Origin大空间低流速超声测速装置设计(3)
移的大小与流速有关来测量流速。
热电厂的烟道一般直径都比较大，烟气流速较低且不稳定。对于这类大空间内低
速气体流速的测量，其具有的低流速，大空间尺寸，小压差特点导致大部分的流量流
速测量方法受到了限制无法使用或无法保证较高的精度。各种情况如下：
1）对于大空间的考虑：直径很大的烟道，不可能放入很大的节流件、涡轮、漩
涡发生器等部件，也不可能使用容积式流量计，所以使用节流式流量计、容积式流量
计、涡轮流量计和涡街流量计不合理。而对于热线风速仪，一般热线热膜风速仪的探
头都很小，目的是为了减小对流场的干扰。但探头很小导致其测量值为探头所在小区
域的风速，以该值作为整个大空间的平均风速不合理。
2）对低流速和小压差的考虑：毕托管的工作原理决定了被测流体需存在一定的
压差，即需要达到一定的流速。流速过低时毕托管将无法测量。而且大空间内压力变
化频繁，将给测量带来较大误差。所以选取毕托管不合理。
3） 对流体特性的考虑： 烟气不导电， 电磁流量计不能使用。 粒子图像测速仪 （PIV）
和激光多普勒测速仪都具有较高的精度，但对于所测流体有较高的要求，其中必不可
少的则是流体中需加入（或已存在）反射小颗粒物质伴随流体一同流动。这对于测量
烟气的流动是难以实现的。4）超声波流量计的原理就是使用超声波测速，本文设计基于时差法的超声波测
速装置。考虑到设计的装置所处的环境为大空间，所测的流体流速为低流速，并结合
超声波具有定向好、能量集中、反射能力较强等优点。对比以上所述的测速、测流量
方法，使用超声波测速具有如下几点优势：
①超声波测速为非接触测量，避免了烟气对换能器的影响，也避免换能器了对流
场的干扰。
②换能器发出的超声波通过大空间时，烟气的速度与超声波的速度叠加，合成的
速度时时刻刻都体现着烟气的流速， 以超声波法测量出的结果作为整个流场的平均速
度是合理的。
③超声波传播速度快，超声波测速的实时性好，便于在线测量。
基于以上， 本文的主要内容就是探索基于时差法设计的超声波测速装置应用于大
空间内气体低速流动情况下的可行性。
1.2 超声波测速的发展
超声波是振动频率高于 20KHz 的机械波,与一般声波相比,它的振动频率高,波长
短,具有束射特性,可以定向传播,具有很高的穿透能力,在介质中传播时,随着传播距
离的增加,能量逐渐衰减[7]
。
测速应用于工程上，大部分是为了获得流体流量。超声波测速的发展过程便是超
声波流量计的发展过程。
应用超声波原理测量流量最早始于 1928 年，德国人研制出了世界上第一台超声
波流量计并获得专利[8]
。1955 年超声测速原理首先应用于马克森（MAXSON）流量计
测量航空燃烧油[9]
，这是一种基于声循环法的两组探头（换能器）组成的液体流量计。
1958 年 A.L.H-ERDRICH 等人发明折射式探头，由于他们的研究可进一步消除由于管
壁的交混回响所产生的相位失真，也为管外夹装提供了理论依据[10]
。进入 20 世纪七
十年代以后，进入 20 世纪七十年代以后,由于集成电路和锁相环路技术的发展，使超
声波流量计得以克服以前的精确度不高,响应慢,稳定性与可靠性差等致命弱点[11]
。 同
一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深人细致的研究,
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