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影响超声波热量表计量性能的因素
作者:天津华仪创展admin 发布时间:2020-04-30 16:57
        超声波热量表是精确计量供热过程中热能消耗的一种计量仪表。本文通过对超声波热量表工作原理的分析,指出影响超声波热量表性能的核心因素为超声波传感器。通过对超声波传感器主要参数的详细分析,为计量校准人员准确、高效的完成超声波热量的计量校准工作提供帮助,同时给超声波热量表生产企业提出相应的建议。
 
        1.介绍
        超声波热量表是一种包含机械、电子和信息技术的高科技产品,它是精确计量供热过程中热能消耗的一种计量仪表。超声波热量表在推广实现分户计量和供热平衡的过程中起到了不可替代的作用。超声波热量表是通过用超声波测量流量及显示水流经热交换系统所释放或吸收的热能量从而计算出热量的仪表。它通过两种传感器测得的物理量-热载体的流量和进出口的温度,再经过密度和热焓值的补偿及积分计算,才能得到热量值。
        时差法超声波热量表是依靠超声波信号在流体中传播的时间差,来测量流体流量。当超声波速在流体中传播时,流体的流动将使超声波信号的传播速度发生传播的时间差。时间差的大小与流体的流速成正比关系。由此,便可测量流体流量。便携外加式时差法超声波热量表是一种非接触式的流量测量仪表,具有无口径限制、无压力损失、流速范围宽等优点,特别是在大口径水流量测量方面具有较强的技术优势。利用超声波在流动的流体中传播时,可以载上流体流速信息的特性,通过接收和处理穿过流体的超声波信息就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。在结构上主要由计量直管段、超声波传感器、电子处理线路及流量显示和积算系统四部分组成,如图1所示。
 
        2.影响超声波热量表性能的主要因素
        热量表由流量传感器、温度传感器和热能积算仪三部分组成。热能积算仪技术在实践中得到充分验证,具有较好的使用效果。目前,影响超声波热量表性能的主要因素集中在其关键部件流量传感器,流量传感器主要由基表和超声波传感器组成。对于对基表机械结构(包括反射器和测量管段)我国很多热计量表生产厂家针对国内供热水质较差,含有大量杂质容易堵塞流量传感器等情况进行了大量的研究,提出了“减压损”、“防堵塞”、“减涡流”和“防结垢”等改进设计,再加上国内的机械加工水平可以满足基表的技术要求,所以该部件技术水平比较成熟和稳定,存在问题较少。对于超声波传感器却发现很多问题,有些企业甚至对其热量表产品关于超声波传感器主要技术参数还缺乏必要了解,因此出现了一半以上的生产厂家提供的技术参数过于简单或者有明显错误;或者名不副实,实测结果偏差很大。
 
        3.超声波热量表的关键部件-超声波传感器
        超声波传感器主要由压电元件(压电陶瓷片)、背衬材料(吸收块)、保护膜和外壳等组成。
        影响超声波热量表性能的主要参数有:
        (1)中心频率,指传感器的电导值最大时的工作频率。
        (2)压电常数,关系到传感器声电转换效率及输出灵敏度的参数。
        (3)弹性系数,决定着传感器的固有频率和动态特性。
        (4)绝缘电阻,压电材料的绝缘电阻大有助于减少电荷泄漏量,从而改善压电传感器的低频特性。
 
        4.存在的问题及改进建议
        近两年新疆计量院依据CJ128-2007《热量表》行业标准和DB65/3165-2010《热量表》地方标准,对供热计量器具的管理从一般管理层面走向了产品质量控制层面,按照监督计划开展了大量热量表检验工作。本文主要对超声波热量表产品在检验中发现的一些问题,进行了总结并提出建议,希望能对国内超声波热量表生产厂家和研发技术人员对提高产品质量起到一定的启发。
        超声波传感器的静态参数测试结果不够理想。主要是中心频率偏差超差,电容、电导、机械品质因数、阻抗等重要静态参数的配对一致性差。例如某些厂家几乎所有的超声波传感器中心频率标称的都是1MHz。实测的结果是仅有30%达到1MHz;偏差最大的超过了12%。某些厂家几乎所有的超声波传感器4个参数配对偏差均大于4%,偏差最大的超过了10%。这些参数随温度的变化都将影响超声波在水中传播的时间差,也就是超声波流量计的精度。因此,关于超声波传感器器件性能研究国内厂家应该重视起来,在没有条件对传感器的各种参数进行测试的热量表厂家,至少应该采取对传感器作配对试验的措施,通过检验传感器的外部特征来判断其参数是否满足热量表的需求,外部特征满足要求、且两只传感器的外部特征相互匹配,这样一对传感器才可以用于同一个热量表。
        传感器的耐老化性和封装出现的一些问题。由于国内材料科学及基础工业与国外存在一定的差距,国内部分厂家采用PPS、PSF等热塑树脂封装,出现超声波振子受潮和陶瓷材料碎裂等现象。另一方面,大部分国产热量表选用传感器耐老化性能也应该注意。为了保证超声波流量计能有(5~10)年的使用寿命,国外厂家使用的传感器必须经过强制老化,在出厂前通常都会采取冷热交替方式加载后进行检测,确保长期测试性能不发生超差的变化。因此,国内热量表厂家关于传感器的封装和耐老化性能方面应该加强研究,通过技术改进缩小在这方面与国外热量表的差别。
 
        5.总结
        随着供热改革推进到“按量收费”阶段,国内热量表产品的质量必将面临考验,同时其市场竞争也将加剧。因此建议,国内企业应当加大对超声波热量表关键部件流量传感器的研发力度,掌握其核心技术,不要仅仅做一个“组装”的企业;同时生产企业应当树立产品质量意识,做好产品主要性能指标匹配测试,通过开展产品检验(特别是耐久性性能试验)或者采用使用中周期试验统计的方法等手段,不断的完善和提高产品质量。




 
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