烟气流速流量监测 超声波时差法

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
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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 0
1d =
.......................................................................（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 0
1d =
.......................................................................（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。

9.1.2烟道内采样断面的位置优先选择在靠近超声波烟气流速流量仪的下游处。

9.2采样孔和采样平台
9.2.1烟道壁开设采样孔的布置和数量应符合GB/T16157中的要求。

9.2.2烟道外采样孔旁应设置采样平台，采样平台的建设应符合HJ75-2017中的要求。

10比对监测
10.1调试检测
10.1.1流速流量仪完成现场安装/改装的初步调试后，连续正常运行时间应不少于168小时。

10.1.2调试检测在运行168小时后进行，调试检测期间不允许计划外的校准、检修和调节仪器。

10.1.3因超声波气体流速计故障、断电等原因造成调试检测中断，应在上述因素恢复正常后重新开始进行调试检测。

10.1.4调试检测前可以对流速流量仪进行一次零点和量程校准。

10.1.5调试检测前应将仪器的现场几何参数输入到流速流量仪中。

10.2一般要求
10.2.1当流速＞5m/s时，可选择按照GB/T16157中的规定的皮托管法进行烟道断面的分区域移动检测，也可选择便携式超声波流速流量仪进行比对检测。

10.2.2当流速≤5m/s时，可选择使用便携式超声波流速流量仪进行比对检测。

10.2.3比对监测时间可在调试检测合格后立即开始，也可在仪器正常运行期间定期校验时、质控必要时进行，或采用抽检形式进行。

10.2.4比对监测期间，生产设备和治理设施工作正常，运行状况保持稳定。

10.2.5比对监测前可以用对流速流量仪进行一次零点或量程校准。

10.2.6比对监测期间若对流速流量仪内部重要元件或整机进行修理更换，应重新开始检测。

10.2.7流速流量仪的安装位置、声道位置、数量及手工采样位置应符合第7章、第8章的要求。

10.3比对监测方法
使用皮托管法参比方法进行比对监测时，至少获得测试断面流速的5个有效平均值，见附录B。

取测试的平均值与同时段流速流量仪的平均值计算相对误差，计算方法参见附录C，检测结果记录参见附录A。

附录A
（资料性附录）
流速流量仪相关测试原始记录表
A.1流速流量仪的零点和量程漂移检测记录表如表A.1。

表A.1流速流量仪的零点和量程漂移检测
测试人员流速流量仪生产厂
测试地点型号编号
测试位置校准量程值
流速流量仪原理
日期
时间
计量单
m/s
备注零点读数
零点漂
移绝对
误差
调节零
点否
量程读数
量程漂
移绝对
误差
调节量
程否
开始结束
起始
（Z
）
最终
（Z
i
）
△Z=
Z
i
-Z0
起始
（S
）
最终
（S
i
）
△S=
S
i
-S
零点漂移绝对误
差最大值
量程漂移绝对误
差最大值
零点漂移量程漂移
A.2流速流量仪的速度场系数和精密度检测记录表如表A.2。

表A.2速度场系数和精密度检测
测试人员流速流量仪生产厂测试地点型号编号
测试位置流速流量仪原理
参比方法仪器生产厂型号、编号、原理参比方法计量单位流速流量仪计量单位
日期方法
测定次数
日平
均值
标准
偏差
相对
标准
偏差
% 123456789
手工
流速流量仪场系数
手工
流速流量仪场系数
手工
流速流量仪场系数
手工
流速流量仪场系数
速度场系数日平均值
的均值标准偏差
相对标准偏
差（%）
注：不参与日平均值统计的测量数据需标注
A.3流速流量仪的相关性调试检测记录表如表A.3。

表A.3相关性调试检测
测试人员流速流量仪生产厂测试地点型号编号
测试位置流速流量仪原理
参比方法仪器生产厂型号、编号、原理参比方法计量单位流速流量仪计量单位
建立回归方程
工况123参比方法测定值（y）
流速流量仪测定值（x）
斜率
截距
相关系数
A.4参比方法验收流速流量仪测定结果相对误差、相对准确度记录表如表A.4。

表A.4参比方法验收流速流量仪测定结果相对误差、相对准确度测试人员流速流量仪生产厂
测试地点型号编号
测试位置流速流量仪原理
参比方法仪器生产厂型号、编号、原理
参比方法计量单位流速流量仪计量单位
验收流速流量仪测定结果相对误差测定时间：
流速
m/s
数据对号12345
平均值
相对误差
%
参比方法测定值
流速流量仪测定值
验收流速流量仪测定结果相对准确度测定时间：
样品编号时间
流速
m/s
参比方法A流速流量仪B数据对差B-A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
平均值数据对差的平均值的绝对值数据对差的标准偏差
置信系数
相对准确度（%）
附录B
（资料性附录）
比对监测方法测试断面
B.1断面测试方法如下：
使用皮托管法参比方法进行比对监测时，至少获得测试断面流速的5个有效平均值，取参比测试的平均值与同时段流速流量仪的平均值计算相对误差。

皮托管法参比方法测量点位从采样孔开始计算，取5个点位，分别为0.17D、0.33D、0.5D、0.67D 和0.83D，D为安装位置烟道（烟囱）的直径，如图B.1所示。

图B.1皮托管法参比方法测量点位示意图
附录C （资料性附录）
参比方法检测数据的计算与公式
C.1
建立一元线性回归方程
b kV V 0s +=.................................................................（C.1）
式中：
V s ---------参比方法测定断面湿烟气的平均流速，m/s；V 0---------流速流量仪测定断面湿烟气的平均流速，m/s；k ---------线性相关校准曲线的斜率；b ---------线性相关校准曲线的截距，m/s。

C.2
速度场系数计算
p
s
p s v V V F F K ⨯=
...........................................................（C.2）
式中：
K v ---------速度场系数；
F s ---------参比方法测量断面的横截面积，m 2
；
F p ---------流速流量仪测量断面的横截面积，m 2
；
s V ---------参比方法测量断面的平均流速，m/s；p V ---------流速流量仪测量断面的流速，m/s。

C.3
速度场系数精密度计算
100%
K S C v
v ⨯=
...........................................................（C.31）
()
1
-n K -K
S n
1
i 2
v
vi
∑==
...........................................................（C.32）
式中：
C v ---------速度场系数精密度，%；
S ---------检测期间测试速度场系数日均值的标准偏差，m/s；
v K ---------检测期间测试速度场系数日均值的平均值；vi K ---------每天获得速度场系数的日均值；
i ---------测试每天的序号（i=1～n）；C.4
速度场系数法调试流速流量仪后的流速
v s V K V ⨯=.................................................................（C.4）
式中：
s V ---------速度场系数法调试流速流量仪后断面湿烟气的平均流速，m/s；
K v ---------速度场系数；
0V ---------流速流量仪在测定断面测定湿烟气的平均流速，m/s。

C.5
烟气排放小时工况流量计算
sh
sh V F 3600Q ⨯⨯=...........................................................（C.5）
式中：
Q sh ---------工况条件下小时烟气流量（湿基），m 3
/h；
sh V ---------流速流量仪的烟气流速小时均值，m/s；
F ---------流速流量仪安装点位烟囱或烟道断面的面积，m 2。

_________________________________。