楼宇自控系统中两类空气流量计的技术对比
摘要：摘要在楼宇自控系统中采用了大批的流量采集设备，由于采集设备所采用的技术不同，大大影响整个自控系统的效果。文章详细地对目前采集器所采用的温感和压感技术进行分析，为楼宇系统的设计者提供一些参考。
关键词：流量计 温度感应 压力感应
1.引言
笔者在设计嘉汇新城的楼宇自控系统时，发展商提出了一个要求：希望能对业主的房间提供单独的空调流量采集，这样就可以进行独立的计费。因为当初笔者并没有好的思路，也考察了一些楼盘，但关于这部分的做法没有太多可参考之处，致使关于这方面的设计被淘汰。事后笔者专门对这部分的技术进行研究，在HVAC系统中，发现了正确选择空气流量采集设备的重要性。因为技术安装位置、气流比率不同，会对整个系统的运行效果造成巨大的影响。
目前在HVAc系统中最通用的空气流量采集与测量技术主要是：(1)全电子温度感应技术；(2)阵列式压力感应技术。为此，笔者认为全面了解这两个技术的内核对楼宇自控系统的设计者至关重要。
2.空气流量计的演变历史
在气动控制主宰历史的时代，压力式流量计是必然的选择，压力感应管将单点的压力感应换算后直接传给控制主机。但是后来随着变速系统(VAV)的出现，需要大量空气流量测试设备来控制扇体的转速，厂商也意识到单点感应的局限性，进而向阵列式感应方向发展。因为此类设备是通过非线性压力信号的均值来计算采样的，必然有一些误差存在，但是也满足了早期VAV系统的需求。
在80年代中期，随着直接数字控制技术(DDC)逐渐替代传统的气动控制，气流测量需要一些格外的“转换器”将原来的气动信号转换为DDC可识别的电子信号。在压力阵列技术中，由于不同的气压差很小，信号转换中的误差就十分重要，当然这是目前也无法保证的问题之一。
传统的HVAC系统均是为实现基本舒适和温度适宜而设计的，大多数系统额定的气流速率最大是2500Mpm，最小800Mpm。当然也要配置相应粗细的通风管道与气流测量装置。但随着技术的发展，对气流测量的准确度和稳定度均比以往要求的更高，所以新的气流测量技术也就加入到楼宇自控的行列中，最主要的就是采用了温感技术。这样不通过信号转换，温感装置就可通过各个独立的传感器信号直接以线性信号发给中央控制系统，另外温感装置也可以准确的度量到气流从有到无的状态(理论上是如此，但是现实中很少应用)，最后中央控制系统按照各个温感装置提供的平均温度计算出需要控制的参数来实现及时的调节与控制。
3.两种技术之对比
除了温感与压差的测量原理不同外，对实际运行的影响也有很多微妙的因素。
3．1气流波动的影响
气流变化对如下因素影响最大：
(1)各个传感器准确度的影响；
(2)全采样误差的影响；
(3)传感器调校的准确度；
(4)转换器／传输仪调校的准确度；
(5)传感探头的安装位置；
(6)设备长期的稳定性。
风机盘管的各个部分，包括拐弯、接头、扇体、压力机和填充物均会对气流产生特殊的涡流，这对流量设备的测量结果制造了不少的麻烦。当然，这些影响对温感和压感设备也各有不同，下面是一个参考后的数字对比(测量设备由Ebtron公司提供)。
3．1．1对各个传感器准确度的影响
(1)温感设备
在最初测量时，温感设备受盘管的影响最大，尤其是安装在接近混合风口的地方时，计量表经常显示严重错误。这主要是因为温感设备对热传导的感应误差造成的，测试的结果是传感器读到的数字远远高于实际的温度。经过检查发现，主要是温感传感器自己“凉”造成的。后来我们选择了可以自热的传感器，就减少了这一误差。
(2)压感设备
首先看一个公式：
V=(2DP／p)x0．5
V指速度，DP指压差DehaP，p指空气密度。
在大多HVAC系统中，压差相对于总气压是极月的数值，但是最后的信噪比在总气压下波动取样更重要。
例如，一个盘管内有2kPa的总气压，则一个百分比的气压波动将引起相应信噪比为O．05kPa的变化。而当速度在1000Mpm，相应压力达到2．5kPa时，噪音占了全部信号的1／3。结果就是管内的压感设备放大了误码，尤其是在气流低速时更是严重。我们得出结论，在盘管拐弯等风速较底的位置采用压差感应设备是不明智的。经过反复测试结果也是一样的。所以要采用压感设备测量，最好安装在直管的地方。 3．1．2全采样误差
温感和压感均通过速度采样来确定一定体积内的均速。而温感设备是直接测量其速度，压感是通过压力变化来确定当前速度的。这样就有一个问题，放置几个采样点才可以采集到准确的数据呢?温感和压感的采样点又有何不同呢?根据国际标准IS03966建议的压感设备是一个立方的管内至少为25个。而温感则为4-20个点。理论上当然是点越多，测量数据越准确。
(1)温感设备
首先我们在0．1个m。的管道内放置了4个温感设备，经过测量发现温感设备的数量减少一半，相应的误码增加1％。经过对比我们建议一个对应的数据：
大小与密度对应表 表l
管道大小(m。) 温感设备密度(个) ≤0.1 2 0.1-0.4 4 l 8 2 16
(2)压感设备
理论上来讲，在通过压感设备测试平均速度时首I要确定气流的比例。由于各个测试设备的算法差别I会导致测试结果的差别，因为压感设备采取的是多l采集的方式，所以也会得到不同的测试结果。通过以下简单的理论公式也可以证明。
(3)管槽测量
我们首先在一个90。的镀锌弯槽管中进行了测量，其内径约为60cmx60cm，弯管左接一个2．5m的直管，右接一个长度为5m的直管，5m直管前加接一个离心扇，而测量的位置距风扇3．4m。如图。2所示：
我们把风速分别调到lm／min、1．5m／rain、3m／rain、4．5m／min和5．5m／rain，测试结果如下：
我们在安装变速开关的情况下，两者测得的数据相差无几，但是我们在不安装开关的状态下测试，温感设备的变动幅度为10％，而压感变动幅度为50％，这就说明如果在回风管道中安装流量计，由于回风管道没有变速开关，所以建议选择温感设备效果更好。
经过反复测试，发现越接近拐弯的地方，温感的测试效果越好，其实压感设备的误码可以通过公式(1)来证明。
虽然流量计的安装位置可以通过选择使压感设备的测试效果变好，但本次实验仅是在一个管道中进行的，而实际的HVAC环境却要复杂的多，所以我们建议设计者要根据环境不同而选择不同的流量计量技术，安装简单未必就能满足实际的要求，何况安装的工人未必将设备完全按照设计的位置来架设。
(2)另外的一次测试是确定接近加湿机时哪种设备的效果更好。结果发现温感设备不受加湿机转速的影响，而压感设备无法采集到准确的数据，
4.结束语
设计者在选择流量计时必须仔细研究测试后的数据才能选择正确的设备。温感设备主要是用在管道气流变化较大的情况，尤其是有涡流的时候，而压感设备用在长且直的管道内可以获取更好的信噪比。
由于管道内速度的不断变化，也造成环境干扰的不断变化，而速度的变化需要通过多点的数据采集才能获取准确的数值，永久安装在管道内的流量计要比我们实验所测的数据具备更少的随机误差。获取的数据也更可靠。温感设备由于是单点采集相关位置的流量，相对于压感设备的阵列式多点采集的均值而言，均值的误码要远远高于单点独立采集的数据。
关键词：流量计 温度感应 压力感应
1.引言
笔者在设计嘉汇新城的楼宇自控系统时，发展商提出了一个要求：希望能对业主的房间提供单独的空调流量采集，这样就可以进行独立的计费。因为当初笔者并没有好的思路，也考察了一些楼盘，但关于这部分的做法没有太多可参考之处，致使关于这方面的设计被淘汰。事后笔者专门对这部分的技术进行研究，在HVAC系统中，发现了正确选择空气流量采集设备的重要性。因为技术安装位置、气流比率不同，会对整个系统的运行效果造成巨大的影响。
目前在HVAc系统中最通用的空气流量采集与测量技术主要是：(1)全电子温度感应技术；(2)阵列式压力感应技术。为此，笔者认为全面了解这两个技术的内核对楼宇自控系统的设计者至关重要。
2.空气流量计的演变历史
在气动控制主宰历史的时代，压力式流量计是必然的选择，压力感应管将单点的压力感应换算后直接传给控制主机。但是后来随着变速系统(VAV)的出现，需要大量空气流量测试设备来控制扇体的转速，厂商也意识到单点感应的局限性，进而向阵列式感应方向发展。因为此类设备是通过非线性压力信号的均值来计算采样的，必然有一些误差存在，但是也满足了早期VAV系统的需求。
在80年代中期，随着直接数字控制技术(DDC)逐渐替代传统的气动控制，气流测量需要一些格外的“转换器”将原来的气动信号转换为DDC可识别的电子信号。在压力阵列技术中，由于不同的气压差很小，信号转换中的误差就十分重要，当然这是目前也无法保证的问题之一。
传统的HVAC系统均是为实现基本舒适和温度适宜而设计的，大多数系统额定的气流速率最大是2500Mpm，最小800Mpm。当然也要配置相应粗细的通风管道与气流测量装置。但随着技术的发展，对气流测量的准确度和稳定度均比以往要求的更高，所以新的气流测量技术也就加入到楼宇自控的行列中，最主要的就是采用了温感技术。这样不通过信号转换，温感装置就可通过各个独立的传感器信号直接以线性信号发给中央控制系统，另外温感装置也可以准确的度量到气流从有到无的状态(理论上是如此，但是现实中很少应用)，最后中央控制系统按照各个温感装置提供的平均温度计算出需要控制的参数来实现及时的调节与控制。
3.两种技术之对比
除了温感与压差的测量原理不同外，对实际运行的影响也有很多微妙的因素。
3．1气流波动的影响
气流变化对如下因素影响最大：
(1)各个传感器准确度的影响；
(2)全采样误差的影响；
(3)传感器调校的准确度；
(4)转换器／传输仪调校的准确度；
(5)传感探头的安装位置；
(6)设备长期的稳定性。
风机盘管的各个部分，包括拐弯、接头、扇体、压力机和填充物均会对气流产生特殊的涡流，这对流量设备的测量结果制造了不少的麻烦。当然，这些影响对温感和压感设备也各有不同，下面是一个参考后的数字对比(测量设备由Ebtron公司提供)。
3．1．1对各个传感器准确度的影响
(1)温感设备
在最初测量时，温感设备受盘管的影响最大，尤其是安装在接近混合风口的地方时，计量表经常显示严重错误。这主要是因为温感设备对热传导的感应误差造成的，测试的结果是传感器读到的数字远远高于实际的温度。经过检查发现，主要是温感传感器自己“凉”造成的。后来我们选择了可以自热的传感器，就减少了这一误差。
(2)压感设备
首先看一个公式：
V=(2DP／p)x0．5
V指速度，DP指压差DehaP，p指空气密度。
在大多HVAC系统中，压差相对于总气压是极月的数值，但是最后的信噪比在总气压下波动取样更重要。
例如，一个盘管内有2kPa的总气压，则一个百分比的气压波动将引起相应信噪比为O．05kPa的变化。而当速度在1000Mpm，相应压力达到2．5kPa时，噪音占了全部信号的1／3。结果就是管内的压感设备放大了误码，尤其是在气流低速时更是严重。我们得出结论，在盘管拐弯等风速较底的位置采用压差感应设备是不明智的。经过反复测试结果也是一样的。所以要采用压感设备测量，最好安装在直管的地方。 3．1．2全采样误差
温感和压感均通过速度采样来确定一定体积内的均速。而温感设备是直接测量其速度，压感是通过压力变化来确定当前速度的。这样就有一个问题，放置几个采样点才可以采集到准确的数据呢?温感和压感的采样点又有何不同呢?根据国际标准IS03966建议的压感设备是一个立方的管内至少为25个。而温感则为4-20个点。理论上当然是点越多，测量数据越准确。
(1)温感设备
首先我们在0．1个m。的管道内放置了4个温感设备，经过测量发现温感设备的数量减少一半，相应的误码增加1％。经过对比我们建议一个对应的数据：
大小与密度对应表 表l
管道大小(m。) 温感设备密度(个) ≤0.1 2 0.1-0.4 4 l 8 2 16
(2)压感设备
理论上来讲，在通过压感设备测试平均速度时首I要确定气流的比例。由于各个测试设备的算法差别I会导致测试结果的差别，因为压感设备采取的是多l采集的方式，所以也会得到不同的测试结果。通过以下简单的理论公式也可以证明。
(3)管槽测量
我们首先在一个90。的镀锌弯槽管中进行了测量，其内径约为60cmx60cm，弯管左接一个2．5m的直管，右接一个长度为5m的直管，5m直管前加接一个离心扇，而测量的位置距风扇3．4m。如图。2所示：
我们把风速分别调到lm／min、1．5m／rain、3m／rain、4．5m／min和5．5m／rain，测试结果如下：
我们在安装变速开关的情况下，两者测得的数据相差无几，但是我们在不安装开关的状态下测试，温感设备的变动幅度为10％，而压感变动幅度为50％，这就说明如果在回风管道中安装流量计，由于回风管道没有变速开关，所以建议选择温感设备效果更好。
经过反复测试，发现越接近拐弯的地方，温感的测试效果越好，其实压感设备的误码可以通过公式(1)来证明。
虽然流量计的安装位置可以通过选择使压感设备的测试效果变好，但本次实验仅是在一个管道中进行的，而实际的HVAC环境却要复杂的多，所以我们建议设计者要根据环境不同而选择不同的流量计量技术，安装简单未必就能满足实际的要求，何况安装的工人未必将设备完全按照设计的位置来架设。
(2)另外的一次测试是确定接近加湿机时哪种设备的效果更好。结果发现温感设备不受加湿机转速的影响，而压感设备无法采集到准确的数据，
4.结束语
设计者在选择流量计时必须仔细研究测试后的数据才能选择正确的设备。温感设备主要是用在管道气流变化较大的情况，尤其是有涡流的时候，而压感设备用在长且直的管道内可以获取更好的信噪比。
由于管道内速度的不断变化，也造成环境干扰的不断变化，而速度的变化需要通过多点的数据采集才能获取准确的数值，永久安装在管道内的流量计要比我们实验所测的数据具备更少的随机误差。获取的数据也更可靠。温感设备由于是单点采集相关位置的流量，相对于压感设备的阵列式多点采集的均值而言，均值的误码要远远高于单点独立采集的数据。
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