1、测量原理
大管径超声波煤气流量计的工作原理可以简述如下:
超声波煤气流量计是在测量超声波在煤气管道中的传播速度的原理基础上发展起来的。
煤气在管道中的流速,与超声波在煤气管道中顺流和逆流之间的传播速度差存在着线性关系。
只要分别在顺流方向和逆流方向上测量出超声波在管道内部的传播速度,就可以通过计算得出煤气的流速。
煤气的流量则可以通过对煤气的流速和煤气管道的截面积进行计算,以及用温度和压力进行校正后得到。
图1表示大管径超声波煤气流量计的工作原理。
在煤气管道中斜装一对超声波探头,两个超声波探头之间的距离为超声波的传播声程。
煤气管道与超声波探头的联接是由截止阀来实现的。
截止阀的作用为:
在安装超声波探头时,可将截止阀关闭,防止管道内煤气泄漏;当超声波探头安装完毕,打开截止阀,两个超声波探头之间的声道就畅通了,这时超声波煤气流量计就可以正常工作了

超声波在两个探头之间的煤气管道内的顺流传播时间ts,和逆流传播时间tn。分别为

式中c为超声波在煤气中的传播速度;V为煤气在管道中的流速;θ为超声波在煤气管道中的传播距离L与管道轴线之间的夹角。
由公式(1)和公式(2),求得管道内煤气的平均流速为

由公式(3)可以看出,管道内煤气的平均流速与超声波在煤气管道内顺流传播速度和逆流传播速度之间的速度差(L/t,-L/t。)有关。只要精确测出顺流传播时间ts和逆流传播时间tn,即可计算出煤气的流速。
2、基本配置
大管径超声波煤气流量计方框图如图2所示,主要由一台微处理器来进行监控和测量。
微处理器的内部与外部的联系是通过一个双向接口来实现的,其它附属设备包括:LCD液晶显示器、RS-232数据发送器、4-20mA信号输出器、
换向开关、超高速计时器、窄脉冲发生器、延时器、闸门触发器、超声波发生器、接收放大器、电平转换器、整形器、和非介入式收发两用型超声波探头等。
该系统测量煤气流速的灵敏度阂为0.01m/s,可用于有效测量的煤气流速的变化范围从0到60m/S,可用于有效测量的煤气管道的管径大小范围从50到300mm,煤气流量的测量精度优于2%。

3、工作方式
大管径超声波煤气流量计的工作波形如图所示。

微处理器通过一个用于数据收发的双向接口,输出周期为10ms,宽度为0.2拼S的初始化信号(图3a)。初始化信号分别被送往窄脉冲发生器、延时器和超高速计时器,进行超声波煤气流量计的初始化操作。
初始化信号首先被送往窄脉冲发生器,该信号的脉冲上升沿使窄脉冲发生器产生一个宽度为0.2邵的发射触发信号(图3b),经过超声波发生器后
,向安装在煤气管道上的超声波探头发出一个超声激励脉冲(图3。)。初始化信号同时被送往延时器,该信号的脉冲上升沿使延时器产生一个1
0拼s的延时脉冲(图3d),这个延时脉冲被送往闸门触发器的置1端。在延时脉冲出现的瞬间,闸门触发器的Q端跳变为高电平(图39)。
初始化信号还被送往超高速计时器,该信号;的脉冲上升沿使超高速计时器清零,并同时开始计时。与此同时超声波在煤气管道中传播,当由安装在煤气管道一侧的超声波探头发射的超声波信号经过传播,被安装在煤气管道另一侧的超声波探头接收后,转变为电信号。接收放大器将超声波接收信号放大(图3e),送往电平转换器,再经过整形器的倒向整形(图3f),送往闸门触发器的置0端。
闸门触发器的Q端状态,在超声波接收信号到达的瞬间,立即由高电平突变为低电平(图39)。由于全部采用高速TTL元件,故闸门触发器Q端输出的高电平脉冲的宽度(图39)就分别代表了超声波在煤气管道中顺流的传播时间t,和逆流的传播时间t。
顺流和逆流的测量换向时间为100ms。超高速计时器在这一闸门脉冲的作用下进行精密计时,并将计时结果通过双向接口送往微处理器。
微处理器根据公式(3),将超声波在煤气管道中顺流的传播时间t,和逆流的传播时间t。
转化为管道内煤气的流量。
流量的温度和压力自动补偿根据公式(4)来计算

式中Q
tP为经过温度和压力补偿后的煤气流量;QM为由流速计算而得的体积流量;t为温度(单位℃);P为压力(单位kPa)。
微处理器同时提供RS-232的数字输出信号和4-20mA的电流输出信号,用于生产过程的自动控制。
大管径超声波煤气流量计采用LCD液晶显示器,每秒均可分别显示实时测量到的管道内煤气的瞬时流速、温度和压力、瞬时流量、累计流量。
由于该仪器采用高容量的GP镍氢电池对微处理器进行掉电自动保护,掉电后的数据包括参数设定值和流量累计值可自动保存30天以上。