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)用最為廣泛的是插入式流量?jī)x表和非接觸流量?jī)x表，該類儀表可以最大程度減小管道壓力損失、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(guò)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(guò)檢測(cè)這個(gè)偏移量來(lái)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(guò)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，但抗干擾能力強(qiáng)。

噪聲法通過(guò)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，抗干擾能力差，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)占有率較高，該方法是利用超聲波在流體傳播順流與逆流的速度差來(lái)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(wú)法克服流體溫度變化帶來(lái)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(lái)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首次提出利用超聲波測(cè)量流量的概念，此后各國(guó)開(kāi)始了相關(guān)研究，1955年美國(guó)開(kāi)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)領(lǐng)先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)品代表和引領(lǐng)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(kāi)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(lái)北京大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)也陸續(xù)開(kāi)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(wú)法適用于氣體超聲波流量計(jì)，國(guó)內(nèi)一度沒(méi)有可以采購(gòu)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)首家生產(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(wú)可動(dòng)部件、非接觸安裝、雙向測(cè)量、重復(fù)性好及無(wú)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)國(guó)家和國(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(guò)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(guò)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。