技术文章

1.超声波流量计工作原理

    封闭管道用USF按测量原理分类有：时间传播法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法。其中时间传播法又可分为时差法、相位差法、频差法。目前应用于空调水系统中的USF的测量原理主要有时差法和多普勒效应法。

    1.1 时差式USF测量原理

    超声波在液体中传播，由于流体流速不同会使超声波传播速度发生变化。如图1所示，取超声波在静止流体中声速为c，流体流速为v，上下游传感器的安装距离为L。当超声波传播方向与流体方向一致时，超声波传播速度为（c+v），当超声波传播方向与流体方向相反时，超声波传播速度为（c－v）；则顺流方向传播时间tl=L/（c+v），逆流方向传播时间t₂=L/（c－v），则有：

    c、L为常数，测得时间差△t即可求出流体流速v，进而求得流体流量。

    1.2 多普勒USF测量原理

    多普勒USF是以利用多普勒效应原理来测量流体流量。如图2所示，传感器1发射频率为f₁的超声波信号，经过管道内液体中悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f₂的频率反射到传感器2，这就是多普勒效应，f₂与f₁之差即为多普勒频差f_d。

    取流体流速为v，超声波声速为c，多普勒频移f_d正比于流体流速v，即：

    当管道条件、传感器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、θ即为常数，流体流速和多普勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。

    1.3 两者使用主要区别

    1.3.1 被测流体水质要求不同。时差式USF适用于比较洁净的流体测量，多普勒USF主要用于测量含有适量能给出强反射信号的颗粒或气泡的液体。时差式USF可以测量悬浮颗粒较少的液体，多普勒USF要比时差式USF适用悬浮颗料含量上限高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。

    1.3.2 测量精度不同。时差式USF测量精度比多普勒USF高，时差式USF测量精度可以达到±（0.5～1）%，重复性*.1%～0.3%；多普勒USF测量精度一般为±（1～2）%，重复性*.5%～1%。

    2 测量点选择原则

    为保证空调水流量测量精度，选择测量点时要求选择流体流场均匀的部分，一般应遵循下列原则：

    2.1 被测管道内流体必须是满管。

    2.2 选择被测管道的材质应均匀质密，易于超声波传播，如垂直管段（流体由下向上）或水平管段（整个管路中zui低处为好）。

    2.3 安装距离应选择上游大于10倍直管径，下游大于5倍直管径（注：不同仪器要求的距离会有所不同，具体距离以使用的仪器说明书为准）以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段，测量点应充分远离阀门、泵、高压电、变频器等干扰源。

    2.4 充分考虑管内结垢状况，尽量选择无结垢的管段进行测量。

    3 夹装式流量传感器安装要点

    3.1 流量传感器安装方式的确定

    3.1.1 时差式USF传感器安装方式有三种，分别是V法、Z法和W法，如图3所示。

    测量时采用何种安装方式，仪器说明书均有规定，但在边界范围一般比较模糊。如TFX1020P时差式超声波流量计：V型安装法适用测量管径25～400㎜，Z型安装法适用测量管径100～2540㎜，W型安装法适用测量管径65㎜以下小管。V型与Z型、V型与W型在适用测量管径均有部分重叠，如遇此情况则按下列原则选择*安装方式：V型安装一般情况下是标准安装方式，使用方便，测量准确。当被测管道很粗或由于被测流体浊度高、管道内壁有衬里或结垢太厚，造成V型安装信号弱，仪表不能正常工作时，选用Z型安装。原因是使用Z型安装时，超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。W型安装适于小管，通过延长超声波传输距离的办法来提高小管测量精度，如图3（c），使用W型安装时，超声波束在管内折射三次，穿过流体四次。

    3.1.2 多普勒USF流量传感器安装方式有两种，分别是对称安装和同侧安装，如图4所示。对称安装适用于中小管径（通常小于600㎜）管道和含悬浮颗粒或气泡较少的液体；同侧安装适用于各种管径的管道和含悬浮颗粒或气泡较多的液体。

    3.2 传感器安装要求

    3.2.1.剥净测量点处附近保温层和保护层，使用角磨砂轮机、锉、砂纸等工具将管道打磨至光亮平滑无蚀坑。要求：漆锈层磨净，凸出物修平，避免局部凹陷，光泽均匀，手感光滑圆润。需要特别注意，打磨点要求与原管道有同样的弧度，切忌将安装点打磨成平面，用酒精或汽油等将此范围擦净，以利于传感器粘接。

    3.2.2 在水平管段上，两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45°的范围内安装，以防止管内上部流体不满、有气泡或下部有沉淀等现象影响正常测量，如图5所示。

    3.2.3 传感器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图6所示。

    3.2.4 传感器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。

    4 测量操作步骤

    4.1 了解现场情况，确定空调水流量测点位置。测量前应了解现场情况包括：管道材质、管壁厚度及管径；流体类型、是否含有杂质、气泡以及是否满管；安装现场是否有干扰源（如变频、强磁场等）。根据现场了解的情况，结合上述“测量点选择原则”确定水流量测点*位置。

    4.2 用绳子和尺测量测点处管道外径，用超声波测厚仪测量管道壁厚。

    4.3 确定传感器安装方式。

    4.4 求安装距离，确定传感器位置。将管道参数输入USF，选择传感器安装方式，得出安装距离。如V法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点；Z法安装：先确定一个点，按安装距离在水平位置量出另一个点，然后测出此点在管道另一侧的对称点。

    4.5 测量点处管道表面处理。

    4.6 传感器与仪表接线。

    4.7 微调传感器位置。观察流量计仪表的信号强度、信号质量度、信号传输时间差与传输时间比等参数值，如发现不好，则细微调整探头位置，直到这些参数值达到仪器说明书规定的范围之内。如无法调整，则需要改换合适安装方式。传感器位置调整好以后，用所配卡具将传感器固定好。

    4.8 再次确认USF的信号强度、信号质量度、信号传输时间差与传输时间比等参数值符合规定要求，即可从USF读取实际流量值。

    5 保证测量结果准确性的技术措施

    5.1 根据所测试流体的洁净程度来判断使用何种类型的USF：一般的空调冷冻和冷却水系统可采用多普勒USF测量；若所测试的空调水系统刚冲洗干净或有很好的水处理工艺，水系统洁净程度很高，则采用时差式USF测量为好。

    5.2 正确选择测量点位置及传感器安装方式以保证USF正常稳定工作。尽量选择在远离阀门、三通等局部阻力构件的直管段测试，测点的距离应满足仪器使用说明书中注明的要求，减小误差。

    5.3 由于USF通常都利用电磁仪表显示测试结果，强电磁场会对它的性能产生一定的影响。因此在使用过程中应该尽量使USF避开有变频设备、变压设备等场所，以免影响测试工作。

    5.4 确保所测量的水管内是满管流动，USF实际测得的是流体的速度，流量是根据输入的管径计算出流动断面的面积，然后乘以流速得到的，只有满管流动才能保证测试数据是准确的。

    5.5 重视测试前的准备工作，如保温层的剥离、管道表面的除锈、除漆等，这样才能确保测试数据的准确。安装传感器过程中，千万注意在传感器和管壁之间不能有空气泡及沙砾。

    5.6 正确管道参数输入是保证测量结果准确的关键。USF仪器本身的精度是在正确的管道参数下得到的，但要求操作者能在测量时输入正确的管道参数，才能得到正确的流量值。管径误差、管壁测厚误差对USF测量准确度的影响很大，但可通过现场实测来控制。

    5.7 对于长期停流的空调水管道，正式测量前应以大流量冲刷沉积管壁的锈垢等沉淀物。

    5.8 USF作为精密仪器，长期使用会使测量产生一定误差，应定期送法定计量单位校准，提供修正系数来减少测量值误差。

    5.9 不同型号USF的流量传感器在发射频率等技术性能不同，测量时不能混用。