摘要：介绍了燃气采暖热水炉标准的要求，论述了燃气采暖热水炉全自动测试系统的软硬件设计。
关键词：燃气采暖热水炉；测试系统；自动采集；数据处理
Study on Fully Automatic Test System for Gas-fired Heating and Hot Water Combi-boiler
GAO Shuo，YANG Li-jie，HU Yu，HE Gui-long，SONG Huan-chen
Abstract：The requirements in the standard for gas-fired heating and hot water combi-boiler are introduced. The design of software and hardware of fully automatic test system for gas-fired heating and hot water combi-boiler is discussed.
Key words：gas-fired heating and hot water combi-boiler；test system；automatic sampling；data processing
燃气采暖热水炉在中国的发展是从20世纪90年代末开始的，随着国内供暖市场快速发展，国外主要品牌进入中国市场，国内的生产企业也不断增多，燃气采暖热水炉已成为继燃气灶具、燃气热水器之后的第三大燃具产品。在标准方面，开始阶段国内市场没有相应的产品标准和市场准入制度，仅执行《家用燃气快速热水器》GB 6932—2001的相关规定。2006年3月发布了CJ/T 228—2006《燃气采暖热水炉》行业标准，《燃气采暖热水炉》国家标准的报批稿已通过国家标准化管理委员会审查，将于2010年执行。在《燃气采暖热水炉》国家标准的报批稿中，部分测试项目需要连续测量10 rain内供暖水的水温变化，靠人工记录的方法已不能满足标准要求；此外，还严格规定了测试台的热损失。因此，在产品标准不断提高要求的情况下，迫切需要开发一套能够适应产品标准要求、高精度的燃气采暖热水炉检测设备，更好地为燃气采暖热水炉产品质量把关。
1 方案设计
目前市场上的燃气采暖热水炉热输入为18～70kW，气源包括天然气、液化石油气、人工煤气。燃气采暖热水炉热输入跨度大，气源种类多，这就要求自动测试系统适用范围广。产品标准的多个试验项目对试验时的供回水温度、热输入都有严格规定，如GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》规定：热水额定热负荷时温升为(40±1)℃，50%及以下额定热负荷时温升为(30±1)℃；供暖额定热负荷时供暖出水温度为(80±2)℃，供暖回水温度应比供暖出水温度低(20±1) ℃；50%及以下额定热负荷时供暖出水温度为(65±2)℃，供暖回水温度应比供暖出水温度低(15±1)℃。又如《燃气采暖热水炉》国家标准的报批稿中部分负荷热效率间接方法测试试验要求：将燃具调节到允许的最小热输入状态，使出水温度保持在(55±2)℃，回水温度保持在(45±1)℃。可以看出，标准中对供回水温度和供回水温差都有详细规定。如果测试系统根据产品的设计参数能够计算出各个试验项目时对应的供水流量、冷却水流量、燃气压力等参数，在调节的时候将会节省大量的时间和能源。基于以上考虑，在设计中测试系统装有多个板式换热器和燃气流量计，满足不同负荷和不同气源的需要；软件设计中加入理论计算功能，通过燃具的设计参数和公式计算出试验时的各种参数；数据采集方面对温度、流量等试验过程中的关键参数进行实时曲线显示，帮助检测人员更好地控制试验过程，并对最终的测量数据进行自动计算、存储，生成报告。系统硬件结构见图1。图1中，左侧点划线内为测控系统，右侧点划线内为管路系统。虚线表示电路，细实线表示气路，粗实线表示水路。
整个测试系统由供暖水系统、冷却水系统、生活热水系统、燃气系统、数据采集系统组成。现以测量供暖热效率为例，说明本检测系统的操作过程。供暖水系统通过板式换热器和冷却水系统进行水-水换热。调节供暖水系统的调节阀控制供回水温度差达到20℃，调节冷却水系统的调节阀2控制供暖回水温度。供暖水流量qV由电磁流量计测量，在最靠近供暖出水口和供暖回水口的位置安装温度传感器测量出水温度θ1和回水温度θ2，通过燃气流量计测量消耗燃气的体积V数据采集系统通过安装有检测软件的计算机经数据采集控制模块，实时监测供暖出回水温度与流量、燃气消耗量等数据。待系统运行稳定后，采集数据，根据公式计算采暖炉热效率，公式为：
式中η——采暖热效率，%
m——修正后实测出热水量，kg
θ1——供暖出水温度，℃
θ2——供暖回水温度，℃
Q——对应平均出水温度下的测试装置热损失，kJ
V——基准状态(15℃、101.3kPa)下燃气消耗量，m3
QL——燃气在基准状态下的低热值，kJ/m3
qV——供暖水流量，m3/s
ρ——供暖水密度，kg/m3
f——测量时间，
根据公式(1)、(2)计算出热效率并将最终测试数据存储、生成报告。
2 系统硬件及软件设计
① 硬件设计
该系统硬件包括水路、气路和电路。在管路系统设计中，水路的设计是非常重要的。由于这套系统适应燃气采暖热水炉的热输入跨度大、气源种类多、检测标准多，要完成的试验项目多，测量点也比较多，并且为了节省测量仪器，所以管路必然比较复杂，容易产生气阻和阻力大的问题。所谓气阻就是指在供暖系统中有空气，阻力大的原因有气阻、管路太长、水流向频繁改变等等。这两者都可能使得系统供暖水循环不畅，或者试验条件达不到标准的要求。因此，在管路的适当位置设置循环水泵，并在合适的位置安装排气阀，可以在气阻的情况下将气体排出循环系统外，增加了系统的灵活性。此外，水路系统可以实现手动操作与自动操作的切换，使系统同时满足手动操作和自动操作的需求。气路设计主要实现不同气源、不同负荷下燃气管道和流量计的切换。
电路设计要根据测试系统中所选用的仪器仪表来进行。温度测量采用德国原产温度传感器与变送器，Pt100精度等级1/3B，4线制；温度测量范围为0～150℃，具有响应时间短、测量精度高等特点，输出信号4～20mA。流量测量采用德国原产ProcessMaster系列电磁流量计、五点标定后精度为0.2%。电磁流量计根据法拉第电磁感应定律设计，流量正比于介质流速和磁通密度，以及电极间的距离。电压信号用变送器转换成标准信号，方便数据采集，而且电磁流量计无节流部件，压力损失小，减少能耗，只与被测流体的平均速度有关，测量范围宽。只需经水标定后即可测量其他介质，无须修正，相比于浮子流量计精度大大提高。压力测量采用德国原产压力传感器，测压范围为0～3MPa，精度为0.15%，输出标准电流信号。燃气消耗量测量采用日本品川湿式气体流量计，既可以通过流量计的机械表盘读取燃气消耗量，也可以通过其发出的电信号经过处理后得到燃气消耗量。燃气压力测量用压力表量程为0～5kPa，输出相应的电信号进行数据采集。流量调节阀选用电动调节阀，进行远程控制。烟气分析仪采用多组分烟气分析仪，各组分都有对应的电信号输出。数据采集模块选用ADAM系列模块对各参数进行高精度采集与控制。系统电路连接见图2。
系统测控部分设计中，主要采用计算机和各种数据采集模块相互配合，实现数据的采集、处理和控制。所选用的ADAM系列数据采集模块是一种传感器到计算机的智能接口模块，该系列模块具有内置的微处理器，可以独立提供智能信号处理、模拟量I/O、数字量I/O和RS-485通信等功能[1]，可挂接在RS-485总线上被连接到任何一种计算机或终端上。在模块与主机间的通信中使用了ASCII格式命令，从而可方便地使用任何一种高级语言对其进行编程。模块可提供多种功能，如对信号的滤波、对输入信号放大倍数的调整、A/D和D/A变换、数据比较以及数据通信等。信号采集模块将采集到的信号转换成485信号，信号转换器再将485信号转换成232信号，计算机通过串行通信的方式与各模块实现通信。
② 软件设计
软件设计方面，该系统是一个实时监测控制系统，要求软件具有实时、可靠、灵活的特点。实时是指计算机能及时处理从被控对象送来的消息，并输出相应的控制信息到被控对象。可靠是指应用程序中没有隐藏的错误，如溢出、偏差值反号、程序错误分支、内存单元被冲以及死循环等。这就需要在实际系统或模拟系统上进行充分调试。灵活就是指在整个程序结构不作变化的情况下，能对应用程序方便地做出补充或修改。
软件设计采用VB.net编程工具，由于此系统涉及的试验众多，所以将每个试验以模块化的方法分别对其编程，每个试验都有其单独的操作界面，不至于由于试验众多而显得界面凌乱复杂，最后将这些试验模块显示于一个综合的界面上，采用弹出窗口的方式设计。报表打印部分是根据各个试验检测的结果，访问数据库，打印出最后的检测报告。
为了进一步说明系统软件设计过程，下面以供暖性能试验中的供暖热效率试验为例加以详细阐述。该试验过程需要采集的数据有供暖出水温度、供暖回水温度、供暖水流量、燃气消耗量、时间等，要控制冷却水流量、供暖水流量。试验控制流程见图3。
从图3可以看出，试验基本上都是顺序进行的，整个试验过程都在计算机的监控之下。其中，所有的判断都是依据计算机采集各传感器的数据来进行的，而控制则是通过采集控制模块输出模拟量来完成对阀门的调节。程序界面见图4。
从图4可以看出，在试验进行中，工作人员可以根据界面曲线图了解试验中各参数变化过程。在数据采集方面，软件实现了每100ms采集一次水温和水流量的数据，并对其进行实时曲线显示，根据实测数据进行坐标自动变换、数据库存储，并对最后的测量结果求取平均值。相比人工操作时只读取某一时刻数值，本系统测试数据更准确，提高了检测精度。
3 结论
燃气采暖热水炉全自动测试系统在选用高精度检测仪表的同时，软件设计上达到较高程度的自动化。通过公式计算出各个试验项目对应的供暖水流量、冷却水流量、燃气压力等参数，在调节时将会节省大量的时间和能源。对检测过程参数进行高频率采样并取平均值的方式进行数据处理，提高了检测的精度，实现对检测过程中水温及水流量等重要参数进行高精度实时曲线显示，帮助检测人员更好地了解和掌握试验过程中参数的变化，并对曲线图进行自动存储，完成人工操作无法实现的功能。可以自动生成试验记录表，省去了人工填写试验记录的繁琐工作，提高了工作效率。
此外，燃气采暖热水炉全自动测试系统有广泛适用性，可同时满足的GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》、GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》、CJ/T228—2006《燃气采暖热水炉》、EN 483:1999《集中燃气采暖锅炉额定热输入小于等于70kW的C型炉》和《燃气采暖热水炉》国家标准的报批稿要求。
参考文献：
[1] 杨丽杰，王启，刘彤，等.燃气灶具检测自动控制系统的研究[J].煤气与热力，2007，27(6)：37-39.
(本文作者：高硕1 杨丽杰1 胡宇1 何贵龙1 宋焕臣2 1.中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074；2.日照杉浦热能有限公司 山东日照 276800)
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