CN101793908A - 超声波烟气流速计量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用超声波来测量烟气流量的超声波烟气流速计量仪，主要应用于烟道中烟气流量的测量，包括：在烟气流路中形成超声波传播路径而配置的超声波收发器5、6；驱动超声波收发器5、6收发超声波并计算、输出烟气流速的控制电路。通过将超声波收发器5、6安装与烟道内，通过控制电路检测超声波收发器5、6的超声波的双向传播时间差，来测量流体的流量。

Description

超声波烟气流速计量仪

技术领域

本发明涉及一种采用超声波来测量烟气流量的超声波烟气流速计量仪，应用在环保监测行业中。

技术背景

目前大多应用在热力厂和发电厂的CEMS系统中，对于烟气流速的检测方法主要有：皮托管、热式气体流量计等方法。

皮托管气体流量计的原理为：通过测量压力来测量流速，操作时将测速管放置在烟道内中心位置，使管口与烟气流速方向垂直，测得该位置上的动压与静压之差，从而根据公式V＝(2Δp/p)1/2计算出该点的流速。

存在问题：为实现流速的测量，仪表需配备压差变送器，尤其是在小流速(10m/s)的测量，由于皮托管产生的压力很小，故对于低流速的测量，皮托管气体流量计有其自身的弊端：精度差，不能测低速烟气，经常堵塞。

热式气体流量计的原理为：利用热传导原理检测流量，即通过流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量。测量公式为P/ΔT＝A十B(Q)m，其中A，B是与气体物理性质有关的常数。从上述公式可以看出：加热功率与热源的温度差的比值可以得出质量流量Q。在实际应用中，我们把加热功率P或温度差ΔT的任一参数固定来测量流体的质量。

存在问题：热式气体流量计的响应速度相对较长，不同气体的成分及密度不同，对测量现场气体成分无法准确测定，影响测量精度。

针对上述流量计的缺点，本发明涉及将两个超声波收发器分别设置在被测烟气的上风侧和下风侧、通过从一个超声波收发器发送超声波由另一个超声波收发器接收而测量烟气流量的超声波流速计量仪。超声波流速计量仪具有响应快，测量范围广等优点。

附图说明：

图1是超声波烟气流速计量仪安装于烟道效果图

图2是超声波烟气流速计量仪的外观结构图

图3是超声波信号的激发电路

图4是超声波信号的检测电路

图5是模拟开关电路

图中：1、烟道，2、法兰盘，3、超声波烟气流速计量仪4、旋转支架，5、超声波收发器，6、超声波收发器，7、支架，8、法兰，9、控制盒，10、螺丝。

具体实施方式：

下面，参照附图说明本发明的实施。

如图1中的法兰盘2将该法兰盘固定在烟道1上，通过法兰盘2将图2所示的超声波流量计的法兰8固定。安装时卸下螺丝10，此时可移动支架7，从而旋转支架4，使得超声波收发器5、6之间距离减小，可通过图1所示法兰的中心孔，将超声波收发器5、6插入烟道内部后，移动支架7，安装上螺丝10，从而固定超声波收发器5、6之间的距离L不变。再用螺丝将超声波流量计的法兰8与法兰盘2连接，从而固定超声波收发器5、6之间的长度方向与烟气流速方向成固定角度θ(一般选为0°)。

下面，就现有技术的超声波流量计的构造及其测量原理进行说明。

超声波流量计由两个超声波收发器及控制电路构成。控制电路通过产生40kHz的电信号激发超声波收发器产生超声波，当超声波收发器接收到超声波信号后又产生电信号，控制电路通过软件记录一个超声波收发器发送超声波时间及检测到另一个超声波收发器接收到超声波信号来计算超声波的顺逆风时间t₁，t₂。本发明控制电路的超声波激发电路及超声波信号检测电路如图3、4、5所示。

如图3为超声波信号的激发电路，该电路通过为超声波收发器提供30V激励电压，从而提高超声波收发器发送超声波信号的能量。

如图4为超声波信号的检测电路，该电路采用多级放大对超声波输入信号进行检测。

如图5在超声波信号激发电路及超声波信号检测电路中采用模拟开关，其极低的输入失调电压温漂系数非常适合于高阻抗小幅值信号源，从而保证超声波信号检测。

两个超声波收发器分别起发送器和接收器的功能，就是说，当一方超声波收发器作为发送器使用时，另一方作为接收器使用。并两个超声波收发器之间所形成的超声波传播路径与流体的流动方向成θ角。

当超声波顺流体流动方向前进，其速度就变快，相反，当超声波沿逆着流体流动方向前进，其速度就变慢。因此，由两个超声波收发器收发超声波传输的时间差，可以求出流体的速度。另外，还可以根据通过流路的截面积求出瞬时流量。

根据上述原理，以下说明本超声波流量计的具体实现及其测量方法。

将超声波流速计量仪插入烟道内部，通过图1所示法兰盘将流量计安装于烟道的管壁上，其中超声波收发器5与超声波收发器6之间的距离恒定为L，此时超声波收发器5、6长度方向与烟气流速方向的夹角为θ，在烟气无流速状态下超声波在被测烟气中的传播速度为声速C，被测流体的流速为V，则从超声波收发器5发射的超声波在被测烟气中传播并由超声波接收器6所接收的播放时间t₁可以表示为下式。

$C+V\cos \mathrm{\θ}=\frac{L}{t_1}$ (式1)

同样，从超声波收发器6发射的超声波在被测烟气中传播并由超声波收发器5所接收的传播时间t₂可以表示为下式。

$C-V\cos \mathrm{\θ}=\frac{L}{t_2}$ (式2)

从上述两式消去被测烟气的声速C，则可得到下式。

$\frac{L}{t_1}-\frac{L}{t_2}=2V\cos \mathrm{\θ}$ (式3)

由上式可以求出被测烟气的流速V为

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$ (式4)

由于在上式中不包含被测烟气中的声速C，所以，可以与被测烟气的物质无关的求出烟气流速V，从而可以根据得到的烟气流速V和烟气外壁管径的截面积得出流量。

Claims (5)

1.一种烟气流速计量仪器，其特征在于：使在烟气的通路中形成超声波传播路径而配置的超声波收发器5、6；驱动上述超声波收发器5、6收发超声波信号并进行流速计算、输出的控制电路；安装上述控制电路的控制盒9；安装超声波收发器和安装信号线的支架7；安装超声波流量计的法兰8。

2.如权利要求1中所述其特征在于：烟气流速计量仪器，其特征在于：具有测量烟气流速而配置的超声波收发器5、6，上述超声波收发器具有向相对一方的超声波收发器进行收发超声波，并将声波信号转换为电信号的功能。

3.如权利要求1、2中所述其特征在于：烟气流速计量仪器，其特征在于：具有测量烟气流速而配置的超声波收发器5、6，上述超声波收发器通过导线经支架7连接至控制盒9内的控制电路，该控制电路产生40kHz的电信号激发超声波收发器5、6发出超声波信号，并通过检测超声波收发器5、6接收到超声波信号产生的电信号来计算超声波收发器发送超声波到对方收到该超声波信号的时间t₁，t₂。

4.如权利要求1中所述其特征在于：超声波烟气流速计量仪器，其特征在于：具有安装于烟气管道上的法兰盘2，及固定流量计于烟道上的法兰8，保证超声波收发器5、6的长度方向与烟气流速方向成固定角度θ。

5.如权利要求3、4所述其特征在于：超声波烟气流速计量仪器，具有控制电路板，通过所述控制电路所记录的超声波收发器发送超声波到对方收到该超声波的时间t1、t2及超声波收发器5、6的长度方向与烟气流速方向的角度θ和超声波收发器5、6之间的长度L，可计算出烟气流速V，并以标准的4～20mA的模拟量及RS232信号进行输出。

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