气体超声波流量计在大口径通风管道流量测量中的应用

当前大口径通风管道的流量测量主要是从能效、仪表安装及维护等方面进行充分考虑，保证测量能够满足厂房运行要求。按结构，应用最为广泛的是插入式流量仪表和非接触流量仪表，该类仪表可以最大程度减小管道压力损失、节省资源，方便后期设备维护。笔者主要探讨气体超声波流量计在大口径通风管道流量测量中的应用，内容主要在仪表结构与原理分析、仪表技术发展及通风流量应用分析等方面。

1、气体超声波流量计结构与原理分析 

气体超声波流量计是通过检测发射出的超声波与接收到的超声回波信号间的差异或两者的时间差，达到测量介质流速和流量的目的。目前，气体超声波流量计的测量方法有多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法和速度差法。 

多普勒效应法是超声波遇到运动的颗粒反射回波后产生频率差，进而利用该差值间接获得流量的方法，可用于检测含有悬浮粒子或气泡的流体。

波束偏移法是超声波在垂直于流体方向传输时，流动的流体使其发生偏移，通过检测这个偏移量来检测流量，一般用于流速较高的场合。 

相关法是利用信号周期性和噪声随机的特点，通过相关函数计算信号时间间隔，进而获得流量的方法。该方法运算复杂，要求仪表有较强的运算处理能力，但抗干扰能力强。 

噪声法通过检测流体流场自身的噪声信号，进而得到检测流体的流量。该方法结构简单，但信号微弱，抗干扰能力差，精度低。

速度差法是国内外厂家广泛采用的方法，市场占有率较高，该方法是利用超声波在流体传播顺流与逆流的速度差来求取流速或者流量，分为时差法、相位差法和频差法3种，其中相位差法和频差法在本质上与时差法是一致的，目前这两种方法由于无法克服流体温度变化带来的误差已逐渐较少应用，而时差法超声波流量计在大口径气体管道流量测量领域的应用越来越广泛。

2、技术发展及通风流量应用分析 

气体超声波流量计的研究可以追溯到20世纪30年代，德国学者Ruttgen首次提出利用超声波测量流量的概念，此后各国开始了相关研究，1955年美国开发出了第1台超声波流量计并应用于工业领域。随着微电子技术和信号处理技术的发展，20世纪70年代后，气体超声波流量计的超声波换能器关键技术得到快速发展，使得气体超声波流量计逐渐在市场中广泛应用。目前，世界上研究和生产气体超声波流量计处于技术领先地位的公司仍然集中在美国、日本、德国及英国等，他们的产品代表和引领了气体超声波检测技术的水平和趋势。

相比而言，我国对气体超声波流量计的研究起步较晚，20世纪60年代中期，上海工业自动化仪表研究所开发了适用于水电站的特大口径液体超声波流量计，后来北京大学等高校和科研机构也陆续开展了相关研究，在大口径液体管道测量方面有了长足进步。但气体超声和液体超声相比，存在信号衰减大、信噪比低、噪声干扰严重及声透射不稳定等一系列不利因素，因此在液体超声中取得的信号处理方式无法适用于气体超声波流量计，国内一度没有可以采购的气体超声波流量计。直到2002年，上海中和维思仪器仪表有限公司联合同济大学承担了气体超声波流量计的研制工作，于2005年取得样机认证，成为国内首家生产和销售气体超声波流量计的企业。 

正是由于气体超声波流量计具有准确度高、无可动部件、非接触安装、双向测量、重复性好及无压损等众多优点，适合于大口径通风气体管道的检测，使得国内外研究学者及厂家在不断地攻克各项技术难关。目前，气体超声波流量计已经日趋成熟，多个国家和国际组织先后发布了超声波流量计的标准规范，我国于2001年发布了GB/T18604—2014《用气体超声波流量计测量天然气流量》，2007年发布了JJG 1030—2007《超声波流量计检定规程》。正由于超声波流量计具有的精度高、适用性强等优点，已经广泛应用于各类贸易交接计量业务中。

在进行大口径通风管道流量测量时，对于通风管道流场分布不均的情况，可通过增加超声通道的方式在一定程度上弥补其检测精度不足的缺点。但由于气体超声波流量计的技术门槛高，使得该类仪表相比其他类型的流量计价格较高，限制了它的广泛应用。目前，国内外各公司和研究机构在气体超声波流量计领域的研究方向主要集中在以下方面：

a. 准确获取传感器的微弱信号。工业现场环境使信号干扰加大，需要准确获得有效检测信号。

b. 提高接收信号时间的准确性。超声波检测信号为纳秒级，需要及时对接收到的超声波信号准确判别是否为第1波，并对丢波情况设计处理方案。 

c. 处理超声回波信号。超声波传感器高输入阻抗的结构决定了信号耦合和放大过程的干扰程度，因此需要进一步对信号调理进行研究。