空气管道中的高效流量测量：技术和应用实例

HVAC/HVAC 流量测量的重要性

风管中的高效流量测量是节能建筑技术和**室内空气质量的基础。在能源成本不断上升和环境要求日益严格的时代，HVAC（供暖、通风、空调 – HVAC）系统中的精确流量测量对工程师和技术人员来说变得越来越重要。本实践指南展示了经过验证的测量技术、来自各个行业（包括水处理）的应用示例以及 HVAC 系统中可靠气流测量的现代解决方案。通过这种方式，您将了解风道中的良好流量测量如何有助于降低运营成本和优化系统。

为什么风道中的流量测量是必不可少的？

风道中的流量测量是现代 HVAC 系统的支柱。如果没有精确的空气体积流量数据，就无法优化能耗，也无法确保室内空气质量。持续监测气流可以在早期阶段发现系统故障，及时纠正关键情况（如过滤器堵塞或风扇故障），并**限度地降低运营成本。

实践中的主要优势：

• 通风和空调系统的节能控制 – 避免不必要的空气交换，节省供暖和制冷能源。

• 符合办公楼和工业建筑的空气质量标准 – 确保健康和舒适。

• 过滤器性能监控 – 在需要更换或清洁过滤器时提供及时通知。

• 系统规格证明 – 例如，在验收和运行期间符合规划值和标准（如 DIN EN 12599）。

风道中的现代流量测量也有助于立即检测系统中的不平衡、过滤器堵塞或风扇故障。精确的流量监测是必不可少的，尤其是在采用按需通风的节能建筑中，以便真正实现计划的节省和室内空气条件。

最重要的空气流量 （HVAC） 测量原理

有多种测量技术可以记录风管中的流速和体积流量。在下文中，我们将介绍最重要的测量原理 - 每种原理都有其功能、优势和典型的应用领域。

1. 热式流量测量（量热原理）

量热法测量原理已成为 HVAC 应用中流量测量的特别可靠。它基于热风速法，即加热传感器与流经的介质（空气）之间的热传递。

功能性：一个温度传感器持续加热到定义温度，而第二个传感器测量当前介质温度。如果空气流过传感器，气流会冷却加热的传感器 - 为此所需的能量（或传感器之间的温差）与流速成正比。现代设备通过根据参考值调节加热传感器来自动补偿空气中的温度波动。

热式流量计的优点：

• 高灵敏度：可靠地测量低至约 0.1 m/s 的极低流速。

• 高精度：测量精度最高可达测量值的 ±2%。

• 不受安装位置限制：360° 测量能力，即在很大程度上不受流向的影响。

• 免维护运行：由于封装传感器而没有移动部件或污染问题。

产品推荐：对于要求苛刻的暖通空调应用，SEIKOM Electronic 提供 RLSW®9 体积流量计 - 为通风系统中精确测量空气流量的高质量解决方案。该量热测量设备的检测范围为 0.1 至 30 m/s（可选最高可达 200 m/s），适用于高达 350 °C 的介质温度。RLSW®9 具有线性模拟输出（0-10 V 和 4-20 mA）和易于阅读的 LCD 显示屏，带有 LED 状态，非常适合监测和调节工业设备中的气流。

2. 叶片风速计

叶片风速计（也称为叶片风速计）是一种经典的流速机械测量装置，主要用于中高空气速度。在这里，一个小叶轮（螺旋桨）在气流中旋转，速度被转换为速度信号。

特点和优点：

• 典型测量范围：流速约为 0.5 至 30 m/s（取决于设备）。

• 鲁棒性：机械简单、久经考验的技术，坚固耐用 - 也适用于恶劣环境。

• 直接显示：许多手持式风速计直接显示瞬时流速;适用于快速点测量以进行验证。

• 积分时间可调：为了获得更准确的结果，可以进行平均以补偿湍流效应。

• 成本效益：这是一种相对便宜的解决方案，特别是对于临时测量或移动使用，因为通常不需要固定安装。

• 应用：叶轮风速计通常用于检查通风系统、实验室甚至现场服务。在固定安装中，它们比热传感器少见，因为它们具有移动部件和更高的维护要求。

3. 差压法（皮托管）

另一种测量管道中气流的成熟方法是差压法。在这里，流速是通过流动空气的动压和静压之间的压差间接确定的。通常使用普朗特皮托管或带挡板的特殊差压传感器。

原则：带有与流动方向相反的开口的管道测量总压力（动态压力），而侧面开口或第二条管线检测通道中的静压。根据压差，该设备根据伯努利方程计算流速。如果设置由多个测量点或有效压力探头补充，则还可以通过通道横截面确定体积流量。

优点和特点：

• 成熟的技术：差压测量已经使用了很长时间，并在许多标准中进行了描述。

• 单纯：传感器技术相对简单，通常可以改装（皮托管通道上的一个孔就足够了）。

• 应用：非常适合高流速和大通道横截面。然而，使用它检测非常低的速度 （<0.5 m/s） 可能不太准确。

• 保养：Pittenoids 在气流中没有电子元件，并且不敏感，但必须偶尔检查是否有污染。

4. 超声波流量测量

在超声波流量测量中，声信号用于确定空气的流速。两个相对的传感器交替发送和接收受气流影响的超声波脉冲。

原则：传感器的布置方式使一个声脉冲随水流发送，另一个声脉冲逆流发送。气流导致两个方向之间的延迟差最小 - 声音在气流中所需的时间比逆流方向需要的时间要短。根据这个传播时间差，电子元件计算出测量横截面的平均流速。现代超声波流量计还可以检测流向（正流和逆流），并经常同时测量介质温度。

应用优势：

• 测量范围广：通常可测量的流速高达 ±40 m/s – 也适用于非常高的速度。

• 大截面：可用于直径达数米（例如** 2.5 m 或更大）的下水道，因为无需在流量横截面上安装。

• 无机械部件：无磨损且维护成本低，因为仅使用声音信号。

• 多功能被测变量：除了体积流量外，一些设备还提供温度和流向。

应用：超声波测量系统主要安装在大型通风管道中，例如矿山、隧道通风或大型工业厂房中，传统传感器很难安装。由于技术先进，它们的购买成本通常更高，但在特殊应用中具有独特的优势。

流量计的选择标准

在 HVAC/HVAC 系统中选择合适的流量计进行流量测量时，需要考虑各种参数。每个应用领域都有不同的要求 - 从小型空气管道到工业中的大型排气轴。

重要的选择标准一目了然：

• 流速测量范围：您的工艺是否需要 0.1 m/s 以上的极低速度，还是需要高达 50 m/s 或更高的高流量？选择能够可靠覆盖所需速度范围（例如 0.1 – 20 m/s 或 5 – 50 m/s）的设备。

• 介质温度和质地：注意下水道中的温度。标准设备的工作温度范围约为 -20 °C 至 +80 °C。 对于更高的温度（热空气、高达 350 °C 的工艺废气），需要特殊的高温传感器。湿气、灰尘或空气中的腐蚀性成分也会影响设备的选择（坚固的材料、IP67 防护等级或类似等级）。

• 风管尺寸和安装条件：在非常小的通道中，大型测量设备可能不适合 - 从外部插入的紧凑型传感器或探头适合在这里使用。在非常大的通道（直径 >1 m）中，可能需要使用多个测量点或特殊方法（超声、皮托管阵列）才能获得代表性结果。

• 所需的测量精度：考虑测量需要有多精确。对于能源账单或验证，应使用高精度设备（误差 <2-3%）。对于纯监控任务（例如风扇运行/未运行），如果节省成本，精度略低的流量监测器也就足够了。

• 信号输出和接口：确保仪表为您的控制器或控制系统提供兼容的输出。根据系统的不同，需要模拟 0-10 V、4-20 mA 或数字接口（Modbus、BACnet）。电源（24 V DC、230 V AC 等）也必须正确。

测量范围和典型通道速度：为了正确看待这一点，以下是一些指导值：在通风系统的送风管道中，空气通常以 2-8 m/s 的速度移动，在稍快的排气管道中（3-12 m/s），大型系统的主管达到 5-15 m/s。工业抽气系统或工艺废气的流量可达 30 m/s。这些数字有助于选择具有合适测量范围的设备。如果设备远高于通常的范围，则分辨率会受到影响。如果尺寸太小，它会在峰值负载时达到极限。

安装和**定位

正确安装流量计对于获得精确结果至关重要。即使是**的测量设备，如果放置在下水道中不方便或安装不当，也会提供不正确的值。因此，请遵循一些基本安装规则：

在下水道系统中的正确放置

• 遵循进样路线：在测量点前面，气流应尽可能平静和均匀。建议在传感器前面笔直地保持至少 5 × 的管径，**更大。在狭窄的弯头、分支、风扇或翻板等故障之后，即使是大约 10 ×直径的入口段也是可取的，因为那里会发生湍流。

• 考虑跳动距离：在传感器后面，至少 3 × 管直径应沿直线。这样可以避免传感器直接位于另一个故障（例如曲线）的前面，这可能会影响测量。

• 截面中的位置：理想情况下，传感器放置在通道横截面的中间，那里的流量最具代表性。对于插入式探头，传感器帽应大约位于通道的中间。在圆管中，将探头布置成一个小角度可能很有用，以尽量减少重力对污垢沉积物的影响。

• 请注意主流方向：虽然许多传感器（尤其是热传感器）的测量与方向无关，但根据预期的流动方向（如果制造商指定）对齐它们仍然是一个好主意。这也使得解释标记和可能的方向指示变得更加容易。

避免常见的安装错误

• 沉降部分不足：如果未遵守上述直线距离，则测量点处的流动可能仍呈涡流或分布不均匀。这会导致相当大的测量误差。如有必要，如果结构上无法实现更长的直道，则必须使用整流器（例如蜂窝格栅）。

• 安装在不利区域：避免直接安装在拱门、节气门体或风扇出口后面。气流中经常存在交叉电流或旋转分量，这些因素会使测量结果出错。**安装在稍远的地方。

• 测量点泄漏：将探头插入通道时，确保通道紧密。泄漏不仅会影响测量，还会导致空气逸出或被吸入，从而破坏整个系统。使用合适的配件或法兰密封安装地点。

• 浸入深度不正确：特别是对于插入式传感器，必须遵守正确的浸入深度。如果传感器太远或伸入气流中太少，则无法进行代表性测量。大多数制造商都指定了传感器的定位方式（例如，尖端位于管的中间）。请遵守这些准则。

监控和警报系统（流量开关）

除了连续测量准确的气流外，在许多用例中，监控阈值就足够了，即只需确定流量是否存在或超过最小值即可。在这里，流量开关用于发出警报，或在电流过低或过高时向控制系统发送信号。

产品推荐：为了可靠地监测 HVAC 系统中的最小或**流量，SEIKOM Electronic 提供了 RLSW®5 F3 流量监测器。该传感器根据上述热原理工作，但主要设计为开关。您可以单独设置继电器切换的流速。例如，可以监控最小空气量（对于废气系统安全去除有害物质很重要）或设置**限值（例如，防止浪费能源的过多气流）。

RLSW®5 F3 的主要特点：

• 免维护的封装传感器，采用热测量原理（无活动部件）。

• 可调开关阈值：可灵活适应所需的最小或**流量。

• 继电器输出（转换），如果流量值超出目标范围，则可直接触发警报或关闭系统。

• 坚固的外壳（IP67 等级），适用于工业环境。

• 介质的工作温度高达 90 °C，还可以监测温暖的废气。

应用优势：例如，这种流量监测器可以很早地检测到风扇故障或过滤器污染，因为在这些事件中，流量会立即低于阈值。在紧急情况下，该设备可以启动自动关闭或向楼宇管理系统发送消息，以避免间接损坏。同时，它还有助于实现节能运营管理，例如，一旦不再需要空气泵，系统就会处于待机状态。由于采用标准信号或继电器，可以很容易地集成到现有的控制系统（PLC 或楼宇管理系统）中。

重要规范和标准

在风管的流量测量中，适用各种标准和准则，以确保测量结果具有可比性和可靠性。根据行业和地区，可能涉及不同的标准：

• DIN EN 12599：建筑物通风 - 通风和空调系统的测试方法。本标准描述了如何进行 HVAC 系统的验收和功能测试，包括通风扩散器和管道的体积流量测量。

• DIN EN 16211：建筑物通风 - 简化的空气体积流量测量程序。本文介绍了空气管道中体积流量的简化测量方法，在实践中有助于快速检查。

• ASHRAE 111：（ANSI/ASHRAE 标准 111-2008）建筑 HVAC 系统的测量、测试、调整和平衡实践。在美国广泛使用的标准，为通风系统的测量和调整提供实用说明。

• ISO 3966 / ISO 7194：定义风管测量方法的国际标准（特别是根据压差法通过皮托管）。如果要根据全球统一的方法进行测量，这些都很重要。

对于作员和工程师来说，遵守这些标准意味着测量精度和文档记录满足某些最低要求。特别是在官方检查或认证的情况下（例如在洁净室或职业健康与安全评估中），建议遵循上述标准。

流量计的维护

为确保流量计多年准确工作，不能忽视定期维护和校准。尽管许多现代传感器几乎不需要维护，但不可能完全不加控制地进行维护 - 特别是因为沉积物或老化会影响测量值。

建议的校准间隔：流量计的年度校准是很常见的。在不太关键的应用中（例如，无计费的纯通风控制），此间隔也可以延长至两年。另一方面，在与安全相关或特别精确要求的区域（洁净室、防爆、官方监控系统）中，半年一次的检查是有用的。在对系统进行重大修改或对传感器进行维修后，还应进行计划外的重新校准，以便对测量值有信心。

维护措施一览：

• 目视检查：定期检查传感器是否有污垢、灰尘或损坏。例如，热传感器可能会被灰尘覆盖，从而改变传热行为。

• 电气连接：检查电缆和连接器是否腐蚀或松动，尤其是在户外或潮湿的设备上。

• 测试：作为维护的一部分，模拟不同的流动条件（例如，通过吹气传感器或降低风扇速度）并检查输出信号或显示器的反应是否合理。具有开关功能的流量开关应测试其警报（例如，通过调整阈值以触发开关点来临时更改阈值）。

• 文档：以书面形式记录所有校准和测试结果。许多标准品需要校准方案。如果出现错误，您可以证明设备已经过正确检查。此外，您还可以查看多年来是否有趋势（例如测量值漂移）表明应该更换设备。

维护良好的流量计将确保您的工厂以**状态运行。年检的微小努力通过避免管理不善和低效运营而得到回报。

实际应用实例

最后，我们看了一些实际例子，其中风管中的流量测量起着重要作用——包括水处理，这对我们的许多读者来说特别相关：

1. 节能建筑技术：在现代办公和行政建筑中，经过深思熟虑的流量测量概念可以节省大量能源。按需控制的通风 - 根据空气质量（二氧化碳传感器）和存在进行控制 - 动态调整送风和排风量。在这里，流量传感器连续测量体积流量，并确保不会泵送超过必要的空气。结果：通风能耗降低 30-50%，室内气候仍然舒适。

2. 水处理和污水处理厂：空气在工业用水和污水处理厂中起着重要作用，例如，在污水处理厂曝气池的曝气或水箱和池的排气管道中。空气管道中可靠的流量测量可确保为生物清洁过程吹入足够的新鲜空气，并确保可能出现的任何气体都能安全排出。流量开关通常监控最小空气流量，以便立即检测出关键的底切 - 这可以保护员工并确保稳定的工艺条件。

3. 工业抽气系统：对于灰尘、烟雾或蒸气的抽气系统（例如在焊接车间、化工厂或木材加工厂），排气管道中的连续流量测量与安全有关。如果气流低于某个最小速度，有害物质可能会积聚或积聚。因此，如果抽气功率过低，这里使用流量监控器来触发警报或关闭系统。同时，体积流量计有助于以节能的方式运行抽气系统 - 吸力不会超过必要的吸力，但始终足以保证安全。

4. 洁净室技术：在洁净室（例如半导体生产、制药行业、实验室）中，必须精确遵守规定的空气体积流量和压差，以确保纯度等级。HVAC 管道中的流量测量可确保足够的再循环空气持续泵送通过过滤器，以去除空气中的颗粒。即使是很小的偏差也会增加颗粒浓度。因此，这里经常安装高精度热式流量计，作为质量管理的一部分，工厂作员会定期检查这些值。