超声波热量表技术研究报告.doc
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1、技术研究报告一、研发背景据统计,全国目前仅供热采暖全年约为1.3亿吨标煤,在当今资源越来越紧张的年代,作为建筑能源消耗的重要组成部分,采暖节能形势严峻。由于供热水质、热量表技术和价格等原因,目前我国供暖地区大多采用按面积收费,这样不尽合理,也造成极大的能源浪费。为降低建筑采暖能耗,促进供热节能,国家采取了一系列的措施,并积极采取以用热计费替代以建筑面积计费的供热体制改革。我国早期使用的的机械热量表容易磨损,其使用寿命低;超声波测量技术提供了一种无阻碍式的流量测量方法,作为机械式热量表的替代品,是一种没有活动部件,且低能量消耗及高精度的流量测量方法。将超声波流量测量与温度测量相结合,可设计出超声
2、波热量表。小口径超声波热量表相比传统的机械式热量表克服了易损坏、精度低等缺点,因此超声波热表将是今后热量表的发展趋势。超声波的测量技术有很多,在分析对比对射式、反射式的优劣后,我司研制出中轴反射式超声波热量表,并应用德国ACAM公司设计的TDC-GP2时间转换芯片,从而开发出低功耗、高精度的超声波热量表。二、技术原理及方案论证1 、技术原理1)、热量表组成超声波热量表由三部分构成:超声波流量传感器、计算器(即积分仪)、配对温度传感器,如下图示意。超声波热量表流量传感器配对温度传感器计算器2)超声波流量测量原理当超声波在流动的水中传播时,相对于固定的管道管壁而言,声波的传播速度与在静止状态中水的
3、传播速度是不同的,其变化值与媒质流速相关。通过测量水中声波传播速度的变化,可以测出水的流速,进而乘以管道截面获得被计量水的流量。超声波测量水的方法有时差法、相差法、频差法、速差法、声束位移法、多普勒法等,我司热量表采用时差法进行流量测量,基本原理如下图所示: 图1运用超声波测量原理,一对超声波传感器直接安装在流量传感器通道的两端,管道内反射镜面通过支架成45角固定在管道中轴线上,将配对温度传感器分别安装在热交换同路的进水和回水的管道上,流量传感器采集出流量信号,配对温度传感器给出进水、回水的温度差信号,计算器采集流量信号和温度信号,经过计算显示出载热液体从入口至出口所释放的热量值。管段的内直径
4、为D,超声波行走的路径长度为L(L=L1+L2+L3),超声波顺流速度为t1,逆流速度为t2。由于流体流动的原因,在介质水中,超声波传播速度不同,超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短。依据声波的这个特性,利用流量传感器进水侧换能器和回水侧换能器可以测得超声波时间差,同时测得瞬时流速(m/s),V= L/2*( ( t2-t1)( t1 *t2 ) ) (2-1)再根据管段的截面积和时间得出瞬时流量(m3/h)Q=*D*D/4*V*3600 (2-2)注:此处V和V稍有差异,在后文有说明。3)、流量测量设计中所碰到的问题及解决方法3.1声延时3.1.1声延时的影响我司在超声
5、波热量表实际应用时发现,由于实际测量得到的顺流时间t1和逆流时间t2,包含了电路、电缆、以及换能器和声楔等产生的声延时a1、a2,因此必须扣除其影响,则瞬时流速(m/s)公式2-1可改写为:V= L/2*( (t2-a2)-(t1-a1) )( (t1-a1)*(t2-a2) ) (3-1)液体流量测量最关键的是时间的测量,在已知管道直径D、声程L的情况下,只要准确测出顺流和逆流的传播时间t1、t2以及声延时a1、a2,就能准确求得管道内的液体流速V以及瞬时流量Q。3.1.2如何测量声延时a1、a2(1)在已知声程L和温度T的情况下,通过查表得到T所对应的超声波在管道内液体静止时的液体声速C,
6、则对应的超声波在声程L中传播的时间tL=L/C,然后用实际测量得到的顺流时间t1和逆流时间t2减去超声波在声程L中传播的时间tL,便可得到声延时a1、a2,计算相关公式如下:tL=L/C(3-2)a1= t1-tL (3-3)a2= t2-tL (3-4)(2)通过测量超声波发射脉冲的一次回波和二次反射回波的时间(声时),得到声延时a1、a2。假设在顺流中测得的一次回波的时间为t1,二次反射回波的时间为t1,对应的超声波在声程L中传播的时间tL,则:t1=tL+a1 (3-5)t1=3*tL+a1 (3-6)由公式3-5可得:3*t1=3*tL+3*a1 (3-7)由公式3-7与公式3-6相减
7、可得:a1=( 3*t1- t1)/2 (3-8)注:在逆水声延时a2的求得如上类似。说明:在实际测量中,因为时间差的单位为ns级,而t1、t2的时间单位为ms级,公式2-1中的(t2t1)(t1*t2),设计中在流速较小的情况下不考虑声延时,但在流速较大的情况下加以考虑。还有管径较小的情况下也加以考虑,因为管径小随之声程也会小,因此t1、t2的时间也会相对大管径的时间要小。因此我司在热量表生产过程中,采用第一种算法,设置口径和流量标定时,在软件算法里,对相对应的口径和流速进行延时补偿。3.2液体流场的不均匀分布3.2.1流量的修正原理 从上面的公式推导可以看出,推导的前提条件是管道中的液体流
8、场要均匀分布,在管道截面上的每一点的流速都一样的,而这只是一种理想状况。我司在实际应用中发现,流场无论如何不能达到均匀分布,流场的速度分布不仅与流速、管道的粗细、管道的形状、管道表面的粗糙度、流量计的安装位置、流量计安装附近有无弯管等条件有关(有生产工艺和现场安装位置决定),甚至还和管道中液体的密度、液体的运动粘度等条件有关。因此,实际应用中,流场的完全均匀分布几乎是不可能的。超声波流量计测得的液体流速实际上是沿超声传播路径上的线平均速度V,要测得液体的流量,希望得到的却是沿管道截面的面平均流速V。因此,用上述超声方法测得的液体线平均流速应该加以修正。则:V=K*V (3-9)根据公式2-2和
9、公式3-9可得实际瞬时流量(m3/h):Q=K*D*D/4*V*3600 (3-10)液体流速在管道中的实际流场可分为层流、过度流和紊流,而这三种流场的状态是由雷诺数Re决定的,雷诺等人实验表明:液体流场状态不仅和平均流速V有关,还和管径D、液体的动力粘滞系数u和液体的密度p有关。以上4个参数可组合成一个无因次数,叫雷诺数,用Re表示。Re=V*D*p/u(3-11)在式中液体的动力粘滞系数u和液体的密度p还与管道中液体的压力和液体的温度有关,在已知管道中液体的压力和液体的温度,便可通过查表获得液体的动力粘滞系数u和液体的密度p,因此修正系数K的大小也必须由雷诺数Re决定。3.2.2真实流量的
10、修正上面提到修正系数K的大小是由雷诺数Re决定的,但是雷诺数Re的值是由平均流速V,还和管径D、液体的动力粘滞系数u和液体的密度p决定的,而且不同的管道结构、不同管径d处在不同的流场状态(层流、过度流和紊流)所对应的雷诺数Re是不一样的。真实的流量修正首先必须测量出液体的管道中的温度(在压力一定的情况下),根据温度查表获得液体的动力粘滞系数u和液体的密度p。然后根据实际的管道结构和管径判断出流场状态(层流、过度流和紊流)所对应的雷诺数Re,最后根据Re的值计算修正系数K的值。(因公式3-11中的V是平均流速,而实际测量的流速是超声传播路径上的线流速,但是线流速也可以参与计算,只是雷诺数Re的值
11、对应的流场状态有所改变。不影响真实的流量修正)我司经过大量的实验,把不同管径的流场状态(层流、过度流和紊流)所对应雷诺数Re的值找出来,并制成表格。在设计软件时,可以通过仪表设置管径,根据不同的管径查找该管径流场状态所对应的雷诺数Re,然后再根据Re计算该管径的修正系数K。使超声波热量表在实际测量时平均流速V无限接近真实值。3.3超声波传感器安装位置的准确性3.3.1传感器安装位置准确性的原因由于超声波流量计是通过测量沿超声传播路径上的线平均速度,来获取的流量。假设两个超声波传感器的安装位置不在一条直线上,则测量时将会产生很大的误差。因此必须对两个超声波传感器的安装位置的准确性作出判断。3.3
12、.2传感器安装位置准确性的判断方法由于仪表可以准确的测量出真实顺流和逆流的传播时间t1、t2,则超声波在管道内静止时的液体传播时间t静为:t静=(t1+t2)/2(3-12)已知两换能器之间的传播声程为L,如果知道液体的温度,可通过查表获得超声波在静止液体中声速C,一般情况下,超声波测量液体流量时,不对温度进行检测,对于常温水一般取20来对应超声波在静止液体中的声速,即1482.3m/s。则:t静=L/C (3-13)将公式3-12除以3-13,可得一个百分比数据:(t1+t2)/2 /L/C (3-14)我司设计工艺上规定,只有传输时间比在97%103%范围内才认为认为传感器安装位置正确,否
13、则为不合格品,必须重新安装传感器或者重新生产铜管。4)、热量计量原理 将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上,流量计发出与流量成正比的脉冲信号,一对温度传感器给出表示温差的模拟信号,热量表采集来自三路传感器的信号,利用积算公式算出热交换系统获得的热量。热量表系统原理图如图2所示。图2热量表热量计量系统原理图热量的计算公式为:(1)式中:Q 释放(或吸收)的热量值,单位:J;qm 流经热量表中水的质量流量,单位:kg/h;qv 流经热量表中水的体积流量,单位:L/h; 流经热量表的水的密度,单位:kg/m3;h 热交换系统中入口温度与出口温度下对应的水的比焓值差,单位:kJ/k
14、g;t 时间,单位:h。说明 温度及密度为非整数时,进行了插值修正; 基于功耗考虑,在正常运行模式下,计算器每4秒测量一次当前的流量、入口和出口的水温,并作为后继4秒时间内的热量功率。5)举例热量计算过程热量表开始时显示数据:时间当前累积热量值2012年1月1日13时40分00秒100KJ并且此时计算器测量水温、流速:时间当前入口温度当前出口温度当前流速2012年1月1日13时40分00秒50441m3/h计算器查内部标准可知:50度水的密度: 988.25 Kg/m3; 焓值:209.85;KJ/Kg;44度水的焓值:184.77 KJ/Kg ; 55度水至44度水的焓值差为:209.851
15、84.7725.08 KJ/Kg则从2012年1月1日13时40分04秒到2012年1月1日13时40分08秒之间的每小时热量值为:988.25125.0824785.31KJ;热量表4秒后的累积热量值显示为为:100+24785.31KJ/36004=127.53KJ即:时间当前累积热量值2012年1月1日13时40分04秒127.53 KJ根据客户需求不同,也可以采用KWh单位显示。2、方案论证我司的热量表发展历程中,实际上是一个寻找“防堵塞”“精度高”“寿命长”产品的过程。从机械表到超声波表;从对射式超声波表到中轴反射式超声波表,一次次的产品更新换代,都是在围绕解决“防堵塞”,提高热量表
16、使用精度,延长热量表使用寿命做工作的。1)、我司在早期生产了一小批机械单流束表,并取得了CMC证书。机械单流束表,如下图示。这款产品最大的优点:一是成本低,消费者容易接受。二是不惧怕浑水及颗粒杂质的堵塞。缺点:一是叶轮轴发生偏转性磨损,导致应用寿命较短;二是叶轮易挂、卡、缠绕“线状”污物,使的应用寿命没有保障。机械单流束表示意图 我司在实验室里模拟实际环境,做了长时间的老化测试:在70度水温环境下,在循环水中加入一些无机酸、碱,24小时一直最大流量循环跑水,试验发现,叶轮轴在100天因为腐蚀和磨损,造成测量精度平均下降0.5,150天平均下降0.82,(试验热量表为DN20,数量8台),因此我
17、司取消了机械表的后续生产。2)、我司当时同步进行了“对射”方式超声波热量表的试制,如下图所示:这款产品的优点是:在信号传播过程中没有“折射”性损失,传播质量较好;但存在着不可解决的问题。 由于进水端换能器与被测介质在入口介质流动方向上形成一个夹角,这个“夹角”对转换器而言是一个污物沉积区。当流经腔体的循环介质含有泥、砂、絮装物、悬浮物等浑浊污物时,这些物体不能被“流体”全部冲刷带走,污物被沉积在这个夹角沉积区内。当时为了验证污物沉积区到底对产品的测量存在多大影响,我司做了专门的试验,在50度的循环水中, 100Kg水放置3Kg一些泥土和微小颗粒的砂(按比例),使用小流量进行24小时循环测试,试
18、验结果发现,仅仅30天,在夹角处就有了污物沉积区,测量信号衰减约30,平均精度下降0.6。(试验热量表为DN25,数量6台)。因此换能器部分必须经常拆卸清洗,而且清洗后必须重新标定,不便于大规模的运用,因而公司当时放弃“对射”方式超声波热量表的后续生产。3)、我司通过试验证明 “对射”方式的产品存在着不可解决的缺点后,马上转向了对“反射”方式产品的研发、生产、销售及试点等工作。在结构上,“反射”方式的产品,可分为“管壁式”反射和“中轴线”式反射两种。 管壁式反射如图所示:特征:换能器发射后的信号,通常是以管段内壁自身反射镜、并且只有一个反射点,在经过一次反射(折射)后,信号被另一只换能器所接受
19、,从而完成一个信号的传播过程。优点是:由于管径内没有反射镜专用支架存在,管道空间畅通无阻,所以压损较小、防堵塞性能较好。这是该款产品的最大亮点或卖点。但是存在如下的问题:根据流体学原理可知,流体在管道内的流速,随截面分布的不同,其流速大小亦不同。其中,中轴线上流速最快,越靠近管壁流速越慢,管壁处的流速是零,所以管壁上很容易结垢、结晶。这样,日积月累,导致有效信号逐渐衰减。所以,依靠管壁本身做信号反射镜的产品,使用寿命较短。由于V型自身结构决定,在换能器底平面 与内壁管径沿线之间存在着一个凹形窝如图所示:由于这个“凹形窝”存在,将给V型反射方式带来致命的弊端:正常安装时,“凹形窝”会聚集很多的气
20、泡、悬浮物,从而影响信号传播质量;如倾斜安装,“凹形窝”将成为污物沉积区,污物沉积在“凹形窝”时很难被介质流体冲走,导致计量精度逐渐下降,使用寿命较短。当时为了验证以上两种现象,我司做了专门的试验,在50度的循环水中, 100Kg水放置3Kg一些泥土和微小颗粒的砂(比例)和一些悬浮颗粒,热量表水平安装,使用小流量进行24小时循环测试,试验结果发现, 50天后,在管壁底处就有了污物沉积区,测量信号平均衰减25左右,平均精度下降0.4。(试验热量表为DN25,数量12台),将流量台两头封住,水流截止,打开换能器,发现在“凹形窝”处有一些悬浮颗粒。在50度的循环水中, 100Kg水放置3Kg一些泥土
21、和微小颗粒的砂(比例)和一些悬浮颗粒,热量表倾斜30度安装,使用小流量进行24小时循环测试,试验结果发现, 50天后,在下“凹形窝”处就有了污物沉积区,测量信号平均衰减20左右,平均精度下降0.3。(试验热量表为DN25,数量12台)。因而公司当时放弃“管壁”方式超声波热量表的后续生产。4)为解决耐磨、污物沉积、气泡等问题,提高热量表使用寿命我司研究出了中轴反射式热量表。中轴线反射如图所示:特征:反射镜面与流体流动方向呈45角,并通过专用支架被固定在流速最快的管道中轴线上。由于无机械结构,耐磨;测试通道在水流中间,而且冲击倾斜反射面,沉积物相对影响减小很多;而且换能器测试界面与管道平行,不会存
22、在气泡和悬浮物累积,所以信号衰减很小。所以,安装要求就可以降低,从而提高产品使用的适应性。三、技术特点与创新点 1、技术特点: 1)、进行流量全量程的流量补偿:每种口径的热量表进行流量全量程的流量补偿,确保热量表在等温度下的准确度。根据我们公司多年热量表研发经验:热量表的流量准确度受到基表的影响很大,而且流场曲线并不是线性变化。在进行流量测量、计算时我们采用分段线性拟合,并针对我们的基表和换能器部分的参数进行严格的配对,引入热量表全量程的流量补偿,补偿点多达50个,并且在小流到分界流量点之间更是有25个点补偿点之多。虽然校表过程中,我们以5个标准流量点作为校表基准,但由于程序内部已包含各补偿点
23、的对应关系,最终实现了不管是在过载流量点、分界流量点、最小流量点,还是在流量点之间的其他值都满足国家规范中对准确度的要求。2)、进行温度补偿:在热量表检测过程中,影响最大的因素就是温度。水温会产生超声波声速的变化,会使热量表差生膨胀进而影响截面积、声程等,也会使流过的同样体积的水带有不同的热能,为补偿这些变化,在设计中增加了温度补偿。由于本产品实际每5约产生计量偏差1%,因而本产品按5间隔设定温度补偿点,中间的温度差值计算。同时由超声波在74左右为声速拐点,因而在70-80之间以每2设一温度补偿点。当热量表在温度(495)范围内进行温度了补偿,确保了热量表在不同水温下的计量准确度。3)、超低功
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