热计量是大势所趋，不可逆转。
目前，在国内的供热管网上运行既有进口热量表，也有相当数量的国产热量表。进口热量表大部分来自欧洲，因为集中供热计量收费始于欧洲，历经30余年，到今天已经有非常成熟的热计量技术和较为完善的供热计量收费体系，在热量表的生产和使用上积累了丰富的经验，他们为中国带来了全新的热量计量收费理念和先进的计量技术。其中著名的欧洲热表生产企业包括丹佛斯、西门子、真兰、斯伦贝谢、荷德鲁美特、恩乐曼、兰吉尔等等已经被行业所熟知。
我国热量表自行研制始于上世纪90年代。一方面认真学习借鉴了国外成熟的先进技术，一方面针对中国国情做了大量自主开发的努力。如在“冷热联供”系统中，既可实现热计量，也可实现冷计量，一表两用。由于部分地区供暖管道内水被盗用现象严重，为了避免热费损失，可以将热量表安装在供水管道(默认安装：回水管道)，对盗用热水有一定的制约作用。由于我国的供热基础设施存在着水质差、杂质多、管道系统停运时空置，造成结垢、氧化及锈蚀等问题。水质、工况条件比欧洲国家恶劣，容易对流量计造成计量影响甚至计量失效，这些因素增加了热量表的设计难度和制造成本。目前我国材料技术、加工技术的相对落后，限制了热量表使用材料的选择及制造，增加了热量表入网运行的不确定度，大大影响国产热量表的竞争能力。
2001年2月建设部发布《热量表》(CJ 128-2000)行业标准，标准结合了我国热量表研制、生产、使用情况，参照了欧洲热量表标准EN1434(Heat meters)和国际法制计量组织的R75号国际建议(OIML—R75)。规定了热量表的术语、技术特性、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装和贮存条件。2001年12月国家质量监督检验检疫总局发布 “中华人民共和国国家计量检定规程-热能表(JJG 225-2001)”，对热量表的首次检定、后继检定、使用中检验、定型鉴定及样机试用检定做出了规定。随着各项标准的出台，促使国内的热量表企业逐步走上规范化、标准化，与国际相接轨。
二、 流量传感器
热量表由流量传感器、配对温度传感器和计算器三部分构成。大部分企业将计算器作为自主研发的主要工作，而热量表的另外两个主要部件——测温探头对和流量计来自外购。在选用热量表的基本部件中，对精度至关重要的温度传感器，都给予了足够的重视。几乎都选用了符合国际和国家标准的Pt1000型配对铂电阻温度传感器。而对流量传感器往往需要长期实际使用、跟踪才能对其性能、可靠性作出准确的评估。
流量传感器的研发制造难度最大，问题也最多，是大多数热量表生产企业不愿涉足的领域。七洋作为专业的流量传感器制造厂商，始终坚持借鉴吸收世界先进技术，自主创新，不断完善，先后研制出多款热量表专用流量传感器，并获得了多项国家专利，与国内多家企业建立良好合作关系，逐步得到行业认可，树立 “七洋”品牌，为国内热量表生产企业提供优质的流量传感器。
设计要点
流量传感器可分为机械式和非机械式两大类，机械式又可分为旋翼式、螺翼式、涡轮式等，非机械式可分为超声波式、电磁式、涡街式等几类。由于成本的原因目前使用较多的是机械式流量传感器。七洋流量传感器采用旋翼式结构。
旋翼式流量传感器有单流束和多流束之分，单流束在水表中应用非常普遍，它结构简单，生产容易，加工难度小。多流束对流体的挠动不敏感，使用中对前后直管段无特殊要求，测量精度容易保证;七洋综合两者优点自创的双流束结构表芯，既有多流束表芯计量准确，稳定性好的特点，也有单流束体积小的优点，用这样的表芯制造的流量传感器外形小巧美观，叶轮受力均匀，转动平稳，始动流量小(6L/h),可以保证流量传感器在整个流量测量范围内的精度要求，不需要分段补偿。
由于在短时期内改善供热管网水质的愿望很难实现，如果仅仅在表前加装滤网和磁性过滤器，虽然可以滤除供暖管网中的较大颗粒杂质及磁性物质。但是仍有微粒杂质无法滤除，一定累积后会影响计量精度，严重的会造成堵塞。我们经过改进叶轮及叶轮壳的结构，使得微粒杂质很难沉积于叶轮壳内，使其对流量精度的影响降低到最小。如果在实际使用中流量传感器出现堵塞，可以通过在线清洗使其快速恢复，不影响用户用热，提高供热管理部门的维修效率。流量传感器表芯设计为可独立计量的整体结构，在保证流量传感器准确度的前提下，方便表芯的在线更换，可以大大降低供热管理部门的维护成本。
流量传感器表壳和表盖均为全铜材料，最大耐压性能大幅度提高，在4MPa的压力下不渗漏，不爆裂，可更好的抗击水锤等现象造成的管路压力突变对热量表造成的破坏。表芯采用特殊材料制成，能够保障流量传感器长时间在上限工作温度及流量下正常工作。达到本公司规定的500h的热水加速磨损试验(行业标准：300h)，大大提高了流量传感器在网运行可靠性。
由于计算器部分一般为内置锂电池，为保障正常使用年限，对功耗的要求苛刻，因此我们选用零功耗磁敏元件发讯输出流量信号以实现流量测量的低功耗。
设计难点
在产品设计初期，我们针对表芯结构设计和材料选用做了大量试验，这是一个漫长，艰难的过程。经过大量数据分析发现在较低流量下，流量传感器误差曲线很好，基本呈平直状态，但是到大流量下，误差曲线出现突变，误差值很大。最终查明是由于表芯材料变形引起的。表芯材料在高温浸泡、大流量冲击下发生变形，影响了水流冲击叶轮的位置，改变了叶轮与表芯壳体的间隙，从而影响到流量传感器的计量精度。
在寻找表芯材料过程中，我们遇到了很大的困难，很长一段时间都没能找到合适的材料，研发工作几乎陷入停顿。无奈之下，我们委托塑料材料方面的专家，按照我们的结构要求和使用条件要求，配制出了专门的材料，终于使得流量传感器通过了500h的加速磨损试验。
产品验证
迄今为止，七洋流量传感器在网数量已达数万只，主要分布陕西、河南、江苏、山东等几个省，最长的已达几个采暖季。经过对产品长期密切跟踪，获得大量现场资料。
某地区使用七洋热量表，安装运行不到两月，发现部分热量表流量计量明显偏慢，瞬时流量约0.3m3/h(正常约1 m3/h)，情况严重的甚至出现不计流量的情况。经现场实地查看，发现故障表的表芯淤积了大量粉末状杂质，叶轮转动受阻，造成计量不准。由于当时尚处于供暖期间，进行供热管网全网清洗是不现实的，经与热力公司协商，首先对故障表进行在线清洗工作，在短短几天时间内使所有的故障表恢复正常，热量表无一更换，深得当地热力公司认同。就此次出现情况与热力公司的相关人员进行沟通了解，在前期管网安装完成后，的确也进行了管道清洗(48h)，但由于是新建小区，室内散热器及管路并不是热力公司统一安装，因此管道清洗只能进行到户外，而不是真正全网清洗。当供热开始后，室内管网内，主要是散热器内壁锈蚀及装修杂质等进入管网循环，经过一段时间累积，致使叶轮转动受阻。就此情况与热力公司探讨，建议其规范管网操作。吸取了这一次的经验教训，在该热力公司后来新建的供热小区中此类情况大大减少。
七洋流量传感器经过几年实际运行，逐步得到用户的认可。某热力公司将运行一个供热季后的热量表送检，计量精度完全符合要求。所有出厂流量传感器(热量表)流量首检一次通过率99.7%。流量传感器表芯使用中从未出现磨损、变形的情况。在线清洗后的流量传感器经实际计量验证，流量精度不受影响。在网运行从未出现跑、冒、漏等现象。
三、 热量表
七洋公司在成功研发热量表专用流量传感器的同时，同步进行热量表计算器部分研发工作，相继完成普通型热量表、预付费热量表及远传热量表的研发。
结合目前国内供热系统实际情况，七洋热量表对以下几方面进行具有针对性的设计，完善：
计算器单元的密封性很关键。热量表的工作环境大多在户外管道井内，跑、冒、滴、漏时有发生;在低温，潮湿等恶劣的环境下，热量表会工作在供/停反复交变“呼吸”状态，极易在密封不良的计算器内出现凝霜、结露，渗水等情况，将严重影响热量表的正常工作，甚至破坏热量表。七洋热量表计算器部分实际防护等级IP67(行业标准：IP52)，在实际运行中即使短时间浸泡也能正常工作。
热量表一般安装于管道井内，空间比较狭窄，不便于读数，观察，七洋热量表计算器即能水平360°旋转又能垂直调整视角，根据现场情况即可分体安装也可一体安装。安装灵活，读数方便。
温度传感器采用Pt1000，符合IEC751标准，并严格配对，经对计算器进行测温校准，对温度传感器进行修正补偿，专门测温电路解决温度漂移及电压变化引起测量误差，温度测量分辨率为0.01℃;热量计算中水的焓值和密度采用查表方式，分段计算，保障热量计算的准确性。
流量信号部分采用专有的磁屏蔽技术，能有效防止外界强磁干扰。经实验使用5000高斯磁铁(行业标准：100kA/m)从任意方向贴近整表，计量不受影响。
热量表按状态可分为：工作状态、休眠状态，计量状态。工作状态：每分钟将进行一次测温、热量计算，四分钟之内无按键操作将关闭显示。休眠状态：国内采暖期一般为3～6个月，其余时间处于空闲状态，在非采暖期热量表进入休眠状态，停止测温及热量计算，工作电流仅为1.8uA。计量状态：当热量表初于计量状态，将提高温度采样及热量计算。
热量表在运行当中自动检测当前状态，记录告警信息并显示相应告警代码。告警信息包括：测温告警、存储告警、流量告警、欠压告警等。
随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向。智能热表包括预付费热量表及远传抄表两种方式。
预付费热量表通过IC卡向热量表传递用户的购买信息及相关收费设置，同时热量表将工作数据及当前状态返写IC卡(抄表)，由管理系统读取、存储供管理部门查询，分析及统计管理。热量表根据当前状态自动进行控制(开/关阀)，实现预收费，自动抄表，欠费关阀的功能。虽然这些功能在传统三表(电、水、气)都有成功应用，但是热量表的运行工况复杂，受水质差、温度高、运行期间断续长等及使用电池供电等因素因，容易导致执行机构失效，影响用户使用。只有彻底解决以上种种不利因素，才能保障热量表的正常使用。
在成功开发普通型热量表基础上，七洋针对预付费热量表实际情况，经过大量的实验验证、实际在线运行测试，预付费控制功能稳定可靠。
设计要点：
七洋预付费热量表流量传感器是真正的表阀一体化结构，不仅外形美观而且无接头处渗漏之忧。计算器部分由于使用非接触卡，实际防护等级IP67(国家标准：IP52)，在实际运行即使短时间浸泡也能正常工作。热量表即可分体安装也可一体安装，可以根据现场情况，灵活安装，读数方便。
基站及非接触IC卡选用菲利浦系统，采用双向验证机制。读写器验证IC 卡的合法性，同时IC卡验证读写器的合法性。每张卡均有唯一的序列号。一卡通管理系统运行期间验证读卡器及操作员合法性才能进行售卖，热量表验证IC卡合法性成功才进行充值。保证了系统操作的安全性。
由于使用非接触方式，操作方便，快捷，使用时没有方向性，多个方向均可操作。无机械接触，从而避免了各种故障，成功率高，通讯快捷方便。
配合七洋一卡通管理系统可以实现一卡多用，实现一卡通(热、水、电、气)管理功能。
球阀功耗低，开关可靠，定位准确，压力损失小，为防止结垢锈蚀，定期自动开关阀，保证球阀工作的可靠性。
使用双电源模式，外电池使用普通碱性电池，使用约一年，用户可自行更换，内置一次性锂电池，当外电池欠压时准确、可靠关闭阀门。如果使用期间内置电池欠压，独特的结构设计，管理部门可以方便的更换内置电池。
在普通型热量表基础上增加IC卡通讯、阀门控制功能，当热量表出现运行错误，记录报警事件、显示错误代码，自动关闭阀门。工作人员排除故障后，阀门自动开启。当表内剩余热量低于设定值，将关阀告警，用户刷卡后可继续使用，提醒用户及时购热。用户欠费将自动关闭球阀，待购买输入后，自动开启球阀。
热量表使用过程中，由于结垢或堵塞造成阀控制失效，可以在线整体拆下球阀驱动部分及计算器单元，使用工具直接转动球阀转轴，待球阀恢复正常，重新安装成整表，维修后不影响整表正常运转，方便快捷。
通过IC卡传递用户购买信息及供热价格等相关设置的同时将热量表的计量数据以及当前表状态返回一卡通管理系统，供管理部门统计、查询，方便管理。
目前住宅小区的智能化、网络化已成为国内住宅建设的发展方向，其中作为智能家居子系统的三表远抄又被提到了较为突出的地位，并率先得到了发展。三表远传系统可以完成水、电、气、热的远传抄收管理，实现三表数据管理的自动化和智能化，从而保证数据的准确性和及时性。目前远传接口主要包括：M-BUS，RS485及脉冲输出等几种方式。脉冲输出是三表常用输出接口，当每使用1单位的用量，输出一固定脉宽的脉冲，由于接口简单、信号处理简单、方便，容易与现有楼宇自控系统中的抄表单元配套，目前使用较多，但同时也存在抗干扰能力差，功能单一的弊端。M-BUS总线由于两芯无极性、无需另外提供电源、可以自由拓扑，因此具有明显的优势，但由于其成本较高、应用技术复杂等原因，虽然在欧洲大规模应用，但在中国M-BUS尚没有被用户首选。目前采用最多的集中抄表的通讯方式仍然以RS485为主，但存在结点少、距离短的缺陷。由于尚未制定远传接口的行业标准，针对不同客户的实际需求，七洋热量表可以提供以上远传方式，满足客户的多种需求。
文中观点仅代表公司及个人，收集的信息不能完全反映国内所有热量表的现状，旨在给热量表企业的研发、生产提供一些参考，交流。
