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超声波热量表质量隐患论述和成因问题分析
时间：2016-08-30 08:05:53
出处：www.sdhdr.com
作者：海德瑞
自从刚进入21世纪的2000年2月18日建设部发布了“76号令”正式启动以供热计量为中心的供热体制改革以来，随着各级政府对供热计量改革工作给予前所未有的重视并逐年加大推進的力度，供热体制改革和供热计量市场获得了健康而蓬勃的发展，取得了明显的成效，2012年以来，国务院为加快北方供热计量改革，再次下拨北方采暖区既有居住建筑供热计量及节能改造资金17亿元，加上之前预拨的36亿元，今年拨付资金已达53亿元。预计2012年将完成节能改造面积1.9亿平方米，近300万户居民将住上“节能暖房”。--上海埃克仪器仪表有限公司梁林新
住建部也明确表示：2012年将深化供热计量改革工作。开展供热能耗统计试点工作，研究建立供热能耗统计信息平台。加大供热计量收费监督检查力度，全面推进供热分户计量收费工作。督促指导北方采暖地区做好既有居住建筑供热计量及节能改造。
“十二五”期间，北方采暖地区地级以上城市达到节能50%强制性标准的既有建筑基本完成供热计量改造，实现按用热量计价收费。如果按照户均100平方米计算，截至2012年底，当年新增供热面积对热量表的需求为446万只，全国对热量表的累计总需求为5184万只。截至2012年底，全国热量表累计销量910万只，市场渗透率仅为17.5%，未来发展空间巨大。当全面地推进计量收费后。预计2014年～2016年，热量表销量年均增速在30%以上。
因此，中国分户供热计量产业随着供热计量收费全面地推进，在未来几年将获得飞速发展，而作为分户供热计量的终端用户，百姓最关心的就是希望用热量能像用水，用电一样，可以客观合理的根据用量实际的多少来进行缴费。这样，作为供热计量主体计量仪表的热量表，它长期工作可靠性和稳定性的重要意义就不言而喻了。
但当前全国热量表产品的质量却很不乐观、存在很大问题，尤其是不少专家极力推崇，目前市场佔有率最高的超声波热量表，虽然得到了较广泛的应用，但在国内特殊的国情下，仍然存在着不少，甚至于是致命的质量隐患。目前集中供热安装使用的热量表(90%以上都是各种型号的超声波式热量表)，由于存在一些致命的质量隐患，已经出现了较大面积的耐久性可靠性质量问题。中国城镇供热协会徐中堂理事长近期在接受记者釆访时透露：从目前安装热量表的情况看，能够运行3年的热量表比例不足10%，能够运行一个采暖期的热量表比例不足30%。如果不改变这种局面，不迅速提升热量表的整体质量，最终很可能导致热量表产业毁于一旦并将严重影响供热体制改革的進程和节能減排目标的实现，甚至引发复杂的社会纠纷。
以下仅针对超声波热量表存在的质量隐患提岀些浅薄之见，期待以抛砖引玉之举，掀探讨之潮，共同探索改进的措施，从而有助于热量表整体质量的提升并有望于推动以供热计量为中心的供热体制改革的可持续发展。
1、采用传播时间时差法单声道的超声波检测流速，由于所测量的流速是声道上的线平均流速，是仅对超声波束通过流速场横截面的那一局部采样检测流速﹙即点速采样﹚，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不相同的，其差异取决于流通横截面流速的分布状况，专业人士都知道，流速场横截面的流速分布绝不可能是均匀的，何况目前结构的超声波热量表测量腔体内还存在二个立柱式超声波反射体阻流元件。
因此这种以点代面的检测流速的采样工作模式的假设前堤是整亇流速场在一亇截面上是均勻且稳定的，这种工作状态显然只有在检定装置上才有可能存在，现场工况是绝不可能的，更何况目前结构的超声波热量表根本未考虑用任何的方法对流速分布进行补偿。这就使超声波热量表在现场使用检测流速场的平均流速时岀现极大的偏差，从而为超声波热量表在现场使用的精确度质量埋下了隐患，而如釆用多声道的超声波检测方式，价格又相对较高，市场难以承受；
2、 现阶段的市场上，普遍认为在目前中国供热水质不好的情况下，机械式热量表容易堵，而超声波热量表本身没有可动部件，所以，不会产生堵塞的现象，对此问题需进行探讨。
（1）普遍认为机械式热量表容易堵塞通常是指有比较大的颗粒物卡住了可动部件的实物堵塞，而导致无法计量。但是，对于户用超声波热量表，由于其立柱式超声波反射体一般位于管道中央，导致通道过水的面积减少很多，稍大的颗粒物也容易产生堵塞现象。因此，超声波热量表也可能出现实物堵塞的现象。
（2）由于超声波热量表测量对超声波的反射角度等的反射质量要求比较高，因此，反射柱的反射面必须保持良好的光洁度以保证超声波的反射质量。在采暖系统中，由于水质硬度的问题，导致结垢的现象出现，而且，一般停暖期都在半年以上，在此期间，水中的“絮状物”等颗粒杂质丝状物也会产生沉降现象。当反射柱的反射面结垢或者附有“絮状物”等颗粒杂质丝状物时，流体流动丝状物会产生摆动，严重影响超声波的传播方向等反射质量，接收端可能无法接收到超声波信号，导致仪表无法计量而出现计量堵塞，这种计量堵塞的后果同实物堵塞的后果是相同的。同样为超声波热量表在现场使用的长期工作可靠性质量埋下了隐患
（3）对于有些供热系统，其水中的小颗粒物体基本上呈均匀分布的状态，这些小颗粒物体对于机械式热量表的计量不会产生影响。但是，对于这些颗粒物体对超声波的传播方向会产生影响，当颗粒物体的密度增大到一定程度上时，所计量的数据与实际情况会出现很大的误差，进而影响到数据的精度，导致收费纠纷的产生。
此外，在采暖系统中，高温水会在管道壁上形成气泡，以及在流过弯道时水流产生的湍流，这些都会给超声波热量表的流量计的计量精度确质量埋下隐患。
因此采暖系统的供水水质对超声波热量表的测量性能和长期可靠性也有较大的影响，为此要求对载热流体作除垢处理，如同机槭式热量表一样，也要求在表具直管段前的进水口处安装过滤器，而且要求毎亇表具安装时，配备相同安装尺寸的“替用空管” ，以便在毎次正式供热前对供热系统进行管道冲洗时，在表具的工位上先安装此替用空管，待系统管道冲洗完成后，再正式安装热量表，否则极有可能造成热量表尚未使用已经损坏的严重后果。可想而知，这样每年的维护工程该多烦琐。众所周知，国内集中供热的水质比较特殊，不仅“硬度”较高，高温下极易结垢，而且存在各种颗粒状杂质（如磁化粒子，鉄屑杂质等）、少量的气泡以及岀现“絮状物”等。因此，对于釆用超声波式流量计检测载热流体流量的超声波热量表，必须高度重视并多方考虑由此产生的质量隐患。
3、在人们的概念里普遍认为超声波热量表的流量计因无可动部件而比机械热量表的流量计寿命长，但忽略了一点任何结果都有其前提条件。超声波流量计是用两个超声波振子分别顺流向和逆流向同时发出超声波信号，顺流向的超声波信号先于逆流向的超声波信号到达相对的振子，利用超声换能器把两个接收信号的时间差转换成流量。因此超声换能器是超声波流量计的核心部件，直接关系到其使用寿命。 我们知道在供热计量中，采暖供水介质的温度较高，而超声换能器与管道壁的接触靠的是硅油，硅油在长期高温状态下运行会逐渐老化进而影响其使用效果，进而影响到超声换能器的寿命。而超声换能器是无法修复的，也就是说一旦超声换能器发生损坏则必须更换整台超声波流量计。而在制冷系统中，因为超声波流量计的超声换能器及相关的电子电路都是紧贴在供水管道上的。在夏天制冷的时候，由于管道中是冷冻水，会使超声换能器的表面温度很低，从而使空气中的水气进入超声换能器。因为超声换能器是紧贴在供水管道上的，而超声换能器的外壳和供水管道的材质不同，所以他们的膨胀系数是不同的，因此不能保证冷凝水不会进入超声换能器内部。而一旦冷凝水会进入超声换能器内部，则会造成超声换能器短路，使整台超声波热表不能工作。由此可见，当前超声波热量表的结构型式对超声换能器的工作可靠性和工作寿命埋下了质量隐患，进而给超声波热量表的工作可靠性和工作寿命埋下隐患。
4、超声波信号在流体中的传播速度以及超声換能器的性能对温度都比较敏感，而就目前生产的超声波热能表表型几乎均未釆取温度补偿措施，而现场工况温度的变化又是客观存在的，这也为超声波热能表在现场使用的质量埋下了隐患。
5、超声波热能表测量腔体无可动部件，但当前为降低成本而釆用的传播时间时差法，测量腔体内却存在阻流元件－一对立柱式超声波反射体。测量腔体内这一阻流元件的存在，使超声波热能表同机槭叶轮式热能表一样，不仅会产生较大的压力损失 ，而且也存在堵塞的可能（尤其当载热流体含“絮状物”时）。因此，这不仅降低了供暖管网输送能力，尤其对旧管网改造带耒困难，同时也给超声波热能表在现场使用的质量带来了隐患。
6、超声波热量表的流量计在安装使用上较为严格。由于超声波流量计所测的流量依赖的参数为声波的传导时间，故水流的平缓与否对其十分重要，需要足够的直管段才能消除水中影响超声波传播质量的气泡，因此对直管段要求十分严格。若不能保证足够的直管段，水流过急甚至造成湍流或者产生气泡，都会对其计量精度产生很大的影响。因此对超声波流量计前端安装的不同设备，如水泵，弯头或阀门均有不同的严格直管段要求。此外，超声波热量表对流体和测量环境的震动状况比较敏感，过大的震动也会较大地影响测量的准确度和可靠性。
7、超声波热量表的关键部件超声波換能器是属于功耗较大的器件，据了解，目前为降低功耗，实现户用型超声波热量表内置式锂电池供电，业內大多数户用型超声波热量表表型普遍釆用分离型“休眠”的工作模式，也就是对检定状态和工作状态的流量信号和温度信号均釆用不同数值的信号采样间隔时间（检定状态通常为1～2秒，而工作状态时通常为30～60秒，）。www.china-heating.com深入分析这种分离型“休眠”的工作模式，把检定状态和现场工作状态人为地分隔开来设计为二个不同的采样间隔时间，至使仪表处于检定状态(信号采样间隔时间1～2秒)被检定了，而仪表现场工作状态(信号采样间隔时间30～60秒) 没有被检定，但通过这种分离型“休眠”工作模式却“被”检定了。
根据计量管理法则计量量值的统一性（一致性）这一最基本的法则，计量仪表必须遵循检定状态(信号采样间隔时间1～2秒)和现场工作状态(信号采样间隔时间30～60秒) 计量量值的统一性（一致性）和可追溯性。因此，如果遵照上述基本法则把检定状态和现场工作状态的信号采样间隔时间统一设计为1～2秒，则超声波热量表内置式锂电池的容量不可能达到内置电池的使用寿命应大于（5+1）年的标准要求，而如果把检定状态和现场工作状态的信号采样间隔时间统一设计为30～60秒，其内置式锂电池的可使用容量扩大了30～60倍，内置电池使用寿命达到了大于（5+1）年的标准要求，但信号采样的分辨率和测量精确度却下降了30～60倍，从而使超声波热量表流量传感器面临测量精确度难以达到标准要求的后果。因此可以认为，超声波热量表为能夠釆用内置式锂电池供电并滿足内置电池的使用寿命而釆用上述分离型“休眠”的工作模式，其结果既掩盖了这种分离型“休眠”的工作模式给仪表现场工作状态的工作性能带来的计量精确度的不确定性，又逃避了被检定的风险，因此从某种意义上带有蒙蔽消费者之嫌。
此外，这种把仪表检定状态和现场工作状态对应二个不同的采样间隔时间的工作模式，違背了计量管理法则计量量值的统一性（一致性）这一最本质的特征，同时也隔断了计量量值传递的量值溯源链，破坏了测量结果或测量标准的量值能够与规定参考标准（通常是国际或国家计量基准）联系起来的基本特性，众所周知，任何计量仪表制造单位或计量仪表检定机构，实际上就是承担某一计量仪表或某一地区的计量量值合法、真实、科学、有效的传递工作，因此很显然，为了达到低功耗而采用这种分离型“休眠”的工作模式是绝对不可取的，也应该是不能允许的。
超声波热能表价格相对低廉，如能全部或部分消除超声波热能表的这些质量隐患，必将大幅提升它的整体使用质量，从而更有益于推动以供热计量为中心的供热体制改革的可持续发展。
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