机械式、超声波、电磁式热量表在水暖系统中的应用分析

热计量最初在欧洲工业企业中用于计算生产过程的热量消耗，随着供暖市场的扩张该方法逐步被用于民用，由于初期的高价格，热量表没有采用分户安装的方式，每幢建筑物只设总表。随着应用规模的扩大及类型的多样化，热量表结构出现了变化，以配置的流量计型式划分，水暖系统使用的有机械式、超声波式、电磁式三种热量表。

机械式最早被用于供暖系统，利用转动部件实现流量计量，以镍或铜套温度计为测温元件。该类型热量表内部水流速度场分布与流量波动相关，根据该特点建立理论模型，可用于分析速度剖面、水流粘度及涡流的影响。数值模拟方法的应用促进了机械式热量表的研宄，借助模拟结果可以分析不同转速下水流流动参数变化的影响。高温水对机械式热量表的工作有较大影响，180°Ｃ水温条件下以LDV装置测速，测试数据的相对不确定度仅为0.2％，试验结果对高水温条件下该种类热量表的应用具有重要参考价值。水流对旋转机械部件的作用、杂质引起的流道阻塞等都会影响机械式热量表的工作，使计量精度降低，转动部件的易磨损、对水质的较高要求、水流物性参数以及流动状态变化的影响限制了其使用。

电磁式热量表利用电动势信号实现流量测量，根据流速、水流电导率对测量结果的影响，以电极位置、液位与流量的关系处理电极信号，可以増加量程。karamifard M.等建立了二维数学模型，以有限差分法求解电极间的感应电势，并且利用MATLAB软件进行仿真，以提高计量精度。磁场强度会影响该类型热量表的灵敏度，有限元法的分析结果表明Halbach磁体结构的应用有效提高了磁场强度和灵敏度。电磁式热量表结构、生产工艺复杂，制造、运行成本高，使用条件严苛，阻碍了其应用和推广。

超声波可在多种流体内传播的特点使其得到了广泛应用。十九世纪末超声波首先被用于试验过程，其在液体内产生的声场强度取决于声波的振荡和液体性质。混响时间（超声波停止发射后声场内某一点超 声波延续的时间）是超声波在液体中入射、接收过程的重要指标，Mulders C.E.的研究结果表明混响时间与液体对超声波的吸收状况密切相关，超声波的传播速度和衰减系数会影响测试结果，声波理论的研究及应用促进了超声波热量表的研发。超声波流量计（基表）、温度传感器、积算器（主机）是超声波热量表的主要部件，利用水中传播时超声波具有的良好方向性、穿透性，热量表以换能器完成超声波信号的发射、接收，通过分析信号结果获得流速，测速过程无测试部件进入流场、无流场干扰，不同于早期的“侵入式”测量，上述特点有利于计量精度的提高，为其大范围应用奠定了基础，以测速方法的差别对该型式热量表分类，如图1-1。

供暖系统中以传播速度法实现流速测量占有较大比重，该方法又可分为三种，即“时差法”、“频差法”、“相差法”。“时差法”、 “频差法”均需利用声波速度进行计算，声波传播速度与水温有关， 水温有变化时需修正。“相差法”不受水温影响但对波形有较高要求，现场使用易受干扰，限制了其应用。“频差法”有多个声波脉冲循环存在时相互间会发生干扰，影响频率差值的测量，该方法对超声波换能器的布置数量有一定要求。“时差法”的流速计算利用声波在水中逆流、顺流传播的时间差实现，对管径和水质有较好适应性，得到了广泛应用。

 

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