氣體超聲波流量計在大口徑通風管道流量測量中的應用

當前大口徑通風管道的流量測量主要是從能效、儀表安裝及維護等方面進行充分考慮，保證測量能夠滿足廠房運行要求。按結構，應用*為廣泛的是插入式流量儀表和非接觸流量儀表，該類儀表可以*減小管道壓力損失、節省資源，方便后期設備維護。筆者主要探討氣體超聲波流量計在大口徑通風管道流量測量中的應用，內容主要在儀表結構與原理分析、儀表技術發展及通風流量應用分析等方面。
1、氣體超聲波流量計結構與原理分析
氣體超聲波流量計是通過檢測發射出的超聲波與接收到的超聲回波信號間的差異或兩者的時間差，達到測量介質流速和流量的目的。目前，氣體超聲波流量計的測量方法有多普勒效應法、波束偏移法、相關法、噪聲法和速度差法。
多普勒效應法是超聲波遇到運動的顆粒反射回波后產生頻率差，進而利用該差值間接獲得流量的方法，可用于檢測含有懸浮粒子或氣泡的流體。
波束偏移法是超聲波在垂直于流體方向傳輸時，流動的流體使其發生偏移，通過檢測這個偏移量來檢測流量，一般用于流速較高的場合。
相關法是利用信號周期性和噪聲隨機的特點，通過相關函數計算信號時間間隔，進而獲得流量的方法。該方法運算復雜，要求儀表有較強的運算處理能力，但抗擾力強。
噪聲法通過檢測流體流場自身的噪聲信號，進而得到檢測流體的流量。該方法結構簡單，但信號微弱，抗擾力差，精度低。
速度差法是國內外廠家廣泛采用的方法，市場較高，該方法是利用超聲波在流體傳播順流與逆流的速度差來求取流速或者流量，分為時差法、相位差法和頻差法3種，其中相位差法和頻差法在本質上與時差法是一致的，目前這兩種方法由于無法克服流體溫度變化帶來的誤差已逐漸較少應用，而時差法超聲波流量計在大口徑氣體管道流量測量領域的應用越來越廣泛。
2、技術發展及通風流量應用分析
氣體超聲波流量計的研究可以追溯到20世紀30年代，德國學者Ruttgen提出利用超聲波測量流量的概念，此后各國開始了相關研究，1955年美國開發出了第1臺超聲波流量計并應用于工業領域。隨著微電子技術和信號處理技術的發展，20世紀70年代后，氣體超聲波流量計的超聲波換能器關鍵技術得到快速發展，使得氣體超聲波流量計逐漸在市場中廣泛應用。目前，世界上研究和生產氣體超聲波流量計處于技術*地位的公司仍然集中在美國、日本、德國及英國等，他們的產品代表和*了氣體超聲波檢測技術的水平和趨勢。
相比而言，我國對氣體超聲波流量計的研究起步較晚，20世紀60年代中期，上海工業自動化儀表研究所開發了適用于水電站的特大口徑液體超聲波流量計，后來北京大學等高校和科研機構也陸續開展了相關研究，在大口徑液體管道測量方面有了長足進步。但氣體超聲和液體超聲相比，存在信號衰減大、信噪比低、噪聲干擾嚴重及聲透射不穩定等一系列不利因素，因此在液體超聲中取得的信號處理方式無法適用于氣體超聲波流量計，國內一度沒有可以采購的氣體超聲波流量計。直到2002年，上海中和維思儀器儀表有限公司聯合同濟大學承擔了氣體超聲波流量計的研制工作，于2005年取得樣機認證，成為國內*生產和銷售氣體超聲波流量計的企業。
正是由于氣體超聲波流量計具有準確度高、無可動部件、非接觸安裝、雙向測量、重復性好及無壓損等眾多優點，適合于大口徑通風氣體管道的檢測，使得國內外研究學者及廠家在不斷地攻克各項技術難關。目前，氣體超聲波流量計已經日趨成熟，多個*和國際組織先后發布了超聲波流量計的標準規范，我國于2001年發布了GB/T18604—2014《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》，2007年發布了JJG 1030—2007《超聲波流量計檢定規程》。正由于超聲波流量計具有的精度高、適用性強等優點，已經廣泛應用于各類貿易交接計量業務中。
在進行大口徑通風管道流量測量時，對于通風管道流場分布不均的情況，可通過增加超聲通道的方式在一定程度上彌補其檢測精度不足的缺點。但由于氣體超聲波流量計的技術門檻高，使得該類儀表相比其他類型的流量計價格較高，限制了它的廣泛應用。目前，國內外各公司和研究機構在氣體超聲波流量計領域的研究方向主要集中在以下方面：
a. 準確獲取傳感器的微弱信號。工業現場環境使信號干擾加大，需要準確獲得有效檢測信號。
b. 提高接收信號時間的準確性。超聲波檢測信號為納秒級，需要及時對接收到的超聲波信號準確判別是否為第1波，并對丟波情況設計處理方案。
c. 處理超聲回波信號。超聲波傳感器高輸入阻抗的結構決定了信號耦合和放大過程的干擾程度，因此需要進一步對信號調理進行研究。