如何正確地選擇并使用超聲波流量計(jì)測量空調(diào)水流量

空調(diào)水的測量所選擇的流量計(jì)種類并不多，超聲波流量計(jì)是其中一種使用較多的種類之一，如何能夠正確地選擇超聲波流量計(jì)，選擇超聲波流量計(jì)時(shí)需要關(guān)注的要點(diǎn)有哪些？其工作原理是什么？安裝與使用、維護(hù)時(shí)又需要關(guān)注哪些內(nèi)容？都是值得我們重視的地方。本文介紹了空調(diào)水流量測量中應(yīng)用的超聲波流量計(jì)的工作原理、測量點(diǎn)選擇原則、夾裝式傳感器安裝要點(diǎn)及測量操作步驟，并總結(jié)多年空調(diào)水流量測試實(shí)踐，提出了保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的技術(shù)措施。

1.超聲波流量計(jì)工作原理
封閉管道用USF按測量原理分類有：時(shí)間傳播法、多普勒效應(yīng)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(yīng)用于空調(diào)水系統(tǒng)中的USF的測量原理主要有時(shí)差法和多普勒效應(yīng)法。潤中儀表科技出品的RZ-1158系列流量計(jì)也是屬于時(shí)差式超聲波流量計(jì)，經(jīng)廣大用戶的使用，穩(wěn)定性和測量效果超好，是選擇超聲波流量計(jì)產(chǎn)品值得推薦的產(chǎn)品。
1.1 時(shí)差式USF測量原理
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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。當(dāng)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(dāng)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：
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c、L為常數(shù)，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(yīng)原理來測量流體流量。如圖2所示，傳感器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過管道內(nèi)液體中懸浮顆?；驓馀莺螅l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(yīng)，f2與f1之差即為多普勒頻差fd。
取流體流速為v，超聲波聲速為c，多普勒頻移fd正比于流體流速v，即：
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當(dāng)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(shù)，流體流速和多普勒頻移成正比，通過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(qū)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(qiáng)反射信號(hào)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(xù)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(dá)到±（0.5～1）%，重復(fù)性誤差0.1%～0.3%；多普勒USF測量精度一般為±（1～2）%，重復(fù)性誤差0.5%～1%。



2 測量點(diǎn)選擇原則
為保證空調(diào)水流量測量精度，選擇測量點(diǎn)時(shí)要求選擇流體流場均勻的部分，一般應(yīng)遵循下列原則：
2.1 被測管道內(nèi)流體必須是滿管。
2.2 選擇被測管道的材質(zhì)應(yīng)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(yīng)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明書為準(zhǔn)）以內(nèi)無任何閥門、彎頭、變徑等均勻的直管段，測量點(diǎn)應(yīng)充分遠(yuǎn)離閥門、泵、高壓電、變頻器等干擾源。
2.4 充分考慮管內(nèi)結(jié)垢狀況，盡量選擇無結(jié)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。
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測量時(shí)采用何種安裝方式，儀器說明書均有規(guī)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(jì)：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(biāo)準(zhǔn)安裝方式，使用方便，測量準(zhǔn)確。當(dāng)被測管道很粗或由于被測流體濁度高、管道內(nèi)壁有襯里或結(jié)垢太厚，造成V型安裝信號(hào)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，沒有折射，信號(hào)衰耗小。W型安裝適于小管，通過延長超聲波傳輸距離的辦法來提高小管測量精度，如圖3（c），使用W型安裝時(shí)，超聲波束在管內(nèi)折射三次，穿過流體四次。
3.1.2 多普勒USF流量傳感器安裝方式有兩種，分別是對稱安裝和同側(cè)安裝，如圖4所示。對稱安裝適用于中小管徑（通常小于600㎜）管道和含懸浮顆粒或氣泡較少的液體；同側(cè)安裝適用于各種管徑的管道和含懸浮顆?；驓馀葺^多的液體。
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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(hù)層，使用角磨砂輪機(jī)、銼、砂紙等工具將管道打磨至光亮平滑無蝕坑。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，并且在軸線水平位置±45°的范圍內(nèi)安裝，以防止管內(nèi)上部流體不滿、有氣泡或下部有沉淀等現(xiàn)象影響正常測量，如圖5所示。
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3.2.3 傳感器安裝處和管壁反射處必須避開接口和焊縫，如圖6所示。
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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(xiàn)場情況，確定空調(diào)水流量測點(diǎn)位置。測量前應(yīng)了解現(xiàn)場情況包括：管道材質(zhì)、管壁厚度及管徑；流體類型、是否含有雜質(zhì)、氣泡以及是否滿管；安裝現(xiàn)場是否有干擾源（如變頻、強(qiáng)磁場等）。根據(jù)現(xiàn)場了解的情況，結(jié)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(shù)輸入U(xiǎn)SF，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(cè)的對稱點(diǎn)。
4.5 測量點(diǎn)處管道表面處理。
4.6 傳感器與儀表接線。
4.7 微調(diào)傳感器位置。觀察流量計(jì)儀表的信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)質(zhì)量度、信號(hào)傳輸時(shí)間差與傳輸時(shí)間比等參數(shù)值，如發(fā)現(xiàn)不好，則細(xì)微調(diào)整探頭位置，直到這些參數(shù)值達(dá)到儀器說明書規(guī)定的范圍之內(nèi)。如無法調(diào)整，則需要改換合適安裝方式。傳感器位置調(diào)整好以后，用所配卡具將傳感器固定好。
4.8 再次確認(rèn)USF的信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)質(zhì)量度、信號(hào)傳輸時(shí)間差與傳輸時(shí)間比等參數(shù)值符合規(guī)定要求，即可從USF讀取實(shí)際流量值。

5 保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的技術(shù)措施
5.1 根據(jù)所測試流體的潔凈程度來判斷使用何種類型的USF：一般的空調(diào)冷凍和冷卻水系統(tǒng)可采用多普勒USF測量；若所測試的空調(diào)水系統(tǒng)剛沖洗干凈或有很好的水處理工藝，水系統(tǒng)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(wěn)定工作。盡量選擇在遠(yuǎn)離閥門、三通等局部阻力構(gòu)件的直管段測試，測點(diǎn)的距離應(yīng)滿足儀器使用說明書中注明的要求，減小誤差。
5.3 由于USF通常都利用電磁儀表顯示測試結(jié)果，強(qiáng)電磁場會(huì)對它的性能產(chǎn)生一定的影響。因此在使用過程中應(yīng)該盡量使USF避開有變頻設(shè)備、變壓設(shè)備等場所，以免影響測試工作。
5.4 確保所測量的水管內(nèi)是滿管流動(dòng)，USF實(shí)際測得的是流體的速度，流量是根據(jù)輸入的管徑計(jì)算出流動(dòng)斷面的面積，然后乘以流速得到的，只有滿管流動(dòng)才能保證測試數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。
5.5 重視測試前的準(zhǔn)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。安裝傳感器過程中，千萬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(shù)輸入是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。USF儀器本身的精度是在正確的管道參數(shù)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(shù)，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(zhǔn)確度的影響很大，但可通過現(xiàn)場精確實(shí)測來控制。
5.7 對于長期停流的空調(diào)水管道，正式測量前應(yīng)以大流量沖刷沉積管壁的銹垢等沉淀物。
5.8超聲波流量計(jì)作為精密儀器，長期使用會(huì)使測量產(chǎn)生一定誤差，應(yīng)定期送法定計(jì)量單位校準(zhǔn)，提供修正系數(shù)來減少測量值誤差。
5.9 不同型號(hào)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。