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1.超聲波流量計工作原理

    封閉管道用USF按測量原理分類有：時間傳播法、多普勒效應法、波束偏移法、相關法、噪聲法。其中時間傳播法又可分為時差法、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差法和多普勒效應法。

    1.1 時差式USF測量原理

    超聲波在液體中傳播，由于流體流速不同會使超聲波傳播速度發生變化。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。當超聲波傳播方向與流體方向一致時，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，超聲波傳播速度為（c－v）；則順流方向傳播時間tl=L/（c+v），逆流方向傳播時間t₂=L/（c－v），則有：

    c、L為常數，測得時間差△t即可求出流體流速v，進而求得流體流量。

    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測量流體流量。如圖2所示，傳感器1發射頻率為f₁的超聲波信號，經過管道內液體中懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，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，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。

    1.3 兩者使用主要區別

    1.3.1 被測流體水質要求不同。時差式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粒或氣泡的液體。時差式USF可以測量懸浮顆粒較少的液體，多普勒USF要比時差式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。時差式USF測量精度比多普勒USF高，時差式USF測量精度可以達到±（0.5～1）%，重復性*.1%～0.3%；多普勒USF測量精度一般為±（1～2）%，重復性*.5%～1%。

    2 測量點選擇原則

    為保證空調水流量測量精度，選擇測量點時要求選擇流體流場均勻的部分，一般應遵循下列原則：

    2.1 被測管道內流體必須是滿管。

    2.2 選擇被測管道的材質應均勻質密，易于超聲波傳播，如垂直管段（流體由下向上）或水平管段（整個管路中zui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有所不同，具體距離以使用的儀器說明書為準）以內無任何閥門、彎頭、變徑等均勻的直管段，測量點應充分遠離閥門、泵、高壓電、變頻器等干擾源。

    2.4 充分考慮管內結垢狀況，盡量選擇無結垢的管段進行測量。

    3 夾裝式流量傳感器安裝要點

    3.1 流量傳感器安裝方式的確定

    3.1.1 時差式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。

    測量時采用何種安裝方式，儀器說明書均有規定，但在邊界范圍一般比較模糊。如TFX1020P時差式超聲波流量計：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*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，選用Z型安裝。原因是使用Z型安裝時，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號衰耗小。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，超聲波束在管內折射三次，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；同側安裝適用于各種管徑的管道和含懸浮顆粒或氣泡較多的液體。

    3.2 傳感器安裝要求

    3.2.1.剝凈測量點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，打磨點要求與原管道有同樣的弧度，切忌將安裝點打磨成平面，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°的范圍內安裝，以防止管內上部流體不滿、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 了解現場情況，確定空調水流量測點位置。測量前應了解現場情況包括：管道材質、管壁厚度及管徑；流體類型、是否含有雜質、氣泡以及是否滿管；安裝現場是否有干擾源（如變頻、強磁場等）。根據現場了解的情況，結合上述“測量點選擇原則”確定水流量測點*位置。

    4.2 用繩子和尺測量測點處管道外徑，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：先確定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點；Z法安裝：先確定一個點，按安裝距離在水平位置量出另一個點，然后測出此點在管道另一側的對稱點。

    4.5 測量點處管道表面處理。

    4.6 傳感器與儀表接線。

    4.7 微調傳感器位置。觀察流量計儀表的信號強度、信號質量度、信號傳輸時間差與傳輸時間比等參數值，如發現不好，則細微調整探頭位置，直到這些參數值達到儀器說明書規定的范圍之內。如無法調整，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、信號質量度、信號傳輸時間差與傳輸時間比等參數值符合規定要求，即可從USF讀取實際流量值。

    5 保證測量結果準確性的技術措施

    5.1 根據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，則采用時差式USF測量為好。

    5.2 正確選擇測量點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、三通等局部阻力構件的直管段測試，測點的距離應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果，強電磁場會對它的性能產生一定的影響。因此在使用過程中應該盡量使USF避開有變頻設備、變壓設備等場所，以免影響測試工作。

    5.4 確保所測量的水管內是滿管流動，USF實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斷面的面積，然后乘以流速得到的，只有滿管流動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 正確管道參數輸入是保證測量結果準確的關鍵。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，但可通過現場實測來控制。

    5.7 對于長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，長期使用會使測量產生一定誤差，應定期送法定計量單位校準，提供修正系數來減少測量值誤差。

    5.9 不同型號USF的流量傳感器在發射頻率等技術性能不同，測量時不能混用。