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1、測量原理
大管徑超聲波煤氣流量計的工作原理可以簡述如下:
超聲波煤氣流量計是在測量超聲波在煤氣管道中的傳播速度的原理基礎上發(fā)展起來的。
煤氣在管道中的流速,與超聲波在煤氣管道中順流和逆流之間的傳播速度差存在著線性關系。
只要分別在順流方向和逆流方向上測量出超聲波在管道內(nèi)部的傳播速度,就可以通過計算得出煤氣的流速。
煤氣的流量則可以通過對煤氣的流速和煤氣管道的截面積進行計算,以及用溫度和壓力進行校正后得到。
圖1表示大管徑超聲波煤氣流量計的工作原理。
在煤氣管道中斜裝一對超聲波探頭,兩個超聲波探頭之間的距離為超聲波的傳播聲程。
煤氣管道與超聲波探頭的聯(lián)接是由截止閥來實現(xiàn)的。
截止閥的作用為:
在安裝超聲波探頭時,可將截止閥關閉,防止管道內(nèi)煤氣泄漏;當超聲波探頭安裝完畢,打開截止閥,兩個超聲波探頭之間的聲道就暢通了,這時超聲波煤氣流量計就可以正常工作了
超聲波在兩個探頭之間的煤氣管道內(nèi)的順流傳播時間ts,和逆流傳播時間tn。分別為
式中c為超聲波在煤氣中的傳播速度;V為煤氣在管道中的流速;θ為超聲波在煤氣管道中的傳播距離L與管道軸線之間的夾角。
由公式(1)和公式(2),求得管道內(nèi)煤氣的平均流速為
由公式(3)可以看出,管道內(nèi)煤氣的平均流速與超聲波在煤氣管道內(nèi)順流傳播速度和逆流傳播速度之間的速度差(L/t,-L/t。)有關。只要測出順流傳播時間ts和逆流傳播時間tn,即可計算出煤氣的流速。
2、基本配置
大管徑超聲波煤氣流量計方框圖如圖2所示,主要由一臺微處理器來進行監(jiān)控和測量。
微處理器的內(nèi)部與外部的是通過一個雙向接口來實現(xiàn)的,其它附屬設備包括:LCD液晶顯示器、RS-232數(shù)據(jù)發(fā)送器、4-20mA信號輸出器、
換向開關、超高速計時器、窄脈沖發(fā)生器、延時器、閘門觸發(fā)器、超聲波發(fā)生器、接收放大器、電平轉(zhuǎn)換器、整形器、和非介入式收發(fā)兩用型超聲波探頭等。
該系統(tǒng)測量煤氣流速的靈敏度閡為0.01m/s,可用于有效測量的煤氣流速的變化范圍從0到60m/S,可用于有效測量的煤氣管道的管徑大小范圍從50到300mm,煤氣流量的測量精度優(yōu)于2%。
3、工作方式
大管徑超聲波煤氣流量計的工作波形如圖所示。
微處理器通過一個用于數(shù)據(jù)收發(fā)的雙向接口,輸出周期為10ms,寬度為0.2拼S的初始化信號(圖3a)。初始化信號分別被送往窄脈沖發(fā)生器、延時器和超高速計時器,進行超聲波煤氣流量計的初始化操作。
初始化信號首先被送往窄脈沖發(fā)生器,該信號的脈沖上升沿使窄脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個寬度為0.2邵的發(fā)射觸發(fā)信號(圖3b),經(jīng)過超聲波發(fā)生器后
,向安裝在煤氣管道上的超聲波探頭發(fā)出一個超聲激勵脈沖(圖3。)。初始化信號同時被送往延時器,該信號的脈沖上升沿使延時器產(chǎn)生一個1
0拼s的延時脈沖(圖3d),這個延時脈沖被送往閘門觸發(fā)器的置1端。在延時脈沖出現(xiàn)的瞬間,閘門觸發(fā)器的Q端跳變?yōu)楦唠娖?圖39)。
初始化信號還被送往超高速計時器,該信號;的脈沖上升沿使超高速計時器清零,并同時開始計時。與此同時超聲波在煤氣管道中傳播,當由安裝在煤氣管道一側(cè)的超聲波探頭發(fā)射的超聲波信號經(jīng)過傳播,被安裝在煤氣管道另一側(cè)的超聲波探頭接收后,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴＝邮辗糯笃鲗⒊暡ń邮招盘柗糯?圖3e),送往電平轉(zhuǎn)換器,再經(jīng)過整形器的倒向整形(圖3f),送往閘門觸發(fā)器的置0端。
閘門觸發(fā)器的Q端狀態(tài),在超聲波接收信號到達的瞬間,立即由高電平突變?yōu)榈碗娖?圖39)。由于全部采用高速TTL元件,故閘門觸發(fā)器Q端輸出的高電平脈沖的寬度(圖39)就分別代表了超聲波在煤氣管道中順流的傳播時間t,和逆流的傳播時間t。
順流和逆流的測量換向時間為100ms。超高速計時器在這一閘門脈沖的作用下進行精密計時,并將計時結(jié)果通過雙向接口送往微處理器。
微處理器根據(jù)公式(3),將超聲波在煤氣管道中順流的傳播時間t,和逆流的傳播時間t。
轉(zhuǎn)化為管道內(nèi)煤氣的流量。
流量的溫度和壓力自動補償根據(jù)公式(4)來計算
式中Q
tP為經(jīng)過溫度和壓力補償后的煤氣流量;QM為由流速計算而得的體積流量;t為溫度(單位℃);P為壓力(單位kPa)。
微處理器同時提供RS-232的數(shù)字輸出信號和4-20mA的電流輸出信號,用于生產(chǎn)過程的自動控制。
大管徑超聲波煤氣流量計采用LCD液晶顯示器,每秒均可分別顯示實時測量到的管道內(nèi)煤氣的瞬時流速、溫度和壓力、瞬時流量、累計流量。
由于該儀器采用高容量的GP鎳氫電池對微處理器進行掉電自動保護,掉電后的數(shù)據(jù)包括參數(shù)設定值和流量累計值可自動保存30天以上。
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