水表耐久性试验装置结构

本文设计研制一台DN15～50 mm口径的新型水表耐久性试验装置，兼具连续流量和断续流量试验功能。装置主要由不锈钢台体、水泵、PLC控制系统、恒转矩变频器、矢量型电机、水表夹紧工装、电磁流量计、冷却机、加热管、温度传感器、压力传感器、手动球阀、气动球阀、液位计、管道系统等构成。装置结构示意图如图2所示。

考虑装置需要长时间通水运行以及加热等要求，装置台体和整体夹紧工装采用304不锈钢加工制作，可有效的防止台体和管道系统老化、锈蚀等造成的不良影响。热水水表在耐久性试验运行过程中的试验水温较高，管道系统包裹保温材料。试验用水的水质问题，在水泵前端安装滤网过滤水中的大颗粒杂物及铁锈等杂质[14]。试验装置长期运行过程中可能出现突发泄漏，在水表夹具安装的管道处加装一个透明全封闭有机玻璃安全保护罩，以避免管道中带有压力的热水泄露而造成人员烫伤或电路短路等安全事故。

水表的前端安装一个温度变送器，用于测量和监测试验装置在运行过程中受试水表上游的水温。水箱处安装一个温度变送器，用于监测水箱内的水温。浮球式液位计用于监测水箱内的液位。水表的前端和后端分别安装一个压力传感器，用于监测试验装置在运行过程中受试水表上游和下游的水压。

2.1   水泵和变频器的选型
一般普通水泵采用普通异步电机与变转矩变频器组合达到供水目的，如果本装置采用普通异步电机作为水泵驱动，进行耐久性试验期间势必导致电机的热效应增加，而电机上自带的被动散热风扇无法满足电机的温升特性。

装置的水源驱动设计是新型水表耐久性试验装置的技术创新核心。根据断续流量试验和连续流量试验中对流量范围的要求，以及水表工作压力、温度等级、压力损失等技术要求，本装置选用轻型立式多级离心泵，最大流量为42 m3/h，扬程为41 m，轴功率为7.5 kW，转速为2900 r/min。变频器采用恒转矩重载矢量型变频器，搭配变频调速专用三相异步电动机和专用通风机，恒转矩频率范围为5～50 Hz，额定转矩为23.9 N·m，标称功率为7.5 kW。

断续流量试验过程要求试验开启或关闭时间1 s，间断试验通停水时间15 s，传统装置采用步进电机控制球阀打开关闭，来达到断续试验要求。本装置设计采用主动方式散热的低转速高扭矩的矢量异步电机和恒定转矩变频器的组合，利用制动电阻实现电机的瞬时停止瞬时启动的功能，达到断续流量试验要求。

2.2   流量计的选型
流量计用于记录流经受试水表的瞬时流量，对于水表耐久性试验装置而言，流量指示仪表的选择主要考虑以下几个方面：被选流量计要能适应水表耐久性试验装置的工作环境，能耐高水温；流量计的准确度等级应不低于0.5级，且计量性能稳定可靠；流量计的内部无可运动部件，可以承受冷水和热水的冲击；流量计的流量范围满足水表耐久性试验装置的要求；被选流量计应带信号输出，方便数据的采集。

综合考虑，本装置选用一台准确度等级为0.5级、流量范围为1～50 m3/h电磁流量计作为水表耐久性试验装置的流量指示仪表[15]。电磁流量计瞬时流量值的响应时间一般约为几十秒，而断续流量试验中的水表流量开启时间仅15 s，在这么短的时间内，普通电磁流量计无法正常显示出瞬时流量值。本装置定制的电磁流量计响应时间为10 ms，可在短时间内正常显示出测量管道内的瞬时流量值，满足断续流量试验的技术要求。

2.3   传感器选型与加热冷却系统
关于传感器选型和加热冷却系统,考虑设备长时间处于无人值守，所以设计过程都采用一主一备的冗余设计。其中温度采用PT100搭配0～100℃温度变送器，压力传感器选择0.1～1.0 MPa，水箱液位采用多浮球干簧管液位开关。

由于磨损时水一直处于升温过程，并且升温速度没有严格要求，所以采用PID占空比控制的加热方式，此加热方式有结构简单、成本低、利于维护的特点。

制冷控制和加热控制相同，依据水箱内温度传感器所反馈的温度信息，通过冷却机制冷控制水箱的试验水温，本装置选择安装两台功率0.746 kW的冷却机。