樓宇自控系統中兩類空氣流量計的技術對比
摘要：摘要在樓宇自控系統中采用了大批的流量采集設備，由于采集設備所采用的技術不同，大大影響整個自控系統的效果。文章詳細地對目前采集器所采用的溫感和壓感技術進行分析，為樓宇系統的設計者提供一些參考。
關鍵詞：流量計 溫度感應 壓力感應
1.引言
筆者在設計嘉匯新城的樓宇自控系統時，發展商提出了一個要求：希望能對業主的房間提供單獨的空調流量采集，這樣就可以進行獨立的計費。因為當初筆者并沒有好的思路，也考察了一些樓盤，但關于這部分的做法沒有太多可參考之處，致使關于這方面的設計被淘汰。事后筆者專門對這部分的技術進行研究，在HVAC系統中，發現了正確選擇空氣流量采集設備的重要性。因為技術安裝位置、氣流比率不同，會對整個系統的運行效果造成巨大的影響。
目前在HVAc系統中最通用的空氣流量采集與測量技術主要是：(1)全電子溫度感應技術；(2)陣列式壓力感應技術。為此，筆者認為全面了解這兩個技術的內核對樓宇自控系統的設計者至關重要。
2.空氣流量計的演變歷史
在氣動控制主宰歷史的時代，壓力式流量計是必然的選擇，壓力感應管將單點的壓力感應換算后直接傳給控制主機。但是后來隨著變速系統(VAV)的出現，需要大量空氣流量測試設備來控制扇體的轉速，廠商也意識到單點感應的局限性，進而向陣列式感應方向發展。因為此類設備是通過非線性壓力信號的均值來計算采樣的，必然有一些誤差存在，但是也滿足了早期VAV系統的需求。
在80年代中期，隨著直接數字控制技術(DDC)逐漸替代傳統的氣動控制，氣流測量需要一些格外的“轉換器”將原來的氣動信號轉換為DDC可識別的電子信號。在壓力陣列技術中，由于不同的氣壓差很小，信號轉換中的誤差就十分重要，當然這是目前也無法保證的問題之一。
傳統的HVAC系統均是為實現基本舒適和溫度適宜而設計的，大多數系統額定的氣流速率最大是2500Mpm，最小800Mpm。當然也要配置相應粗細的通風管道與氣流測量裝置。但隨著技術的發展，對氣流測量的準確度和穩定度均比以往要求的更高，所以新的氣流測量技術也就加入到樓宇自控的行列中，最主要的就是采用了溫感技術。這樣不通過信號轉換，溫感裝置就可通過各個獨立的傳感器信號直接以線性信號發給中央控制系統，另外溫感裝置也可以準確的度量到氣流從有到無的狀態(理論上是如此，但是現實中很少應用)，最后中央控制系統按照各個溫感裝置提供的平均溫度計算出需要控制的參數來實現及時的調節與控制。
3.兩種技術之對比
除了溫感與壓差的測量原理不同外，對實際運行的影響也有很多微妙的因素。
3．1氣流波動的影響
氣流變化對如下因素影響最大：
(1)各個傳感器準確度的影響；
(2)全采樣誤差的影響；
(3)傳感器調校的準確度；
(4)轉換器／傳輸儀調校的準確度；
(5)傳感探頭的安裝位置；
(6)設備長期的穩定性。
風機盤管的各個部分，包括拐彎、接頭、扇體、壓力機和填充物均會對氣流產生特殊的渦流，這對流量設備的測量結果制造了不少的麻煩。當然，這些影響對溫感和壓感設備也各有不同，下面是一個參考后的數字對比(測量設備由Ebtron公司提供)。
3．1．1對各個傳感器準確度的影響
(1)溫感設備
在最初測量時，溫感設備受盤管的影響最大，尤其是安裝在接近混合風口的地方時，計量表經常顯示嚴重錯誤。這主要是因為溫感設備對熱傳導的感應誤差造成的，測試的結果是傳感器讀到的數字遠遠高于實際的溫度。經過檢查發現，主要是溫感傳感器自己“涼”造成的。后來我們選擇了可以自熱的傳感器，就減少了這一誤差。
(2)壓感設備
首先看一個公式：
V=(2DP／p)x0．5
V指速度，DP指壓差DehaP，p指空氣密度。
在大多HVAC系統中，壓差相對于總氣壓是極月的數值，但是最后的信噪比在總氣壓下波動取樣更重要。
例如，一個盤管內有2kPa的總氣壓，則一個百分比的氣壓波動將引起相應信噪比為O．05kPa的變化。而當速度在1000Mpm，相應壓力達到2．5kPa時，噪音占了全部信號的1／3。結果就是管內的壓感設備放大了誤碼，尤其是在氣流低速時更是嚴重。我們得出結論，在盤管拐彎等風速較底的位置采用壓差感應設備是不明智的。經過反復測試結果也是一樣的。所以要采用壓感設備測量，最好安裝在直管的地方。 3．1．2全采樣誤差
溫感和壓感均通過速度采樣來確定一定體積內的均速。而溫感設備是直接測量其速度，壓感是通過壓力變化來確定當前速度的。這樣就有一個問題，放置幾個采樣點才可以采集到準確的數據呢?溫感和壓感的采樣點又有何不同呢?根據國際標準IS03966建議的壓感設備是一個立方的管內至少為25個。而溫感則為4-20個點。理論上當然是點越多，測量數據越準確。
(1)溫感設備
首先我們在0．1個m。的管道內放置了4個溫感設備，經過測量發現溫感設備的數量減少一半，相應的誤碼增加1％。經過對比我們建議一個對應的數據：
大小與密度對應表 表l
管道大小(m。) 溫感設備密度(個) ≤0.1 2 0.1-0.4 4 l 8 2 16
(2)壓感設備
理論上來講，在通過壓感設備測試平均速度時首I要確定氣流的比例。由于各個測試設備的算法差別I會導致測試結果的差別，因為壓感設備采取的是多l采集的方式，所以也會得到不同的測試結果。通過以下簡單的理論公式也可以證明。
(3)管槽測量
我們首先在一個90。的鍍鋅彎槽管中進行了測量，其內徑約為60cmx60cm，彎管左接一個2．5m的直管，右接一個長度為5m的直管，5m直管前加接一個離心扇，而測量的位置距風扇3．4m。如圖。2所示：
我們把風速分別調到lm／min、1．5m／rain、3m／rain、4．5m／min和5．5m／rain，測試結果如下：
我們在安裝變速開關的情況下，兩者測得的數據相差無幾，但是我們在不安裝開關的狀態下測試，溫感設備的變動幅度為10％，而壓感變動幅度為50％，這就說明如果在回風管道中安裝流量計，由于回風管道沒有變速開關，所以建議選擇溫感設備效果更好。
經過反復測試，發現越接近拐彎的地方，溫感的測試效果越好，其實壓感設備的誤碼可以通過公式(1)來證明。
雖然流量計的安裝位置可以通過選擇使壓感設備的測試效果變好，但本次實驗僅是在一個管道中進行的，而實際的HVAC環境卻要復雜的多，所以我們建議設計者要根據環境不同而選擇不同的流量計量技術，安裝簡單未必就能滿足實際的要求，何況安裝的工人未必將設備完全按照設計的位置來架設。
(2)另外的一次測試是確定接近加濕機時哪種設備的效果更好。結果發現溫感設備不受加濕機轉速的影響，而壓感設備無法采集到準確的數據，
4.結束語
設計者在選擇流量計時必須仔細研究測試后的數據才能選擇正確的設備。溫感設備主要是用在管道氣流變化較大的情況，尤其是有渦流的時候，而壓感設備用在長且直的管道內可以獲取更好的信噪比。
由于管道內速度的不斷變化，也造成環境干擾的不斷變化，而速度的變化需要通過多點的數據采集才能獲取準確的數值，永久安裝在管道內的流量計要比我們實驗所測的數據具備更少的隨機誤差。獲取的數據也更可靠。溫感設備由于是單點采集相關位置的流量，相對于壓感設備的陣列式多點采集的均值而言，均值的誤碼要遠遠高于單點獨立采集的數據。
關鍵詞：流量計 溫度感應 壓力感應
1.引言
筆者在設計嘉匯新城的樓宇自控系統時，發展商提出了一個要求：希望能對業主的房間提供單獨的空調流量采集，這樣就可以進行獨立的計費。因為當初筆者并沒有好的思路，也考察了一些樓盤，但關于這部分的做法沒有太多可參考之處，致使關于這方面的設計被淘汰。事后筆者專門對這部分的技術進行研究，在HVAC系統中，發現了正確選擇空氣流量采集設備的重要性。因為技術安裝位置、氣流比率不同，會對整個系統的運行效果造成巨大的影響。
目前在HVAc系統中最通用的空氣流量采集與測量技術主要是：(1)全電子溫度感應技術；(2)陣列式壓力感應技術。為此，筆者認為全面了解這兩個技術的內核對樓宇自控系統的設計者至關重要。
2.空氣流量計的演變歷史
在氣動控制主宰歷史的時代，壓力式流量計是必然的選擇，壓力感應管將單點的壓力感應換算后直接傳給控制主機。但是后來隨著變速系統(VAV)的出現，需要大量空氣流量測試設備來控制扇體的轉速，廠商也意識到單點感應的局限性，進而向陣列式感應方向發展。因為此類設備是通過非線性壓力信號的均值來計算采樣的，必然有一些誤差存在，但是也滿足了早期VAV系統的需求。
在80年代中期，隨著直接數字控制技術(DDC)逐漸替代傳統的氣動控制，氣流測量需要一些格外的“轉換器”將原來的氣動信號轉換為DDC可識別的電子信號。在壓力陣列技術中，由于不同的氣壓差很小，信號轉換中的誤差就十分重要，當然這是目前也無法保證的問題之一。
傳統的HVAC系統均是為實現基本舒適和溫度適宜而設計的，大多數系統額定的氣流速率最大是2500Mpm，最小800Mpm。當然也要配置相應粗細的通風管道與氣流測量裝置。但隨著技術的發展，對氣流測量的準確度和穩定度均比以往要求的更高，所以新的氣流測量技術也就加入到樓宇自控的行列中，最主要的就是采用了溫感技術。這樣不通過信號轉換，溫感裝置就可通過各個獨立的傳感器信號直接以線性信號發給中央控制系統，另外溫感裝置也可以準確的度量到氣流從有到無的狀態(理論上是如此，但是現實中很少應用)，最后中央控制系統按照各個溫感裝置提供的平均溫度計算出需要控制的參數來實現及時的調節與控制。
3.兩種技術之對比
除了溫感與壓差的測量原理不同外，對實際運行的影響也有很多微妙的因素。
3．1氣流波動的影響
氣流變化對如下因素影響最大：
(1)各個傳感器準確度的影響；
(2)全采樣誤差的影響；
(3)傳感器調校的準確度；
(4)轉換器／傳輸儀調校的準確度；
(5)傳感探頭的安裝位置；
(6)設備長期的穩定性。
風機盤管的各個部分，包括拐彎、接頭、扇體、壓力機和填充物均會對氣流產生特殊的渦流，這對流量設備的測量結果制造了不少的麻煩。當然，這些影響對溫感和壓感設備也各有不同，下面是一個參考后的數字對比(測量設備由Ebtron公司提供)。
3．1．1對各個傳感器準確度的影響
(1)溫感設備
在最初測量時，溫感設備受盤管的影響最大，尤其是安裝在接近混合風口的地方時，計量表經常顯示嚴重錯誤。這主要是因為溫感設備對熱傳導的感應誤差造成的，測試的結果是傳感器讀到的數字遠遠高于實際的溫度。經過檢查發現，主要是溫感傳感器自己“涼”造成的。后來我們選擇了可以自熱的傳感器，就減少了這一誤差。
(2)壓感設備
首先看一個公式：
V=(2DP／p)x0．5
V指速度，DP指壓差DehaP，p指空氣密度。
在大多HVAC系統中，壓差相對于總氣壓是極月的數值，但是最后的信噪比在總氣壓下波動取樣更重要。
例如，一個盤管內有2kPa的總氣壓，則一個百分比的氣壓波動將引起相應信噪比為O．05kPa的變化。而當速度在1000Mpm，相應壓力達到2．5kPa時，噪音占了全部信號的1／3。結果就是管內的壓感設備放大了誤碼，尤其是在氣流低速時更是嚴重。我們得出結論，在盤管拐彎等風速較底的位置采用壓差感應設備是不明智的。經過反復測試結果也是一樣的。所以要采用壓感設備測量，最好安裝在直管的地方。 3．1．2全采樣誤差
溫感和壓感均通過速度采樣來確定一定體積內的均速。而溫感設備是直接測量其速度，壓感是通過壓力變化來確定當前速度的。這樣就有一個問題，放置幾個采樣點才可以采集到準確的數據呢?溫感和壓感的采樣點又有何不同呢?根據國際標準IS03966建議的壓感設備是一個立方的管內至少為25個。而溫感則為4-20個點。理論上當然是點越多，測量數據越準確。
(1)溫感設備
首先我們在0．1個m。的管道內放置了4個溫感設備，經過測量發現溫感設備的數量減少一半，相應的誤碼增加1％。經過對比我們建議一個對應的數據：
大小與密度對應表 表l
管道大小(m。) 溫感設備密度(個) ≤0.1 2 0.1-0.4 4 l 8 2 16
(2)壓感設備
理論上來講，在通過壓感設備測試平均速度時首I要確定氣流的比例。由于各個測試設備的算法差別I會導致測試結果的差別，因為壓感設備采取的是多l采集的方式，所以也會得到不同的測試結果。通過以下簡單的理論公式也可以證明。
(3)管槽測量
我們首先在一個90。的鍍鋅彎槽管中進行了測量，其內徑約為60cmx60cm，彎管左接一個2．5m的直管，右接一個長度為5m的直管，5m直管前加接一個離心扇，而測量的位置距風扇3．4m。如圖。2所示：
我們把風速分別調到lm／min、1．5m／rain、3m／rain、4．5m／min和5．5m／rain，測試結果如下：
我們在安裝變速開關的情況下，兩者測得的數據相差無幾，但是我們在不安裝開關的狀態下測試，溫感設備的變動幅度為10％，而壓感變動幅度為50％，這就說明如果在回風管道中安裝流量計，由于回風管道沒有變速開關，所以建議選擇溫感設備效果更好。
經過反復測試，發現越接近拐彎的地方，溫感的測試效果越好，其實壓感設備的誤碼可以通過公式(1)來證明。
雖然流量計的安裝位置可以通過選擇使壓感設備的測試效果變好，但本次實驗僅是在一個管道中進行的，而實際的HVAC環境卻要復雜的多，所以我們建議設計者要根據環境不同而選擇不同的流量計量技術，安裝簡單未必就能滿足實際的要求，何況安裝的工人未必將設備完全按照設計的位置來架設。
(2)另外的一次測試是確定接近加濕機時哪種設備的效果更好。結果發現溫感設備不受加濕機轉速的影響，而壓感設備無法采集到準確的數據，
4.結束語
設計者在選擇流量計時必須仔細研究測試后的數據才能選擇正確的設備。溫感設備主要是用在管道氣流變化較大的情況，尤其是有渦流的時候，而壓感設備用在長且直的管道內可以獲取更好的信噪比。
由于管道內速度的不斷變化，也造成環境干擾的不斷變化，而速度的變化需要通過多點的數據采集才能獲取準確的數值，永久安裝在管道內的流量計要比我們實驗所測的數據具備更少的隨機誤差。獲取的數據也更可靠。溫感設備由于是單點采集相關位置的流量，相對于壓感設備的陣列式多點采集的均值而言，均值的誤碼要遠遠高于單點獨立采集的數據。
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