大管徑煤氣流量計(jì)的工作原理可以簡(jiǎn)述如下：煤氣流量計(jì)是在測(cè)量煤氣管道中的傳播速度的原理基礎(chǔ)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(guān)系。只要分別在順流方向和逆流方向上測(cè)量出超聲波在管道內(nèi)部的傳播速度，就可以通過計(jì)算得出煤氣的流速。煤氣的流量則可以通過對(duì)煤氣的流速和煤氣管道的截面積進(jìn)行計(jì)算， 以及用溫度和壓力進(jìn)行校正后得到。

圖l表示大管徑超聲波煤氣流量計(jì)的工作原理。在煤氣管道中斜裝一對(duì)超聲波探頭，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)的。截止閥的作用為：在安裝超聲波探頭時(shí)，可將截止閥關(guān)閉，防止管道內(nèi)煤氣泄漏；當(dāng)超聲波探頭安裝完畢，打開截止閥，兩個(gè)超聲波探頭之間的聲道就暢通了，這時(shí)超聲波煤氣流量計(jì)就可以正常工作了。

圖1 大管徑超聲波煤氣流量計(jì)的工作原理

超聲波在兩個(gè)探頭之間的煤氣管道內(nèi)的順流傳播時(shí)間t和逆流傳播時(shí)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； 為超聲波在煤氣管道中的傳播距離L與管道軸線之聞的夾角。

由公式（1）和公式（2），求得管道內(nèi)煤氣的平均流逮為

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／tn）有關(guān)。只要測(cè)出順流傳播時(shí)聞t。和逆流傳播時(shí)間t ，即可計(jì)算出煤氣的流速。

2 基本配置

大管徑超聲渡煤氣流量計(jì)方框圖如圖2所示， 主要由一臺(tái)微處理器來進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量。微處理器的內(nèi)部與外部的是通過一個(gè)雙向接口來實(shí)現(xiàn)的，其它附屬設(shè)備包括：LCD液晶顯示器、RS-232數(shù)據(jù)發(fā)送器、4～20 mA信號(hào)輸出器、換向

圖2大管徑超聲波煤氣流量計(jì)的方框圖

開關(guān)、超高速計(jì)時(shí)器、窄脈沖發(fā)生器、延時(shí)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(cè)量煤氣流速的靈敏度閾為0.01m/s，可用于有效測(cè)量的煤氣流速的變化范圍從O到60m/s，可用于有效測(cè)量的煤氣管道的管徑大小范圍從50到3000mm，煤氣流量的測(cè)量精度優(yōu)于2%。

3 工作方式

大管徑超聲波煤氣流量計(jì)的工作波形如圖3所示。微處理器通過一個(gè)用于數(shù)據(jù)收發(fā)的雙向接口，輸出周期為100ms，寬度為0．2 的初始化信號(hào)（圖3a）。初始化信號(hào)分別被送往窄脈沖發(fā)生器、延時(shí)器和超高速計(jì)時(shí)器，進(jìn)行超聲波煤氣流量計(jì)的初始化操作。

初始化信號(hào)首先被送往窄脈沖發(fā)生器，該信號(hào)的脈沖上升沿使窄脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)寬度為O．2s的發(fā)射觸發(fā)信號(hào)（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(gè)超聲激勵(lì)脈沖（圖3c）。

初始化信號(hào)同時(shí)被送往延時(shí)器，該信號(hào)的脈沖上升沿使延時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)100s的延時(shí)脈沖（圖3d），這個(gè)延時(shí)脈沖被送往閘門觸發(fā)器的置l端。在延時(shí)脈沖出現(xiàn)的瞬間，閘門觸發(fā)器的Q端跳變?yōu)楦唠娖?/font>（圖3g）。

初始化信號(hào)還被送往超高速計(jì)時(shí)器， 該信號(hào)的脈沖上升沿使超高速計(jì)時(shí)器清零， 并同時(shí)開始計(jì)時(shí)。與此同時(shí)，超聲波在煤氣管道中傳播，當(dāng)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(hào)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?hào)。接收放大器將超聲波接收信號(hào)放大（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(hào)到達(dá)的瞬間，立即由高電平突變?yōu)榈碗娖?/font>（圖3g）。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3g）就分別代表了超聲波在煤氣管道中順流的傳播時(shí)間。

和逆流的傳播時(shí)間t 。順流和逆流的測(cè)量換向時(shí)間為100ms。超高速計(jì)時(shí)器在這一閘門脈沖的作用下進(jìn)行精密計(jì)時(shí)，并將計(jì)時(shí)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(shí)間t。和逆流的傳播時(shí)間tn轉(zhuǎn)化為管道內(nèi)煤氣的流量。流量的溫度和壓力自動(dòng)補(bǔ)償根據(jù)公式（4）來計(jì)算：