影響超聲波流量計流量測量的幾個問題
本文主要介紹了影響超聲波流量測量的幾個問題因素，從內(nèi)到外解析問題所在，幫助用戶以及公司解決超聲波流量測量不準(zhǔn)確的辦法。
1、引言：
空調(diào)水系統(tǒng)被稱為空調(diào)系統(tǒng)的“血液循環(huán)系統(tǒng)”，空調(diào)水就是“血液循環(huán)系統(tǒng)”里的“血液”，是空調(diào)系統(tǒng)***重要的部分，承擔(dān)為空調(diào)系統(tǒng)輸送冷量的作用。空調(diào)系統(tǒng)的“血液循環(huán)系統(tǒng)”功能的完善與否，“血液”的“健康”與否，直接影響空調(diào)系統(tǒng)的正常使用和制冷效果。《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》( GB 50411-2007) 11． 2． 11 條強制性規(guī)定，空調(diào)系統(tǒng)的冷( 熱) 水總流量、冷卻水總流量、空調(diào)機組水流量為系統(tǒng)聯(lián)合試運轉(zhuǎn)及調(diào)試檢測項目，并給出了允許偏差或規(guī)定值。該規(guī)范 14． 2 條系統(tǒng)節(jié)能性能檢測部分要求，空調(diào)系統(tǒng)的冷( 熱) 水總流量、冷卻水總流量、空調(diào)機組水流量應(yīng)由建設(shè)單位委托具有相應(yīng)資質(zhì)的檢測機構(gòu)檢測并出具檢測報告。
《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》( JGJ /T 177-2009) 規(guī)定，空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場檢測流量測試儀表應(yīng)采用超聲波流量計。超聲波流量計已成為空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能檢測***常用的儀器設(shè)備。
2、超聲波流量計的工作原理：
超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種流量測量儀器，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。根據(jù)對信號檢測的原理，超聲波流量計大致可分為傳播速度差法( 包括: 直接時差法、時差法、相位差法、頻差法) 、波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等。其中，頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。
圖 1 時差法超聲波流量計原理示意圖
時差法超聲波流量計原理示意圖如圖 1 所示。在圖 1 中，有兩個換能器———順流換能器和逆流換能器，兩個換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)，并相距一定距離。超聲波行走的路徑長度為 L，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為 θ。由于流體流動的原因，超聲波順流傳播 L 長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差與流體流速存在線性關(guān)系。這樣，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量。
3、超聲波流量計的影響因素分析：
常見的影響超聲波流量計現(xiàn)場檢測精度的因素可以歸納為以下幾點:
( 1) 流量計本身的計量精度;
( 2) 管道因素的影響( 直管段長度、管徑、輸入壁厚、內(nèi)襯及管道材質(zhì)等) ;
( 3) 噪聲的影響( 被測介質(zhì)是否滿管及附近是否有干擾源) 。
3． 1、 流量計本身的計量精度：
現(xiàn)場采用英國梅克羅尼生產(chǎn)的便攜式流量計Portaflow 作為液體流量主要檢測儀器，其原理是采用時差法測量。儀器借助夾鉗式傳感器，能夠測量密閉管道內(nèi)的液體流量。該儀器配有 A、B 兩種傳感器，即換能器，分別用于小管徑及大管徑管道的測試，能夠測量幾乎所有管道材質(zhì)及管徑范圍從 13mm ～ 5000mm 的管道流量。廣州市能源檢測研究院校準(zhǔn)證書校準(zhǔn)結(jié)果如表 1 所示。
表 1 超聲波流量計校準(zhǔn)結(jié)果
| A 傳感器 | B 傳感器 | ||||
| 流速 | 流量 | 示值誤差 | 流速 | 流量 | 示值誤差 |
| ( m /s) | ( m3 /h) | ( % ) | ( m /s) | ( m3 /h) | ( % ) |
| 3． 539 | 100． 0121 | + 1． 47 | 3． 539 | 100． 0121 | － 0． 14 |
| 2． 476 | 69． 97176 | + 0． 91 | 2． 476 | 69． 97176 | － 0． 89 |
| 1． 415 | 39． 9879 | + 0． 25 | 1． 415 | 39． 9879 | － 1． 62 |
| 0． 884 | 24． 98184 | + 0． 10 | 0． 884 | 24． 98184 | － 1． 64 |
| 0． 311 | 8． 78886 | + 0． 18 | 0． 311 | 8． 78886 | － 1． 68 |
備注: 檢定條件: 管徑 100mm、介質(zhì)為水、不銹鋼管、溫度 19 、濕度 80% 。
可見，常見流速范圍內(nèi)，所用便攜式流量計 Por-taflow 示值誤差均在 ± 2% 以內(nèi)，其中 A 傳感器為正偏差，且在流速為 0． 89m /s、流量為 25． 0m3 /h 時，其誤差***小; B 傳感器為負(fù)偏差，且在流速為 3． 5m /s、流量為 100． 0m3 /h 時，其誤差***小。示值誤差隨著被測管道流量的變化曲線如圖 2 所示。
圖 2 超聲波流量計示值誤差與被測管道流量的關(guān)系
可見，在管道流量 40m3 /h 以內(nèi)，A、B 兩種傳感器示值誤差變化較為平穩(wěn)。當(dāng)管道流量大于40m3 /h時，隨著被測管道流量的增加，A 傳感器示值誤差逐漸加大，而 B 傳感器逐漸減少?，F(xiàn)場空調(diào)水流量檢測時，為減少測試誤差，大流量管道應(yīng)選擇 B 傳感器，小流量管道采用 A 傳感器，且應(yīng)根據(jù)計量結(jié)果對流量測量結(jié)果進(jìn)行修正。
3． 2、管道因素的影響：
由于現(xiàn)場空調(diào)管道情況的影響，便攜式超聲波流量計的使用精度往往低于其標(biāo)稱精度，當(dāng)誤差較大時，甚至不能滿足使用要求。為了評價管道因素對便攜超聲波流量計的影響，用便攜式流量計進(jìn)行了管道影響因素的試驗分析。
( 1) 直管段( 流態(tài)) 。一般要求流量計上游、下游分別有管徑 10 倍和 5 倍以上的直管段( 稱之為標(biāo)準(zhǔn)直管段長度工況) ，以確保被測介質(zhì)的流態(tài)滿足儀表精度要求。實際檢測時，往往找不到滿足標(biāo)準(zhǔn)
| 表 2 不同直管段長度下實測流量的相對誤差( % ) | ||||||
| 上游 10 倍 | 上游 5 倍 | 上游 3 倍 | 上游 1 倍 | |||
| 管徑 | 管徑 | 管徑 | 管徑 | |||
| 下游 5 | 倍管徑 | 0． 00 | 0． 15 | 0． 48 | 8． 24 | |
| 下游 3 | 倍管徑 | 0． 08 | 0． 09 | 0． 28 | 7． 55 | |
| 下游 1 | 倍管徑 | 0． 35 | 0． 52 | 0． 98 | 5． 68 | |
表 3 不同輸入管徑誤差下的流量測量結(jié)果
| 管徑相對誤差 | DN100mm 時流量( m3 /h) | DN150mm 時流量( m3 /h) | DN200mm 時流量( m3 /h) |
| 10% | 106． 8( + 12． 1% ) | 140． 2( + 11． 3% ) | 143． 0( + 12． 0) |
| 5% | 100． 4 | 135． 5 | 137． 6 |
| 1% | 97． 2 | 129． 6 | 129． 8 |
| － 10% | 無信號 | 無信號 | 無信號 |
| － 5% | 93． 6 | 121． 6 | 120． 5 |
| － 1% | 95 | 125． 8 | 127． 3 |
| 0% | 95． 3 | 126 | 127． 7 |
注: DN100mm 對應(yīng)真實外徑及壁厚為 108 × 4mm，DN150mm 對應(yīng)真實外徑及壁厚為 159 × 4． 5mm，DN200mm 對應(yīng)真實外徑及壁厚為 219 ×
| 6mm; 試驗條件下流體溫度為 20 ; 括號內(nèi)數(shù)字為測量相對誤差。 | ||||||||
| 表 4 | 不同管壁厚度誤差下的流量測量結(jié)果 | |||||||
| 輸入外徑及壁厚 | 管徑 DN108，壁厚 | 輸入外徑及壁厚 | 管徑 DN159，壁厚 | 輸入外徑及壁厚 | 管徑 DN219，壁 | |||
| ( mm) | 4mm 時流量( m3 /h) | ( mm) | 4． 5mm 時流量( m3 /h) | ( mm) | 厚 6mm 時流量( m3 /h) | |||
| 108 × 2 | 97． 0( | + 1． 5% ) | 159 × 3 | 129． 5( + 2． 8% ) | 219 × 3 | 131． 8( + 3． 7% ) | ||
| 108 × 3 | 96． 2( + 0． 63% ) | 159 × 4 | 128． 2( + 1． 7% ) | 219 × 4． 5 | 131． 2( + 3． 9% ) | |||
| 108 × 5 | 94． 7( － 0． 94% ) | 159 × 5 | 126． 5( + 0． 4% ) | 159 × 7． 5 | 125． 7( － 0． 48% ) | |||
| 108 × 6 | 94． 3( | － 1． 4% ) | 159 × 6 | 124． 8( － 0． 95% ) | 219 × 9 | 124． 2( － 1． 7% ) | ||
| 108 × 4 | 95． 6( | ± 0． 0% ) | 159 × 4． 5 | 126． 0( ± 0． 0% ) | 219 × 6 | 126． 3( ± 0． 0% ) | ||
| 注: 試驗條件下流體溫度為 20 ，括號內(nèi)數(shù)字為流量測量相對誤差。 | |||
| 表 5 | 不同流體溫度下流量測量結(jié)果 | ||
| 溫 度 | 管徑 DN100，壁厚 4mm 時流量 | 管徑 DN150，壁厚 4． 5mm 時流量 | 管徑 DN200，壁厚 6mm 時流量 |
| ( m3 /h) | ( m3 /h) | ( m3 /h) | |
| 15 | 95． 3 | 127． 5 | 127． 3 |
| 17 | 95． 4 | 127． 6 | 127． 4 |
| 23 | 96． 5 | 127． 5 | 127． 6 |
| 25 | 97． 6 | 128 | 128． 6 |
| 20 | 96 | 127． 2 | 127． 4 |
從表 5 可以看出，流體溫度誤差對流量測量結(jié)果的影響較小，現(xiàn)場節(jié)能檢測時可以忽略不計。流體溫度主要通過影響流體密度，進(jìn)而影響流量計算結(jié)果。查詢相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可知，流體溫度對流體密度的影響相對較為微小。
( 3) 內(nèi)襯及管道材質(zhì)的影響。被測管道材質(zhì)及內(nèi)襯輸入錯誤時，造成傳感器安裝距離 L 的計算錯誤，使超聲波流量計的入射角 θ 產(chǎn)生誤差，影響測量結(jié)果，嚴(yán)重時影響測量信號，使超聲波流量計無法正常工作。試驗表明，管道內(nèi)襯對測量的影響主要源于其造成了實際管徑的變化。內(nèi)襯減少了過水截面積，通過流速換算的流量相應(yīng)偏小。測量誤差與管道截面積的變化成正比，如果內(nèi)襯過厚、設(shè)置時被忽略或內(nèi)襯與管壁有間隙時，一般會發(fā)生探測或信號錯誤。因此，測量時應(yīng)據(jù)實準(zhǔn)確輸入內(nèi)襯的材料及厚度。如果遇到管道內(nèi)壁結(jié)垢相對均勻、信
號基本正常時，也可將管道內(nèi)壁結(jié)垢視為內(nèi)襯，進(jìn)行一定的補償，可以減少測量誤差。目前，節(jié)能檢測的對象一般是新建建筑，幾乎不存在管道內(nèi)壁積垢的問題。管道及內(nèi)襯材質(zhì)對測量的影響反映在超聲波在各種介質(zhì)中傳播速度的差異上，如果材質(zhì)的實際聲速小于設(shè)置的聲速( 如錯把塑料管當(dāng)鍍鋅鋼管) ，則測量結(jié)果偏大，反之則偏小。
3． 3 、噪聲的影響：
如果流體中存在超聲噪聲，且噪聲的頻率與超聲波流量計的工作頻率范圍一致，那么將使得換能器無法檢測并分辨出正常的工作超聲脈沖信號，導(dǎo)致流量計發(fā)生讀數(shù)錯誤或停止計量?，F(xiàn)場檢測時，產(chǎn)生超聲噪聲的噪聲源有很多，***常見的是管道非滿管及流體介質(zhì)污濁。一般來說，現(xiàn)場檢測噪聲的產(chǎn)生源主要有: ( 1) 流過管道的高速氣流 ( 非滿管流) ; ( 2) 附件的干擾源( 壓力或流量調(diào)節(jié)閥、水泵風(fēng)機運行等) 。
超聲波流量計對降壓元件產(chǎn)生的噪聲尤其敏感，甚至有些低噪聲閥門比調(diào)壓閥對超聲波流量計產(chǎn)生的影響還要大，這是因為，采用了低噪聲技術(shù)的閥門主要是針對人耳可聽見的噪聲范圍進(jìn)行降噪，而這個范圍與影響超聲波信噪比的聲譜范圍不完全一致。國外氣體流量實驗室開展的不同類型的“噪聲發(fā)生器”( 如整流器、調(diào)壓閥等) 對超聲波流量計性能影響的定量測量實驗研究結(jié)果表明，噪聲 ( 如整流器產(chǎn)生的噪聲) 對某些類型的超聲波流量計準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性存在一定的影響，其帶來的計量誤差可達(dá) 2% 。一般來說，為降低噪聲干擾，宜把流量計安裝在調(diào)節(jié)閥等噪聲元件的上游。
超聲波流量計產(chǎn)品分類：
產(chǎn)品價格：
| 價格 |
¥ 300.00~310000.00元
|
| 起批量 | ≥1 套 |
4、小結(jié)：
資料：