烟气流速流量监测 超声波时差法
烟气参数监测数据(温度、压力、流量、湿度及氧含量)
烟气参数监测数据（温度、压力、流量、湿度及氧含量）
（1）烟气流速：皮托管流量计（差压传感器法）、超声波流量计（超声波法）。
超声波流量计：通过测量超声波脉冲的滞后时间来进行气体流速的测量。
发射/接收装置安装在烟道的两侧，并与气体流动的方向成一定的角度。
发射/接收装置包括压电式超声波发生器和接收器。
（2）烟气温度：铂电阻法、热电偶法。
（3）烟气压力：压力传感器。
（4）烟气湿度：湿氧法。
采用防爆型氧化锆在烟囱原位检测湿态氧含量，借由气态污染物分析系统的在线干态氧数据，经氧差法计算，动态监测烟气中湿度含量。
（5）含氧量：电化学法。
氧传感器是根据燃料电池的原理工作的。
氧在阴极和电解液分界层发生变化，氧浓度值跟两电极间产生电流成正比。
根据实际使用情况，在烟气流速＞5m/s的工况下，选用皮托管流量计，性价比高；在烟气流速≤5m/s的工况下，选用超声波流量计，精度高。
基于时差法和tdc-gp2的超声波流量测量方法
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超声波时差法流量计工作原理
超声波时差法流量计工作原理
超声波时差法流量计通过测量超声波在介质中传播的时差来计算流量。
该流量计由两个超声波传感器组成，一个作为发射器发送超声波信号，另一个作为接收器接收信号。
超声波经过传感器后，会在液体中发出一束声波，声波会沿着液体沿流动方向传播，然后沿反方向传播。
声波在液体中传播速度为C，因此在液体中传播一段距离L所需的时间为t=L/C。
在没有液体流动时，声波从发射器到接收器的时间差为Δt0。
当有液体流动时，液体流动速度会影响声波在液体中传播的时间，此时从发射器到接收器的时间差将变为Δt。
因此液体流动速度可以通过Δt-Δt0计算得到。
流量计可以测量液体的流速和体积流量。
在测量流速时，流量计会将液体流过传感器的时间计算出来，并根据液体通过的管道截面积计算液体的流速。
在测量体积流量时，液体通过管道的总体积可以通过连续测量液体流量来计算。
时差法超声波流量计
sin 0
C0
sin 1
C1
sin
C
C sin 0 arcsin( ) C0
C 0 和 0为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。 这样就可以通过修正后的C对θ进行修正了。
四、总体设计
换能器安装
本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样可以提高系统的分辨率，发射、 接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断 面分布不均匀的误差，
3、噪声法 4、相关法
三、时差法原理
流量
单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流 量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为 体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单 位为kg/s。
Q v S
超声波特性
超声波通常指频率高于20KHz的机 械波，它可以在气体、液体和固体 中传播。我们只以水为介质进行分 析。
2、入射角：这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入 射时在管壁及流体界面处都会发生折射，为提高探头接收信号的选择 性，一般选择入射角位于第一临界角和第二临界角之间，以保证仅一 束超声波被探头接收。若管道为钢管，探头用有机玻璃作为声导，一 般入射角选取28.7°～60°，我们选取入射角为45°。
从单片机选取
从单片机是信号采集及控制电路的核心，它既要接收主单片机发来的命 令，使测量模块的各部分协调工作，同时又要向主单片机回送测量数据 和该部分的状态信息。考虑到性价比，我们选择了ATMEL公司的 AT89C51，它是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，其指令系统与 8051完全兼容。 外围电路采用74LS245驱动74LS196计数器计数。 74LS245是我们常用的芯片，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向 传输数据。既可以输出，也可以输入数据。 74ls196是 二 - 五 - 十进制计数器（可预置）。采用多片级联增加计数 范围。
超声波时差法原理介绍
时差法超声波流量计的原理和设计王润田1 引言超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。
和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。
近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。
作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。
本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。
2 时差法超声波流量计的原理时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。
他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。
由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。
即：图2 超声波流量计的电原理框图4 结语时差法超声波流量计的换能器安装方式可以有多种。
常见的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤气表一般可采用介入式。
无论何种安装方式其原理大同小异。
比如介入式就是取上面公式中的θ=0。
超声波波用于流体的测量还有其他几种基于不同原理的测量方法：多卜勒频移法、相位差法和相关法等等，各有优缺点，可根据不同的使用条件和计量精度等因素加以选取。
四种CEMS系统用烟气在线流速仪、流量计技术分析与汇总
CEMS系统中四种烟气流量测量技术比较分析汇总江苏省环境科学研究院一皮托管工作原理皮托管，又名“空速管”，“风速管”，英文是Pitot tube。
皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置，由法国H.皮托发明而得名。
严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管。
技术特点●差压式原理，测量下限取决于差压变送器的下限；●结构简单可靠；●有灰尘容易堵塞；●点测量装置，在大型烟道或者流场不均匀的场合不便使用；●一般不能用于5m/s场合使用；二矩阵式流量计工作原理：矩阵式流量计是类似多组皮托管形成的动压管和少量静压管构成。
其原理实质上皮托管原理，为差压式测量风速。
技术特点●使用多组或者多个差压点组合成的差压式流量计；●用于解决大型烟道流场不均问题；●不能用于5m/s场合使用；●安装成本高；●检修维护成本高，不能拆卸；●不能反吹在有粘性灰尘场合会堵塞；多点皮托管（均速管）三热式质量流量计工作原理热式流量计是基于热扩散原理而设计的流量仪表.即利用流体流过发热物体时,发热物体的热量散失多少与流体的流量呈一定的比例关系，该系列流量计的传感器有两只标准级的RTD,一只用来做热源,一只用来测量流体温度,当流体流动时,两者之间的温度差与流量的大小成线性关系,再通过微电子控制技术,将这种关系转换为测量流量信号的线性输出。
技术特点●热式质量流量计响应慢●被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差●对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量；●对于热分布式热式质量流量计，被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值，必须定期清洗;对细管型仪表更有易堵塞的缺点，一般情况下不能使用；●对脉动流在使用上将受到限制；●液体用热式质量流量计对于粘性液体在使用上亦受到限制；四烟气超声波流量计工作原理：烟气超声波流量计是通过超声波脉冲的延迟时间差进行气体的流速的测量，发射装置和接收装置安装在测量管径的两侧，并于气体流动方向成一定的角度。
超声波流量计原理：时差法
×Δt
体积流量测定
Q = 流速 横截面积 Q = VA
声速
c=
P tavg
, tavg =
tdn + tup 2
V
qP
L
tup
=
c
P - Vபைடு நூலகம்in
q
tdn
=
P c +Vsin q
tup > tdn
D t = tup- tdn
超声波流量计: 流体动力学
GE Panametrics
流场
流场的形态由管中的摩擦力与粘滞力决 定
逆流方向传输时间 tup， 超声波被流体减速
顺流方向传输时间 tdn， 超声波被流体加速
tup V tdn
tup
=
c
P - Vsin
q
tdn
=
P c +Vsin q
tup > tdn
D t = tup- tdn
V
qP
L
超声波流量计原理：时差法
GE Panametrics
流体流速
V
C2 2L
在 20 deg C时, 水的运动粘度= 1×10-6, 假定管子内径 DN100 若管内水的流速 V = 1 m/s，则 Re = 1×106
kRe = 0.9497
工艺介质：DN100，V=1m/s, 粘度= 60，则 Re是水的1/60.
kRe = 0.9323，（速度为0.5m/s时， kRe = 0.9295)
雷诺数表征流体惯性力与粘性力之比。若雷诺数小，粘性力占主要地 位，粘性对流场的影响是主要的。雷诺数大，则惯性力是主要的
例：管子内径 10”，当流速 V = 10 m/s 若 Re = 0.5×106 ，则运动粘度 = 50.8×10-6 若 Re = 5×106 ，则运动粘度 = 5.08×10-6
时差法超声波流量计资料
时差法超声波流量计1 引言超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。
凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。
随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。
2 超声波流量计分类根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。
2.1 多普勒法多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。
其工作原理如图1所示。
图1 多普勒法工作原理图 Fig.1 Theory of Doppler approach管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器，发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为0f 的连续超声波。
根据多普勒效应，在中间相交区的频率为1f ，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为2f ，当粒子流速均为u 时，其关系为：)sin 21()sin 1()sin 1(02012Cu f C u f C u f f βββ-≈-=-= (1)βsin 2)(020f Cf f u -=(2)多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。
2.2 波束偏移法波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。
其测量原理如图2所示。
图2 波束偏移法原理图Fig.2 Theory of beam-excursion approach流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。
波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。
3 时差法原理3.1 时差法时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。
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烟气流速流量监测超声波时差法1范围本标准规定了基于超声波时差法烟气流速流量监测（以下简称流速流量仪）的术语和定义、方法原理、系统组成、技术要求、试验方法、安装要求、参比方法采样位置要求、比对监测。
本标准适用于烟道（烟囱）中低于40m/s的烟气流速在线监测。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 16157固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法HJ 75-2017固定污染源烟气（SO 2、NO X 、颗粒物）排放连续监测技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
3.1烟气超声流速仪exhaust gas ultrasonic velocity meters利用超声波在烟气中的传播特性来测量流速的仪器。
3.2烟气超声流量仪exhaust gas ultrasonic flow meters利用烟气超声流速流量仪测量的流速计算出流量值的仪器，称为烟气超声流量仪。
3.3超声换能器ultrasonic transducer在电信号作用下产生声波输出，并将声波信号转换为电信号的器件。
3.4传播时间差法transit-time difference method在流动烟气中的相同行程内，用超声波顺流和逆流传播的时间差来确定沿声道的烟气平均流速的测量方法。
3.5声道路径acoustic path超声波信号在成对的超声波换能器间传播的实际路径。
3.6单声道流速流量仪single-path flow meter只有一对换能器的流速流量仪。
3.7双声道流速流量仪dual-paths flow meters有两对换能器的流速流量仪。
3.8三声道流速流量仪triple-paths flow meters有三对换能器的流速流量仪。
3.9四声道流速流量仪quadruple-paths flow meters有四对换能器的流速流量仪。
3.10多声道流速流量仪multiple-paths flow meters有两对及两对以上换能器的流速流量仪。
3.11声道角angle of inclination声道与管道轴线之间的夹角。
3.12测量平面sampling plance声道正交于烟道或烟囱中心线的平面。
3.13速度采样间隔velocity sampling interval一对超声换能器或声道进行相邻两次气体流速测量的时间间隔。
3.14测量声速average speed of sound烟气超声流速流量仪各声道测量到的声速平均值。
3.15调试检测performance testing烟气超声流速流量仪安装、初调和至少正常连续运行168h后，于技术验收前对烟气超声流速流量仪进行的校准和校验。
3.16速度场系数velocity field coefficient采用参比方法与流速流量仪同步测量烟气流速，参比方法测量的烟气平均流速与同时间区间且相同状态的流速流量仪测量的烟气平均流速的比值。
4方法原理4.1原理流速流量仪是通过超声波脉冲的延迟时间差进行烟气流速的测量，发射装置和接收装置安装在测量管径的两侧，并于烟气流动方向成一定的声道角。
4.2方法由于烟气流速的存在，超声波在烟气的顺流和逆流方向传播时存在一定的时间差，因此可以根据此时间差和管径的大小及安装位置，计算出烟气的流速值，根据流速值可以计算出当前烟气的流量值。
5系统组成5.1构成流速流量仪主要由超声换能器、信号处理单元、反吹单元和控制单元组成。
5.2类型5.2.1流速流量仪换能器的数目不同，分为单声道流速流量仪和多声道流速流量仪。
其中，多声道流速流量仪包括双声道流速流量仪、三声道流速流量仪和四声道流速流量仪。
5.2.2流速流量仪的输出方式有模拟量输出和数字量通讯输出。
5.3工作条件a)烟气温度：-20℃～+480℃；b)环境温度：-20℃～+55℃；c)烟道直径或当量直径：0.3m～12.0m；d)烟气流速：0.1m/s～40m/s；e)分辨率：0.001m/s；f)相对湿度：≤90%；g)电源电压：AC（220±22）V；h)大气压力：86kPa～106kPa；i)接地要求：接地电阻≤4Ω。
6技术要求6.1外观与结构6.1.1现场初装的流速流量仪应有良好的表面处理，不得有毛刺、划痕、裂纹、锈蚀、霉斑和涂层剥落现象。
密封面应平整，不得有损伤。
6.1.2检查电气元器件必须牢固可靠，不得因振动而松动或脱落。
6.2计量性能a)量程：0m/s～40m/s；b)烟气流速平均值：＞10m/s时，相对误差为±8%；≤10m/s时，相对误差为±10%；c)分辨率：0.001m/s；d)各声道之间的最大声速差：0.5m/s。
6.3供电条件电压AC（220±22）V，频率（50±0.5）Hz。
在10℃～35℃，相对湿度≤85%条件下，电源引入线与机壳之间的绝缘电阻应不小于20MΩ。
6.4零点漂移24h零点漂移≤±1%F.S.；一周零点漂移≤±2%F.S.。
6.5量程漂移24h量程漂移≤±1%F.S.；一周量程漂移≤±2%F.S.。
6.6反吹功能系统应具有反吹功能，目的是有效的隔离超声波换能器与烟气的接触，防止超声波换能器受到烟气的腐蚀和污染。
6.7安全功能系统应具安全设置功能，以防止误操作和未经批准的参数设置。
6.8数据采集处理和输出功能a)速度信号采集间隔：≤1s；b)检测信号刷新间隔：≤5s；c)信号输出方式：4mA～20mA模拟信号和RS485数字量通讯；d)数据单位：流速m/s、流量m3/h。
7试验方法7.1试验环境条件a)烟气温度：-20℃～+480℃；b)环境温度：-20℃～+60℃；c)电源：AC（220±22）V。
7.2外观检查外观检查符合6.1的要求。
7.3供电条件供电条件符合6.3的要求。
7.4零点检查待流速流量仪运行稳定后，进行零点校准，记录流速流量仪零点校准稳定读数Z 0。
待流速流量仪稳定运行24h（期间不允许任何校准和维护），再次进行零点校准，并记录稳定后读数Z 1。
待流速流量仪稳定运行168h （期间不允许任何校准和维护），再次进行零点校准，并记录稳定后读数Z 2。
按照公式（1）（2）计算待测流速流量仪24h零点漂移Z d 和一周零点漂移Z w ，零点漂移满足6.4的要求。
R Z -Z Z 01d =.......................................................................（1）R Z-Z Z 02w = (2)式中：Z d ---------待测流速流量仪24h零点漂移，%；Z w ---------待测流速流量仪一周零点漂移，%；Z 0---------待测流速流量仪零点校准初始测量值，m/s；Z 1---------待测流速流量仪运行24h后零点校准测量值，m/s；Z 2---------待测流速流量仪运行一周后零点校准测量值，m/s；R ---------待测流速流量仪满量程值，m/s。
7.5量程检查待流速流量仪运行稳定后，进行量程校准，记录流速流量仪量程校准稳定读数S 0。
待流速流量仪稳定运行24h（期间不允许任何校准和维护），再次进行量程校准，并记录稳定后读数S 1。
待流速流量仪稳定运行168h （期间不允许任何校准和维护），再次进行量程校准，并记录稳定后读数S 2。
按照公式（3）（4）计算待测流速流量仪24h量程漂移S d 和一周量程漂移S w ，量程漂移满足6.5的要求。
R S -S S 01d =.......................................................................（3）R S-S S 02w = (4)式中：S d ---------待测流速流量仪24h量程漂移，%；S w ---------待测流速流量仪一周量程漂移，%；S0---------待测流速流量仪量程校准初始测量值，m/s；S1---------待测流速流量仪运行24h后量程校准测量值，m/s；S2---------待测流速流量仪运行一周后量程校准测量值，m/s；R---------待测流速流量仪满量程值，m/s。
7.6反吹功能反吹功能要求能够隔离超声波换能器和烟气之间的接触。
7.7安全功能要求系统具有不同的操作用户，进行参数修改时必须输入相应的密码。
7.8数据采集处理和输出功能使用计时器、目测、万用表的方式进行检查，数据采集处理和输出功能符合6.8的要求。
7.9准确度测试准确度测试按照参比抽样的方式进行，满足标准GB/T16157，实验结果需要满足烟气流速平均值：＞10m/s时，相对误差为±8%；≤10m/s时，相对误差为±10%。
8安装要求8.1安装位置8.1.1不影响颗粒物和气态污染物连续排放监测系统的测定，能够代表烟道横截面烟气的平均流速。
8.1.2测量断面距离流速扰动源（如弯头、变径、阀门等）下游应不小于2倍烟道直径，距离流速扰动源上游应不小于1倍烟道直径（以下简称“前2后1”）。
矩形烟道直径按当量直径计算，当量直径D=2AB/（A+B），式中A、B为边长。
当不能满足上述条件时，测量断面应设置在距流速扰动源下游不小于1倍烟道直径，以及距流速扰动源上游不小于0.5倍烟道直径处（以下简称“前1后0.5”）。
8.1.3尽量避开振动环境，特别要避开可引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。
8.1.4尽量避开出现水气冷凝（液滴或水雾）的位置，如不能避开，应选用能够适用的监测探头及仪器。
8.1.5尽量防止声学噪声对测量性能产生的不利影响，安装时应采取必要的措施消除环境声学噪声的干扰。
8.1.6流速流量仪相关导线尽量避开可能存在强烈电磁或电子干扰的环境。
8.2换能器位置与数量8.2.1流速流量仪应在烟囱或烟道上对穿安装，声道应正交于烟道或烟囱的中心线，正交角度在30°～60°之间。
8.2.2换能器与烟道断面的面积为了提高测量结果的准确性，根据安装点位烟道断面的直径，安装单声道换能器或多声道换能器。
表1中规定了安装流速流量仪和烟道直径的对应关系。
表1流速流量仪和烟道直径的对应关系烟道直径安装流速流量仪m＜2单声道流速流量仪2.0～4.0双声道流速流量仪4.0～6.0三声道流速流量仪＞6.0四声道流速流量仪9参比方法采样位置要求9.1采样位置和采样点位9.1.1采样断面上采样点位的布置和数量应符合GB/T16157中的要求。