當前大口徑通風(fēng)管道的流量測量主要是從能效、儀表安裝及維護等方面進(jìn)行充分考慮，保證測量能夠滿(mǎn)足廠(chǎng)房運行要求。按結構，應用最為廣泛的是插入式流量?jì)x表和非接觸流量?jì)x表，該類(lèi)儀表可以最大程度減小管道壓力損失、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(fēng)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(shù)發(fā)展及通風(fēng)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(guò)檢測發(fā)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(shí)間差，達到測量介質(zhì)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(guān)法、噪聲法和速度差法。

多普勒效應法是超聲波遇到運動(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)檢測這個(gè)偏移量來(lái)檢測流量，一般用于流速較高的場(chǎng)合。

相關(guān)法是利用信號周期性和噪聲隨機的特點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)函數計算信號時(shí)間間隔，進(jìn)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，但抗干擾能力強。

噪聲法通過(guò)檢測流體流場(chǎng)自身的噪聲信號，進(jìn)而得到檢測流體的流量。該方法結構簡(jiǎn)單，但信號微弱，抗干擾能力差，精度低。

速度差法是國內外廠(chǎng)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用，而時(shí)差法超聲波流量計在大口徑氣體管道流量測量領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。

2、技術(shù)發(fā)展及通風(fēng)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(xué)者Ruttgen首次提出利用超聲波測量流量的概念，此后各國開(kāi)始了相關(guān)研究，1955年美國開(kāi)發(fā)出了第1臺超聲波流量計并應用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著(zhù)微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，20世紀70年代后，氣體超聲波流量計的超聲波換能器關(guān)鍵技術(shù)得到快速發(fā)展，使得氣體超聲波流量計逐漸在市場(chǎng)中廣泛應用。目前，世界上研究和生產(chǎn)氣體超聲波流量計處于技術(shù)領(lǐng)先地位的公司仍然集中在美國、日本、德國及英國等，他們的產(chǎn)品代表和引領(lǐng)了氣體超聲波檢測技術(shù)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(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，后來(lái)北京大學(xué)等高校和科研機構也陸續開(kāi)展了相關(guān)研究，在大口徑液體管道測量方面有了長(cháng)足進(jìn)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(wú)法適用于氣體超聲波流量計，國內一度沒(méi)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(lián)合同濟大學(xué)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，成為國內首家生產(chǎn)和銷(xiāo)售氣體超聲波流量計的企業(yè)。

正是由于氣體超聲波流量計具有準確度高、無(wú)可動(dòng)部件、非接觸安裝、雙向測量、重復性好及無(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，使得國內外研究學(xué)者及廠(chǎng)家在不斷地攻克各項技術(shù)難關(guān)。目前，氣體超聲波流量計已經(jīng)日趨成熟，多個(gè)國家和國際組織先后發(fā)布了超聲波流量計的標準規范，我國于2001年發(fā)布了GB/T18604—2014《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》，2007年發(fā)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(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應用于各類(lèi)貿易交接計量業(yè)務(wù)中。

在進(jìn)行大口徑通風(fēng)管道流量測量時(shí)，對于通風(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其檢測精度不足的缺點(diǎn)。但由于氣體超聲波流量計的技術(shù)門(mén)檻高，使得該類(lèi)儀表相比其他類(lèi)型的流量計價(jià)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(lǐng)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(yè)現場(chǎng)環(huán)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(shí)間的準確性。超聲波檢測信號為納秒級，需要及時(shí)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(guò)程的干擾程度，因此需要進(jìn)一步對信號調理進(jìn)行研究。