正確使用超聲波流量計測量空調水流量的方法

    1.超聲波流量計工作原理

    封閉管道用USF按測量原理分類(lèi)有：時(shí)間傳播法、多普勒效應法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法。其中時(shí)間傳播法又可分為時(shí)差法、相位差法、頻差法。目前應用于空調水系統中的USF的測量原理主要有時(shí)差法和多普勒效應法。

    1.1 時(shí)差式USF測量原理

    超聲波在液體中傳播，由于流體流速不同會(huì )使超聲波傳播速度發(fā)生變化。如圖1所示，取超聲波在靜止流體中聲速為c，流體流速為v，上下游傳感器的安裝距離為L(cháng)。當超聲波傳播方向與流體方向一致時(shí)，超聲波傳播速度為（c+v），當超聲波傳播方向與流體方向相反時(shí)，超聲波傳播速度為（c－v）；則順流方向傳播時(shí)間tl=L/（c+v），逆流方向傳播時(shí)間t₂=L/（c－v），則有：

    c、L為常數，測得時(shí)間差△t即可求出流體流速v，進(jìn)而求得流體流量。

    1.2 多普勒USF測量原理

    多普勒USF是以利用多普勒效應原理來(lái)測量流體流量。如圖2所示，傳感器1發(fā)射頻率為f₁的超聲波信號，經(jīng)過(guò)管道內液體中懸浮顆�；驓馀莺�，頻率發(fā)生偏移，以f₂的頻率反射到傳感器2，這就是多普勒效應，f₂與f₁之差即為多普勒頻差f_d。

    取流體流速為v，超聲波聲速為c，多普勒頻移f_d正比于流體流速v，即：

    當管道條件、傳感器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數，流體流速和多普勒頻移成正比，通過(guò)測量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。

    1.3 兩者使用主要區別

    1.3.1 被測流體水質(zhì)要求不同。時(shí)差式USF適用于比較潔凈的流體測量，多普勒USF主要用于測量含有適量能給出強反射信號的顆�；驓馀莸囊后w。時(shí)差式USF可以測量懸浮顆粒較少的液體，多普勒USF要比時(shí)差式USF適用懸浮顆料含量上限高得多，而且可以測量連續混入氣泡的液體。

    1.3.2 測量精度不同。時(shí)差式USF測量精度比多普勒USF高，時(shí)差式USF測量精度可以達到±（0.5～1）%，重復性誤差0.1%～0.3%；多普勒USF測量精度一般為±（1～2）%，重復性誤差0.5%～1%。

    2 測量點(diǎn)選擇原則

    為保證空調水流量測量精度，選擇測量點(diǎn)時(shí)要求選擇流體流場(chǎng)均勻的部分，一般應遵循下列原則：

    2.1 被測管道內流體必須是滿(mǎn)管。

    2.2 選擇被測管道的材質(zhì)應均勻質(zhì)密，易于超聲波傳播，如垂直管段（流體由下向上）或水平管段（整個(gè)管路中最低處為好）。

    2.3 安裝距離應選擇上游大于10倍直管徑，下游大于5倍直管徑（注：不同儀器要求的距離會(huì )有所不同，具體距離以使用的儀器說(shuō)明書(shū)為準）以?xún)葻o(wú)任何閥門(mén)、彎頭、變徑等均勻的直管段，測量點(diǎn)應充分遠離閥門(mén)、泵、高壓電、變頻器等干擾源。

    2.4 充分考慮管內結垢狀況，盡量選擇無(wú)結垢的管段進(jìn)行測量。

    3 夾裝式流量傳感器安裝要點(diǎn)

    3.1 流量傳感器安裝方式的確定

    3.1.1 時(shí)差式USF傳感器安裝方式有三種，分別是V法、Z法和W法，如圖3所示。

    測量時(shí)采用何種安裝方式，儀器說(shuō)明書(shū)均有規定，但在邊界范圍一般比較模糊。如TFX1020P時(shí)差式超聲波流量計：V型安裝法適用測量管徑25～400㎜，Z型安裝法適用測量管徑100～2540㎜，W型安裝法適用測量管徑65㎜以下小管。V型與Z型、V型與W型在適用測量管徑均有部分重疊，如遇此情況則按下列原則選擇最佳安裝方式：V型安裝一般情況下是標準安裝方式，使用方便，測量準確。當被測管道很粗或由于被測流體濁度高、管道內壁有襯里或結垢太厚，造成V型安裝信號弱，儀表不能正常工作時(shí)，選用Z型安裝。原因是使用Z型安裝時(shí)，超聲波在管道中直接傳輸，沒(méi)有折射，信號衰耗小。W型安裝適于小管，通過(guò)延長(cháng)超聲波傳輸距離的辦法來(lái)提高小管測量精度，如圖3（c），使用W型安裝時(shí)，超聲波束在管內折射三次，穿過(guò)流體四次。

    3.1.2 多普勒USF流量傳感器安裝方式有兩種，分別是對稱(chēng)安裝和同側安裝，如圖4所示。對稱(chēng)安裝適用于中小管徑（通常小于600㎜）管道和含懸浮顆�；驓馀葺^少的液體；同側安裝適用于各種管徑的管道和含懸浮顆�；驓馀葺^多的液體。

    3.2 傳感器安裝要求

    3.2.1.剝凈測量點(diǎn)處附近保溫層和保護層，使用角磨砂輪機、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無(wú)蝕坑。要求：漆銹層磨凈，凸出物修平，避免局部凹陷，光澤均勻，手感光滑圓潤。需要特別注意，打磨點(diǎn)要求與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點(diǎn)打磨成平面，用酒精或汽油等將此范圍擦凈，以利于傳感器粘接。

    3.2.2 在水平管段上，兩個(gè)傳感器必須安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線(xiàn)水平位置±45°的范圍內安裝，以防止管內上部流體不滿(mǎn)、有氣泡或下部有沉淀等現象影響正常測量，如圖5所示。

    3.2.3 傳感器安裝處和管壁反射處必須避開(kāi)接口和焊縫，如圖6所示。

    3.2.4 傳感器工作面與管壁之間保持有足夠的耦合劑，不能有空氣和固體顆粒，以保證耦合良好。

    4 測量操作步驟

    4.1 了解現場(chǎng)情況，確定空調水流量測點(diǎn)位置。測量前應了解現場(chǎng)情況包括：管道材質(zhì)、管壁厚度及管徑；流體類(lèi)型、是否含有雜質(zhì)、氣泡以及是否滿(mǎn)管；安裝現場(chǎng)是否有干擾源（如變頻、強磁場(chǎng)等）。根據現場(chǎng)了解的情況，結合上述“測量點(diǎn)選擇原則”確定水流量測點(diǎn)最佳位置。

    4.2 用繩子和尺測量測點(diǎn)處管道外徑，用超聲波測厚儀測量管道壁厚。

    4.3 確定傳感器安裝方式。

    4.4 求安裝距離，確定傳感器位置。將管道參數輸入USF，選擇傳感器安裝方式，得出安裝距離。如V法安裝：先確定一個(gè)點(diǎn)，按安裝距離在水平位置量出另一個(gè)點(diǎn)；Z法安裝：先確定一個(gè)點(diǎn)，按安裝距離在水平位置量出另一個(gè)點(diǎn)，然后測出此點(diǎn)在管道另一側的對稱(chēng)點(diǎn)。

    4.5 測量點(diǎn)處管道表面處理。

    4.6 傳感器與儀表接線(xiàn)。

    4.7 微調傳感器位置。觀(guān)察流量計儀表的信號強度、信號質(zhì)量度、信號傳輸時(shí)間差與傳輸時(shí)間比等參數值，如發(fā)現不好，則細微調整探頭位置，直到這些參數值達到儀器說(shuō)明書(shū)規定的范圍之內。如無(wú)法調整，則需要改換合適安裝方式。傳感器位置調整好以后，用所配卡具將傳感器固定好。

    4.8 再次確認USF的信號強度、信號質(zhì)量度、信號傳輸時(shí)間差與傳輸時(shí)間比等參數值符合規定要求，即可從USF讀取實(shí)際流量值。

    5 保證測量結果準確性的技術(shù)措施

    5.1 根據所測試流體的潔凈程度來(lái)判斷使用何種類(lèi)型的USF：一般的空調冷凍和冷卻水系統可采用多普勒USF測量；若所測試的空調水系統剛沖洗干凈或有很好的水處理工藝，水系統潔凈程度很高，則采用時(shí)差式USF測量為好。

    5.2 正確選擇測量點(diǎn)位置及傳感器安裝方式以保證USF正常穩定工作。盡量選擇在遠離閥門(mén)、三通等局部阻力構件的直管段測試，測點(diǎn)的距離應滿(mǎn)足儀器使用說(shuō)明書(shū)中注明的要求，減小誤差。

    5.3 由于USF通常都利用電磁儀表顯示測試結果，強電磁場(chǎng)會(huì )對它的性能產(chǎn)生一定的影響。因此在使用過(guò)程中應該盡量使USF避開(kāi)有變頻設備、變壓設備等場(chǎng)所，以免影響測試工作。

    5.4 確保所測量的水管內是滿(mǎn)管流動(dòng)，USF實(shí)際測得的是流體的速度，流量是根據輸入的管徑計算出流動(dòng)斷面的面積，然后乘以流速得到的，只有滿(mǎn)管流動(dòng)才能保證測試數據是準確的。

    5.5 重視測試前的準備工作，如保溫層的剝離、管道表面的除銹、除漆等，這樣才能確保測試數據的準確。安裝傳感器過(guò)程中，千萬(wàn)注意在傳感器和管壁之間不能有空氣泡及沙礫。

    5.6 正確管道參數輸入是保證測量結果準確的關(guān)鍵。USF儀器本身的精度是在正確的管道參數下得到的，但要求操作者能在測量時(shí)輸入正確的管道參數，才能得到正確的流量值。管徑誤差、管壁測厚誤差對USF測量準確度的影響很大，但可通過(guò)現場(chǎng)精確實(shí)測來(lái)控制。

    5.7 對于長(cháng)期停流的空調水管道，正式測量前應以大流量沖刷沉積管壁的銹垢等沉淀物。

    5.8 USF作為精密儀器，長(cháng)期使用會(huì )使測量產(chǎn)生一定誤差，應定期送法定計量單位校準，提供修正系數來(lái)減少測量值誤差。

    5.9 不同型號USF的流量傳感器在發(fā)射頻率等技術(shù)性能不同，測量時(shí)不能混用。

    參考文獻：

    [1]蔡武昌、孫淮清、紀綱編著(zhù)，《流量測量方法和儀表的選用》，化學(xué)工業(yè)出版社。
    [2]劉東、陳沛霖、劉傳聚、張恩澤，《空調工程水系統測量中使用超聲波流量計時(shí)應注意的問(wèn)題》，建筑熱能通風(fēng)空調，2003年第3期。
    [3]趙晉梅、董妙賢，《超聲波流量計的選型及應用》，工業(yè)計量，2002-08-15。
    [4]胡江順、何松杰，《管道參數對便攜式超聲波流量計測量的影響》，計量技術(shù)，2001-09-28。