在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要計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。
濟鋼作為國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)，能源計量的重要性十分突出。為了煤氣的綜合利用，經(jīng)過多年論證實踐，在濟鋼煤氣流量測量中采用了WZ-2188超聲波氣體流量計，取得了較好的效果。
1 超聲波流量計的測量原理[1]
目前，各工業(yè)部門普遍采用傳統(tǒng)的接觸式流量計，如孔板、渦街、渦輪和威力巴等流量計測量氣體流量，均不同程度地受到壓力、磨損、腐蝕、污染的影響，同時安裝時要破壞管道，并不能很好地滿足各工業(yè)部門對煤氣流量的測量要求。而超聲流量計具有安裝方便、省時省力，尤其是非接觸式測量方式具有諸多的優(yōu)點。
超聲波流量計是利用超聲波在管道中的傳播時間原理而來實現(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，兩個換能器之間的距離為超聲波的傳播聲程。超聲波在兩個換能器之間的順流傳播時間和逆流傳播時間分別為：
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。特別是在大流量計量時，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超聲波氣體流量計是以*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zui大的優(yōu)點是：高精度；高穩(wěn)定性；耐用可靠；適用性強；維護(hù)簡單；使用壽命長；它無活動部件，不影響氣流運動，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算公式，不受氣體本身性質(zhì)的影響。
2.4 溫度壓力自動補償方式
無補償：Q0=Qm
溫度自動補償：
Qt=[273.15K/（t+273.15K）]×Qm
壓力自動補償：
Qp=[（p+101.325kPa）/101.325kPa] ×Qm
溫度、壓力自動補償：
Qtp=[（p+101.325kPa）/101.325kPa]×[273.15K/ （t+372.15K）] ×Qm
式中：Qtp為當(dāng)時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（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101.325kPa）。
2.5 安裝質(zhì)量的影響
安裝地點的選擇必須保證轉(zhuǎn)換器前的流體是沿管軸平行流動，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；安裝換能器時要注意保持平行，否則誤差會超出范圍。流量計前后直管段長度要求見表1。
表1 流量計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
兩個不同平面（空間）90 °彎頭 40D 10D 5D
兩個同平面90 °彎頭 25D 10D
一個90 °彎頭或三通 20D 10D
收縮角＜7°的收縮管 15D —
流量計兩側(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安裝時密封墊圈的內(nèi)徑應(yīng)比流量計的內(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 超聲波流量計的應(yīng)用
測量信號通過變送器傳至積算儀，進(jìn)行補償運算。流量檢測系統(tǒng)圖如圖2所示。
目前，濟鋼使用的超聲波流量計采用插入傳感器，插入式傳感器采用安裝工具，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。濟鋼所采用的WZ-2188型超聲波氣體流量計，應(yīng)用于煤氣方面的計量，提高了煤氣能源計量的精度，測量精度可達(dá)±0.5%，減少了生產(chǎn)單位之間的計量異議，為各二級單位的成本核算提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。
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