多年来,国内锅炉的燃烧监测手段落后,司炉进行的锅炉燃烧调整一直停留在依靠观测风道静压、风门开度和肉眼看火的基础上，很难有效实现锅炉合理燃烧的调整。虽然目前技术上较为成熟的标准和非标准动压(风速)测量装置已数不少，但由于设备布置条件的限制，在生产现场几乎难以找到较为合适的安装位置和满足动压测量装置的基本测量条件。在这种情况下，由于没有误差限作保证，所取得的数据最多只能作为定性参考，无法实现准确的定量测量。为此需要设计一套新型的风速测量装置以实现对锅炉燃烧的在线控制。
一、设计依据
工业上广泛采用的涡轮流量计有许多优点，诸如精度高、量程宽、耐压高等。为此，借鉴涡轮流量计的工作原理，设计了新型的风速测试装置。涡轮流量计是一种常规测速仪表，它属于速度式流量测量仪表，与水表、风速计等同属叶轮仪表。利用置于流体中的叶轮转速与流体的流速成比例的关系，通过测量叶轮转速得出流量流速，继而求出流体流量。
1.1涡轮流量计的设计原理
令涡轮叶片与涡轮轴线的夹角为α，当将涡轮流量计涡轮置于被测流体中，根据流体动量矩原理，当流体流动冲击涡轮时，流体将有一个力作用在叶片上，使其转动。设叶片旋转时的平均旋转半径为r;叶栅的流通截面为S;气体流速为u;被测流体的流量为Q;平均半径r处的切向速度为υ;叶片转速为n，则有:
当涡轮结构一定时，r、S、α为定值，即为常数，流量Q正比于涡轮的转速n，设常数为C，则：
Q＝Cn(2)
也就是说流体流量与叶轮转速成线性比例，标定出比例系数即可。
1.2涡轮流量计的不足
式(1)与式(2)是在忽略涡轮转动过程中各种阻力的情况下导出的，实际上，流体冲击叶轮产生转动力矩时，尚需克服流体沿叶轮表面流动时的粘滞摩擦力矩、涡轮轴与轴承之间的摩擦力矩等。另外，由于涡轮本身的转动惯量和具体结构上的差异，实际流量与涡轮的转速之间并不能维持简单的线性关系。其实际特性方程为
n＝cQ－ca(3)
式中:c为流量计流量与转速转换系数;a为流量传感器结构参数、流体流态及特性等相关系数。
其涡轮传感器特性曲线，即Q(流量)-ξ(仪表常数，为 流量计输出频率与流体流量的比值，如果线性好，则ξ为定值)特性曲线并非理想的水平线，而是如图l(a)所示的曲线。
通过特性方程以及其特性曲线可得到如图1(b)所示的Q(流量)-n(转速)关系曲线，发现涡轮流量计存在最大与最小量程QA、QB。即流体流量在量程范围内，流体流速与传感器叶片转速是线性的，当流量小于QA或大于QB时，线性关系就会变得很差，不能进行准确测量。
1.3风洞实验
为了测试周向涡轮流量计的性能，在实验室的吸入式风洞上进风洞实验，主要目的是考核周向涡轮流量计在涡流区的输出特征。实验室的吸入式风洞是一个通用系统，其进风口、风道、标准流量计和引风机是固定配置，风道口径为280mm×320mm，风道的最大引风量为200Om3/h。使用时，只要制作并安装好实验段即可。实验系统由进风口、风道、实验段、标准流量计和引风机组成。标准流量计采用热线风速仪，引风机采用变频调节以便于在实验中改变风量。实验时，通过变频调节引风机以改变风洞的风量，在各个风量工况下同时读出标准流量计的流量和周向涡轮流量计的转速。
二、新型风速测量装置的方案设计
涡轮流量计的缺点在于运动部件，但是考虑到它是一个零功率输出的涡轮，轴承几乎没有承载，只要设计合理的支承并通过合理的叶轮设计控制转速，同时选择合适的轴承与支承方式，其寿命和可靠性是有保证的。为此，我们设计了一套双支承结构的方案。双支承式旋转叶轮风速仪具体结构如图2所示，其中图2(a)为盒式风叶轴系三维示意图;图2(b)为整装结构示意图;图2(c)为装配示意图。该方案的外壳由不锈钢盒子拼成，轴承座用螺栓固定在外壳的两个侧壁上，风叶由小不锈钢盒子构成，将其用小螺栓固定在十字型轮辐上构成轴系，磁感应的传感器置于背部。
2.1叶轮设计
叶型设计原则为有利于叶轮的启动、有利于保持叶轮的动平衡、易加工、自重小，具体涉及到以下几方面:
①叶型
对于双支式风速仪，其叶型比较简单，主要有两种形式，如图3所示。由于流体对不同障碍物的绕流系数不同，当以图3(a)半管状叶子或图3(b)盒式叶子的凹面迎风时，叶轮稳定转动的转速较高;若以图3(a)所示的半管状叶子凸面迎风，则启动比较困难，我们取折中方案，采用图3(b)所示的盒式叶子的背面迎风。
②轮辐半径
一方面，理论上叶轮稳定运转后,ω与r成反比关系。旋转叶轮风速仪叶轮转速-半径理论关系如图4所示，在r小于r0处,ω的值较大，但ω随着r的小幅增加，会有大幅下降;过了r0后随r的增加,ω的降幅趋缓；另一方面，r增大时，虽启动力矩会有所增加，但整个结构会比较笨重，叶轮自重增加，轴承受到的载荷亦增加，使启动摩擦力矩增加，而转动惯量则以r的二次关系增长。当风速变化时，叶轮反应的滞延会相对的长些。因而r太大或太小都不适宜，我们取r为l50mm。
③叶数
一般三叶的动平衡最易保证，但是由于安装关系，如采用三叶，在启动时侵入流场的量相对少些。而流体靠近管道壁处的流速相对又小，从而启动力矩偏小而不易启动。若采用四叶，侵入流场的量就相对多些，启动性能相对也就大些。至于五叶或以上，存在如同r较大时类似的不利因素。综合考虑，我们的风速仪采用四叶。
2.2传感器隔热
为了测得叶轮的转速，需要安装传感器。对于双支式风速仪，若采用磁感应式传感器，安装比较繁琐，且其隔热设计比较复杂。为此，我们采用对射式光感应传感器。对射式光感应传感器的安装同样需要隔热，这里采用的方法如图5所示。虽然不锈钢管A端连接的热源(壳壁)里面有热空气，但因其位于冷空气中，由于金属优良的热导性，到组合体C时，温度已有所降低。而组合体C阻止了空气的对流，且本身又是热不良导体，在管B侧，温度亦有所降低，同时管A、管B也起到降温作用，直到传感器位置时，温度已降到传感器工作温度范围内了。
2.3风洞试验结果
将双支承式旋转叶轮风速仪安装在风洞实验段的支架上，由于计数器本身有±60的误差，所以在每记录一次风速读数的同时，需要连续读一组转速数据，然后取平均作为相应风速对应的频率数。表1为记录的实验数据，其中转速为取平均值后的结果，图6为相应的图线形式结果。
由图6可见，这种结构形式下，叶轮启动时所需的风速不很大(<8m/s)，随着风速的不断升高，传感器的叶片转速不断提升，线性性能较好。且风速较大时(>30m/s)，仍保持良好的线性，且转速相对较低(<250Or/min)。相对而言，是种较好的方案。
速度型流量计取出的信号代表了通道中某点或某个区域的流速，计算流量时需要将测得的流速换算成通道的平均流速才能计算出通道的流量。可以采用标准流量计进行示踪标定。
三、结束语
传统流速测量的方法还比较落后，很难做到准确测量，针对这一问题，本文提出了新型风速测量装置的设计方案。包括设计原理与依据、叶轮设计、传感器隔热设计以及测量装置的总装设计。并通过风洞实验对测量装置进行验证，得到的实验数据表明，通过新型的风速测量装置，可以较为准确地测得煤粉的流量，从而可以对锅炉燃烧做到在线控制。
