當(dāng)前大口徑通風(fēng)管道的流量測(cè)量主要是從能效、儀表安裝及維護(hù)等方面進(jìn)行充分考慮，保證測(cè)量能夠滿足廠房運(yùn)行要求。按結(jié)構(gòu)，應(yīng)用*為廣泛的是插入式流量?jī)x表和非接觸流量?jī)x表，該類儀表可以*減小管道壓力損失、節(jié)省資源，方便后期設(shè)備維護(hù)。筆者主要探討氣體超聲波流量計(jì)在大口徑通風(fēng)管道流量測(cè)量中的應(yīng)用，內(nèi)容主要在儀表結(jié)構(gòu)與原理分析、儀表技術(shù)發(fā)展及通風(fēng)流量應(yīng)用分析等方面。
1、氣體超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)與原理分析
氣體超聲波流量計(jì)是通過檢測(cè)發(fā)射出的超聲波與接收到的超聲回波信號(hào)間的差異或兩者的時(shí)間差，達(dá)到測(cè)量介質(zhì)流速和流量的目的。目前，氣體超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法有多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法和速度差法。
多普勒效應(yīng)法是超聲波遇到運(yùn)動(dòng)的顆粒反射回波后產(chǎn)生頻率差，進(jìn)而利用該差值間接獲得流量的方法，可用于檢測(cè)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(shí)，流動(dòng)的流體使其發(fā)生偏移，通過檢測(cè)這個(gè)偏移量來檢測(cè)流量，一般用于流速較高的場(chǎng)合。
相關(guān)法是利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)的特點(diǎn)，通過相關(guān)函數(shù)計(jì)算信號(hào)時(shí)間間隔，進(jìn)而獲得流量的方法。該方法運(yùn)算復(fù)雜，要求儀表有較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，但抗擾力強(qiáng)。
噪聲法通過檢測(cè)流體流場(chǎng)自身的噪聲信號(hào)，進(jìn)而得到檢測(cè)流體的流量。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但信號(hào)微弱，抗擾力差，精度低。
速度差法是國(guó)內(nèi)外廠家廣泛采用的方法，市場(chǎng)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(shí)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(zhì)上與時(shí)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(yīng)用，而時(shí)差法超聲波流量計(jì)在大口徑氣體管道流量測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
2、技術(shù)發(fā)展及通風(fēng)流量應(yīng)用分析
氣體超聲波流量計(jì)的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代，德國(guó)學(xué)者Ruttgen提出利用超聲波測(cè)量流量的概念，此后各國(guó)開始了相關(guān)研究，1955年美國(guó)開發(fā)出了第1臺(tái)超聲波流量計(jì)并應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代后，氣體超聲波流量計(jì)的超聲波換能器關(guān)鍵技術(shù)得到快速發(fā)展，使得氣體超聲波流量計(jì)逐漸在市場(chǎng)中廣泛應(yīng)用。目前，世界上研究和生產(chǎn)氣體超聲波流量計(jì)處于技術(shù)*地位的公司仍然集中在美國(guó)、日本、德國(guó)及英國(guó)等，他們的產(chǎn)品代表和*了氣體超聲波檢測(cè)技術(shù)的水平和趨勢(shì)。
相比而言，我國(guó)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的研究起步較晚，20世紀(jì)60年代中期，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所開發(fā)了適用于水電站的特大口徑液體超聲波流量計(jì)，后來北京大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)也陸續(xù)開展了相關(guān)研究，在大口徑液體管道測(cè)量方面有了長(zhǎng)足進(jìn)步。但氣體超聲和液體超聲相比，存在信號(hào)衰減大、信噪比低、噪聲干擾嚴(yán)重及聲透射不穩(wěn)定等一系列不利因素，因此在液體超聲中取得的信號(hào)處理方式無法適用于氣體超聲波流量計(jì)，國(guó)內(nèi)一度沒有可以采購的氣體超聲波流量計(jì)。直到2002年，上海中和維思儀器儀表有限公司聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)承擔(dān)了氣體超聲波流量計(jì)的研制工作，于2005年取得樣機(jī)認(rèn)證，成為國(guó)內(nèi)*生產(chǎn)和銷售氣體超聲波流量計(jì)的企業(yè)。
正是由于氣體超聲波流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、無可動(dòng)部件、非接觸安裝、雙向測(cè)量、重復(fù)性好及無壓損等眾多優(yōu)點(diǎn)，適合于大口徑通風(fēng)氣體管道的檢測(cè)，使得國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者及廠家在不斷地攻克各項(xiàng)技術(shù)難關(guān)。目前，氣體超聲波流量計(jì)已經(jīng)日趨成熟，多個(gè)*和國(guó)際組織先后發(fā)布了超聲波流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我國(guó)于2001年發(fā)布了GB/T18604—2014《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，2007年發(fā)布了JJG 1030—2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》。正由于超聲波流量計(jì)具有的精度高、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類貿(mào)易交接計(jì)量業(yè)務(wù)中。
在進(jìn)行大口徑通風(fēng)管道流量測(cè)量時(shí)，對(duì)于通風(fēng)管道流場(chǎng)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(bǔ)其檢測(cè)精度不足的缺點(diǎn)。但由于氣體超聲波流量計(jì)的技術(shù)門檻高，使得該類儀表相比其他類型的流量計(jì)價(jià)格較高，限制了它的廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外各公司和研究機(jī)構(gòu)在氣體超聲波流量計(jì)領(lǐng)域的研究方向主要集中在以下方面：
a. 準(zhǔn)確獲取傳感器的微弱信號(hào)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使信號(hào)干擾加大，需要準(zhǔn)確獲得有效檢測(cè)信號(hào)。
b. 提高接收信號(hào)時(shí)間的準(zhǔn)確性。超聲波檢測(cè)信號(hào)為納秒級(jí)，需要及時(shí)對(duì)接收到的超聲波信號(hào)準(zhǔn)確判別是否為第1波，并對(duì)丟波情況設(shè)計(jì)處理方案。
c. 處理超聲回波信號(hào)。超聲波傳感器高輸入阻抗的結(jié)構(gòu)決定了信號(hào)耦合和放大過程的干擾程度，因此需要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)調(diào)理進(jìn)行研究。