在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要精確計(jì)量和控制液體的流速和流量。焦?fàn)t煤氣由于冷卻、凈化等原因，總是含有一定的雜質(zhì)，高爐煤氣也含有較多的雜質(zhì)。尋找適合于各類煤氣的計(jì)量儀表始終是困擾企業(yè)的技術(shù)難題。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和自動化管理水平的提高，企業(yè)對氣體測量要求越來越高。

    濟(jì)鋼作為國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)，能源計(jì)量的重要性十分突出。為了煤氣的綜合利用，經(jīng)過多年論證實(shí)踐，在濟(jì)鋼煤氣流量測量中采用了WZ-2188超聲波氣體流量計(jì)，取得了較好的效果。

    1 超聲波流量計(jì)的測量原理[1]

    目前，各工業(yè)部門普遍采用傳統(tǒng)的接觸式流量計(jì)，如孔板、渦街、渦輪和威力巴等流量計(jì)測量氣體流量，均不同程度地受到壓力、磨損、腐蝕、污染的影響，同時(shí)安裝時(shí)要破壞管道，并不能很好地滿足各工業(yè)部門對煤氣流量的測量要求。而超聲流量計(jì)具有安裝方便、省時(shí)省力，尤其是非接觸式測量方式具有諸多的優(yōu)點(diǎn)。

    超聲波流量計(jì)是利用超聲波在管道中的傳播時(shí)間原理而來實(shí)現(xiàn)流量測量的。氣體流量則通過流速、管道截面積以及雷諾數(shù)等得到。根據(jù)信號檢測的方式，大致可分為超聲波傳播速度法（脈沖時(shí)間差法、相位差法、頻率差法）、超聲多普勒法、波束偏移法等。WZ-2188超聲波氣體流量計(jì)工作原理如圖1所示。

    在管道上斜裝一對超聲波換能器A和B，兩個(gè)換能器之間的距離為超聲波的傳播聲程。超聲波在兩個(gè)換能器之間的順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間分別為：

    依據(jù)ts和tn表達(dá)式，求得沿聲程上的線平均流速：

    式中：c為超聲波在靜止氣體中的傳播速度，隨氣體性質(zhì)變化而變化；v為氣體的流速；θ為超聲波聲程L與管道軸線之間的夾角。

    可以看出，因采用直接的動力學(xué)原理進(jìn)行測量，無任何假定條件，氣體流速僅與測量參數(shù)（1/ts-1/tn）有關(guān)，與氣體本身性質(zhì)無關(guān)，即不受氣體種類、成分、密度、溫度等影響。

    2 超聲波流量計(jì)的功能特性

    2.1 節(jié)約能源

    該儀表的換能器安裝在流量管道的外表面（如圖1），不接觸流體，所以不干擾流場，沒有壓力損失，因此是一種比較理想的節(jié)能儀表。特別是在大流量計(jì)量時(shí)，節(jié)能效益更加顯著。

    2.2 解決流量測量的難題

    由于超聲波流量計(jì)是非接觸式儀表，所以，除用于測量水、石油等一般介質(zhì)外，還能對強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、非導(dǎo)電介質(zhì)、易爆和放射性介質(zhì)進(jìn)行流量測量，而且不受流體的壓力、溫度、粘度、密度的影響。

    2.3 儀器性能

    WZ-2188超聲波氣體流量計(jì)是以先進(jìn)的CPU為核心，輔以大規(guī)模集成電路和圖形液晶顯示器的新型智能儀表。其最大的優(yōu)點(diǎn)是：高精度；高穩(wěn)定性；耐用可靠；適用性強(qiáng)；維護(hù)簡單；使用壽命長；它無活動部件，不影響氣流運(yùn)動，不會造成氣體壓力的損失。它的測量原理采用直接的物理計(jì)算公式，不受氣體本身性質(zhì)的影響。

    2.4 溫度壓力自動補(bǔ)償方式

    無補(bǔ)償：Q0=Qm

    溫度自動補(bǔ)償：

    Qt=[273.15K/（t+273.15K）]×Qm

    壓力自動補(bǔ)償：

    Qp=[（p+101.325kPa）/101.325kPa] ×Qm

    溫度、壓力自動補(bǔ)償：

    Qtp=[（p+101.325kPa）/101.325kPa]×[273.15K/ （t+372.15K）] ×Qm

    式中：Qtp為當(dāng)時(shí)工況下的氣體體積流量，m3/h；t為溫度，℃ （標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為273.15K）；p為壓力，kPa（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101.325kPa）。

    2.5 安裝質(zhì)量的影響

    安裝地點(diǎn)的選擇必須保證轉(zhuǎn)換器前的流體是沿管軸平行流動，最好安裝在水平管道上，所以應(yīng)保證轉(zhuǎn)換器前有一定長度的直管段，所需直管段長度與流道上阻力件形式有關(guān)；安裝超聲波換能器直管段要求：前直管段長度為5~20D（D為管徑），后直管段為2~5D；安裝換能器時(shí)要注意保持平行，否則誤差會超出范圍。流量計(jì)前后直管段長度要求見表1。

表1 流量計(jì)前后直管段長度要求表    mm

上游阻流件形式 上游直管段要求 下游直管段 
單聲道測量 雙聲道測量
泵的下游 50D 15D  
　
全開控制閥 50D 10D  
　
兩個(gè)不同平面（空間）90 °彎頭 40D 10D 5D
兩個(gè)同平面90 °彎頭 25D 10D  
　
一個(gè)90 °彎頭或三通 20D 10D  
　
收縮角＜7°的收縮管 15D —  
　
 

    流量計(jì)兩側(cè)的工藝管道內(nèi)壁要光滑，不應(yīng)有堆焊；帶測量管的超聲波流量計(jì)安裝時(shí)密封墊圈的內(nèi)徑應(yīng)比流量計(jì)的內(nèi)徑大4~5mm，以防在法蘭緊固后伸入管道內(nèi)，造成有效流通面積減少，影響測量精度。夾裝式超聲波流量計(jì)可以安裝管道支撐以減小管道震動對測量精度的影響。流量計(jì)的接地線要可靠接地。電纜屏蔽層也要可靠接地，以防止外界的各類電磁干擾。

    3 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

    測量信號通過變送器傳至積算儀，進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算。流量檢測系統(tǒng)圖如圖2所示。

    目前，濟(jì)鋼使用的超聲波流量計(jì)采用插入傳感器，插入式傳感器采用專用安裝工具，可在不停產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行安裝。對于鋼管可在管路上焊接由廠家提供的連接體，對于鑄鐵管可采用廠家提供的專用夾具。插入式傳感器屬于接觸式測量，安全可靠，解決了管內(nèi)壁結(jié)垢問題，信號強(qiáng)度高，大大提高了測量的穩(wěn)定性、可靠性及準(zhǔn)確性。無論是安裝，還是維修，都不需要切斷流體，不會影響管道內(nèi)流體的正常流通。

    4 應(yīng)用效果

    超聲波氣體流量計(jì)的應(yīng)用，在測量管路內(nèi)無可動部件或突出于管路內(nèi)部的部件，因此不但壓力損失小，而且不存在堵塞管路的現(xiàn)象。濟(jì)鋼所采用的WZ-2188型超聲波氣體流量計(jì)，應(yīng)用于煤氣方面的計(jì)量，提高了煤氣能源計(jì)量的精度，測量精度可達(dá)±0.5%，減少了生產(chǎn)單位之間的計(jì)量異議，為各二級單位的成本核算提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。