夹钳式流量传感器 为什么时差式的外夹式超声波流量计抗干扰能力强？

为什么时差式的外夹式超声波流量计抗干扰能力强？

外夹式超声波流量计 ，可以在管外（非侵入式） 丈量液体流量。仪器操作简略，只需按菜单提示操作并进行一些简略设置，就可为用户提供给快速、准确的流量丈量。仪器结构紧凑、健壮、牢靠，我司生产的外夹式超声波流量计产品在工业环境也能供给安稳的功能，给广大用户带来计量上的极大方便。

外夹式超声波流量计

作业原理是外夹式超声波流量计 是一种时差式的超声波流量计，用夹钳式传感器获取信号，可准确丈量封闭管内的液体流量，而无需向管壁中刺进任何机械部件或侵入到液体活动体系中。丈量只需几分钟装置，无需封闭流量或排出管内液体。当超声波在两个传感器之间传达时，超声波的传达速度在经过液体时被在管中活动的液体流速而细微加快，这种时差式作业原理抗干扰能力相对较强，是因为针对时差法外夹式超声波流量计时间测量精度高，所以生产的外夹式超声波流量计精度高而且非常受欢迎。

外夹式超声波流量计探头

当超声波传达的方向与液体流速相反时，液体的流速会引起超声波的减速。两者之间的时间差刚好与管中的流速成正比。在丈量完流速后，假如知道。管道的截面积，就可以容易地计算出流量值。

外夹式超声波流量计安装主机

外夹式超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。

质子治疗设备的工艺冷却水系统建设实践

工艺冷却水系统回路

质子治疗设备是将氢离子在加速器内加速到一定能量后，通过束流线磁铁将其引入治疗室辐照患者肿瘤病灶的先进医疗器械，其中加速器、磁铁以及一些电气柜的发热量大，且对温度比较敏感，因此须要使用工艺冷却水系统进行降温。

在质子治疗设备厂家提供的建筑接口文件（BID）中，根据系统功能及设备分布区域将工艺冷却水系统划分成多个回路，同时对不同回路的相关参数，如带热负载的能力、压力、温度、pH 值、流量、电导率等提出要求。

我院的工艺冷却水系统采用了常用的双循环冷却方式：一次循环冷却水与质子治疗设备直接接触，带走热功耗，并通过板式换热器将热量传递给二次循环水，再用冷冻机组带走热量。

工艺冷却水系统的主冷源由负二层的冷冻机组提供，其还负责全院空调设备的制冷，包含 3 台电动变频离心式冷水机组，单台制冷量为 1582 kW，其出水温度一般设为 7℃。主热源由顶楼屋面的两台两管制风冷热泵提供，单台制热量为 500 kW，出水温度设定为 45℃ 。

我院配备的质子加速器、束流线磁铁、旋转机架等设备位于负一层，射频放大机柜及主要电源电柜位于一层，工艺冷却水设备也位于一层，分为以下几个回路：

回路 1（Loop1）连接加速器和磁铁，回路总发热量为 551.1 kW，其中加速器为 150 kW、磁铁为401.1 kW。回路 1 的设计压力为 1.0 MPa，冷水供应温度为 28 。由于加速器待机维护时须要加热腔体，热负荷约为 262 kW，目的是在恢复出束时使系统更快达到稳定状态，因此加速器须配置制热与制冷两种模式。设计时从回路 1 为加速器分出一个独立支路，即回路 1A（Loop1A），回路 1A 上设置提高水温的热交换器，热水供应温度根据稳定性调试经验设定在 34℃ 。加速器恢复出束后须要切换为制冷模式。回路 1 与 1A 之间的管路通过三通阀进行流量及水温调节。

回路 2 （Loop2）为射频放大机柜、超导磁铁电源柜以及束流线磁铁电源柜降温，热负荷约为 337.6 kW。回路设计压力为 0.8 MPa，冷水供应温度＜ 24℃ 。

回路 3 和回路 4 为制冷压缩机降温，热负荷约为 36 kW。回路 3 和回路 4 互为备用，主冷源来自医院空调冷冻机组，设置了涡旋式两管制风冷热泵（78 kW）作为备用冷源。制冷压缩机必须全年不间断运行，一旦停机，超导磁体腔内的液氦会不断挥发到外界，严重时可导致磁体失超、加速器损坏，造成巨大的经济损失，因此特别配置了备用回路以保证制冷要求。主用、备用冷源各设置了电磁阀用于隔离。然而后来发现这种设计存在缺陷：两组冷源的调试和切换极其不方便。优化的方案是两个回路分别独立使用一组冷源。回路设计压力为 0.69 MPa，冷水供应温度＜ 24℃ 。

每个回路的主要部件（如水泵）都采用主用 + 备用的配置。工艺冷却水回路的管路材料均为 S31603不锈钢，且在辐射区域管路的连接处并没有使用生料带作为密封辅料，而是用抗辐射的密封胶代替。

该系统还配备了专用纯水产水系统以及纯水补水系统，纯水产水量为 4 t/h，补水系统通过监测工艺冷却水系统各回路的回水压力进行实时补水。

工艺冷却水系统关键参数分析

（一）水质

水质类型可分为去离子水和自来水。首次注入去离子水时其电导率应小于 1 µS/cm，后期维护中电导率＜ 10 µS/cm，其 pH 值为 7.5~8.5。去离子水适用于流经辐射区域以及带电的回路，以避免活化或者漏水引发短路事故，如回路 1 和回路 2 ；其他两条回路使用自来水即可。

对于去离子水的供应，可以直接购买符合要求的工业纯水，不推荐单独配置一套纯水制水系统。这是因为工艺冷却水系统由一套封闭的管路组成，运行时基本不消耗水量，因此补水频率较低，仅在质子治疗设备维护、维修时才须要向回路中补水。

虽然回路 1 和回路 2 使用了去离子水，但由于去离子水流经一些纯铜部件时，水中溶解的氧气会不断腐蚀这些部件，不可避免地导致铜离子进入水中并引起电导率升高，甚至造成水管中出现非常严重的铜锈覆盖现象，因此非常有必要在循环水路中设置除氧装置和离子交换柱，以稳定电导率。除氧装置定期向管道中加入适量除氧剂，以降低水中溶解氧的含量，但同时应注意确保电导率在允许范围内。离子交换柱的进出口均配置精密滤网（我院采用的进水端滤网筛孔为 5 µm、出水口滤网筛孔为 1 µm），以避免水中杂质对交换树脂的破坏。交换树脂应定期更换。

由于整条回路的管道长、焊接点众多，循环水长期冲刷使不稳定的焊渣脱落，再加上更换阀门等部件时可能混入杂质，有必要将过滤系统串联到回路中，对回路的水不断地进行过滤，否则杂质一旦进入质子治疗设备中造成水路堵塞，或者依附于导热体表面降低散热效率，将造成极其严重的后果。推荐使用 295~150 目（对应的筛孔为 50~100 µm）或者筛孔更小的滤网，如果使用高精细滤网，建议在其前端串联低精细滤网用于保护，实际使用经验表明如此设置是必要的。

质子治疗系统运行时，回路 1 的去离子水将被轻微活化。根据现场测量的结果，当加速器的束流强度达到 500 nA 时，工艺冷却水机房回水管道上的剂量率为 4.81 µSv/h。考虑到剂量仪与管道间有约 5 cm厚的保温棉及一层金属防护罩，实际活化率应更高。因此，建议工作人员在进入工艺冷却水机房前佩戴电子个人剂量计以实时监控辐射剂量，必要时采取防护措施，系统维护时排出的废水须要先排入衰变池，待活度衰减后再排放。

（ 二 ）水温

尽管建筑接口文件里冷却水温度的允许容差较大（最高 ±2℃ ），但在实际调试中发现，加速器对水温的敏感度非常高，如果温度波动过大，将极大地影响加速器内的束流品质和引出效率。我院对加速器进行了多次调试，得出的结论是：当供水温度在 28±1℃ 时效果最佳。

在设计时，应尽量选用换热量高、传热系数大、阻力小的换热器。同样，为避免水中杂质降低换热效率，在进水口前端设置滤网也是非常必要的。

工艺冷却水系统的二次侧（冷源侧）流量阀应开合灵活，以便迅速应对不同工况的热负载、保持水温的稳定。

在回水端加设闭式缓冲水箱，可降低回水温度升降速率，结合水系统控制程序的优化，可更好地提供稳定的水温输出。

（ 三 ）供水压力

通常情况下，工艺冷却水系统的控制方式为稳压控制，即供水管输出压力固定。建筑接口文件里一般会明确最高供水压力，实际使用时建议在该参考值的基础上降低 0.05~0.1 MPa，可更好地保护末端连接处，避免过压造成破裂。

各水管支路连接的质子治疗设备仅配置了温度及水流量传感器，并不关注水压大小，但水压的变化直接影响着水流量的变化，这点将在下文中着重解释，因此记录管路中水压的变化对于分析工艺冷却水系统的运行状况也是至关重要的。在设计时，应注意主要管路上不要遗漏压力传感器。

此外，我院在调试中发现，一旦快速开合某条大流量支路的主阀，主管道的回水压力将急剧下降，须经过几十秒才能恢复。这是由于我院按照建筑接口文件的要求配置了能快速通断水流的蝶阀，但这种快速开合动作造成了水压骤减，在一定程度上损害了水泵的使用寿命。在设计时应当避免生搬硬套，可以应用闸阀来缓解阀门启闭时造成的水压振荡。

（ 四 ）水流量

上文提到，需要水冷的质子治疗设备上都配置了水流量传感器，即每条水管支路都有相应的流量要求，各回路中的水流量应当得到精确测量。

夹钳式超声波流量传感器虽然安装方便，但是在实际应用中易受到水体内大气泡的影响，造成水流量显示数值波动，严重时会导致系统误判而触发停机。建议使用精度更高、稳定性更好的涡轮流量计，但是须要注意这种流量计的安装与将来的维护问题。由于有两条回路都采用了去离子水，因此不能采用电磁式流量计。

早期的水平衡调节可通过调整每条支路的供水端上的平衡阀开度大小来实现，但这仅是一个无负载的流量状态。质子治疗设备运行时，其高功耗部件会产生大量的热量，传导给冷却水后，水温升高会引起封闭管路的压力升高，即导致回水压力升高。由于工艺冷却水系统的供水压力固定，质子治疗设备两端的压差将减小，进而引起通过的水流量降低。当流量降低到系统报警阈值时，会触发某些部件的水流量安全联锁，最终导致质子治疗设备停机。

针对补偿压差损失，不推荐增大供水压力的方案，因为这样不仅会加大水泵的功率、引发过载风险，还可能造成终端过压、接口破裂。我院在回水端配置了定压补水装置，以进行压力缓冲、减少回水压力波动带来的影响，效果非常明显，回路中水流量值相对稳定。

（ 五 ）系统参数监控

由于工艺冷却水系统的运行状态直接影响着质子治疗设备的稳定性，甚至对某些部件产生不可逆的损害，因此必须建立完善的运行数据监测系统，以便记录设备运行状态，为今后大数据分析和物联网应用打下基础。

在有条件的情况下，可建立科学的故障自动检测、识别模型，结合大数据分析，自动给出处理建议及应急办法。任何重要参数的失常都应当被立即发现并发出警报，以便相关技术人员及时处理。建议在设计时便考虑将警报接入 24 小时值班的场所，必要时加入短信、电话通知等实时的报警措施。

对于工艺冷却水系统的设计，首先须要了解质子治疗设备运行的特点，例如切换治疗室时热负载的瞬时升高、冷却水直接接触纯铜部件导致的电导率缓慢上升、加速器温度漂移导致的束流品质下降等等，这就要求设计人员与质子治疗设备厂商密切合作，同时也可参考相关项目的经验，最终确保工艺冷却水系统的稳定运行。

刘胜文 袁晓刚 谢树青 钱朝南

广州泰和肿瘤医院

来源：《中国医院建筑与装备》2022年第10期

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