淺談氣體超聲波流量計換能器性能下降對天然氣計量的影響

摘 要：氣體超聲波流量計換能器是超聲波的發(fā)射和接收裝置，是測量聲速和天然氣流速的關(guān)鍵部件，也是流量計唯一與天然氣直接接觸的測量部件。在使用過(guò)程中，換能器的工作性能就會(huì )持續下降，將直接影響測量精度，造成計量誤差�，F場(chǎng)加強換能器的診斷檢查和維護，對及時(shí)發(fā)現問(wèn)題、延長(cháng)換能器使用壽命、保證性能良好具有非常重要的意義。

關(guān)鍵字：超聲流量計 換能量 天然氣計量

0 引言

換能器是超聲波流量計重要部件，其性能好壞直接影響流量計計量精度的高低，而造成換能器性能降低的因素比較繁雜和難以分析，但通過(guò)對換能器工作條件的分析和工作原理的理解，我們可以更為及時(shí)地發(fā)現換能器性能下降的情況，對是否更換換能器作出及時(shí)的判斷，從而有效降低換能器性能下降對天然氣計量的影響。

1 氣體超聲波流量計原理

1.1 超聲換能器工作原理

超聲換能器主要工作部件是壓電晶體，其在外界施加的電場(chǎng)作用下，將在一定方向上產(chǎn)生機械變形；當外加電場(chǎng)撤去后，該變形則隨之消失。壓電晶體一定頻率的機械變形（振動(dòng)）則產(chǎn)生聲波，當頻率超過(guò)20kHz則產(chǎn)生超聲波。壓電晶體工作原理如圖1。流量計一對換能器相互接收和發(fā)送超聲波，外部電場(chǎng)的加載或撤除由脈沖發(fā)生器控制，超聲波由一端換能器發(fā)出至另一端換能器接收的時(shí)間由流量計CPU板時(shí)鐘進(jìn)行采集。換能器信號檢測回路如圖2。

圖1 壓電晶體工作原理

圖2 超聲換能器信號檢測回路

1.2 氣體超聲波流量計計量原理

本文所述氣體超聲波流量計為時(shí)間直通式超聲流量計，其工作原理是利用超聲脈沖在氣流傳播的速度與氣流的速度有對應的關(guān)系，即順流時(shí)超聲波脈沖傳播速度比逆流時(shí)傳播速度要快，這兩種超聲波脈沖傳播的時(shí)間差越大，則流量也越大。在實(shí)際工作過(guò)程中，處在上下游的換能器將同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖，氣流的作用將使兩束脈沖以不同的傳播時(shí)間到達接收換能器，通過(guò)采集的時(shí)間以及相關(guān)距離參數計算出氣體流速和聲速�；�本計算公式如下：

    （1）

v——流體速度（m/s）；

c——聲速（m/s）；

L——聲道長(cháng)度，由出廠(chǎng)測定的流量計底座距離和探頭的相關(guān)安裝參數確定（m）；

x——聲道距離，出廠(chǎng)測定（m）；

t_up——上游傳輸時(shí)間，由流量計CPU板時(shí)鐘采集得到（s）；

t_down——下游傳輸時(shí)間，由流量計CPU板時(shí)鐘采集得到（s）。

由公式（1）引入管徑、相關(guān)修正系數等參數可計算出工況下的瞬時(shí)流量：

qv——流過(guò)短管的氣體的經(jīng)過(guò)溫度和壓力修正的體積流量（m³/h）；

Vel——短管內測量的速度流量（m/s）；

Din——經(jīng)過(guò)標定的管道內徑（m）；

Cpsm——短管的壓力影響修正系數；

Ctsm——短管的溫度影響修正系數；

MF——基于流量的流量計修正系數；

CFact——雷諾數速度修正（僅對初級超聲波流量計有要求）。

對于高級超聲波流量計，CFact=1。

2 換能器性能下降的主要影響因素

換能器是氣體超聲波流量計唯一與天然氣直接接觸的測量部件，其一直處于氣流沖刷和不良氣質(zhì)侵蝕的狀態(tài)，長(cháng)期下來(lái)?yè)Q能器的工作性能就會(huì )有所下降，直接影響測量精度，造成計量誤差。

造成換能器性能下降的主要影響因素有以下幾點(diǎn)：

2.1 高速、高溫氣體沖刷

根據《GB-T18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》要求氣體超聲波流量計流速測量范圍為0.3～30m/s。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于供氣規模的增大，氣體流速過(guò)大造成換能器震動(dòng)以致出現松動(dòng)的現象。另外在啟用計量支路操作不當的情況下，高速氣流短時(shí)間內充滿(mǎn)管道，氣體溫度驟升，溫度超過(guò)換能器的使用范圍，這樣也會(huì )對換能器造成損壞。

2.2 不良氣質(zhì)的侵蝕

天然氣輸送管道環(huán)境較為復雜，通�？赡艽嬖诟�蝕性氣體如H2S、游離水、油脂、鐵銹和泥土等污染物，這些污染物都會(huì )附著(zhù)或干擾換能器工作，在冬季管道中無(wú)氣體流動(dòng)的時(shí)候，管道中游離水就會(huì )結冰凍結探頭，造成探頭工作異常。管道中的固體雜質(zhì)如油脂等極易附著(zhù)在換能器上，造成換能器工作性能下降或停止工作。圖4、圖5反映了探頭被油脂附著(zhù)的情況。

圖3 超聲換能器測量示意圖

圖4 臟污換能器照片

3 換能器常見(jiàn)問(wèn)題對計量的影響分析

由公式（1）可以看出，氣體超聲波流量計測量氣體流速的關(guān)鍵參數是L、x、t_up、t_down，本文將根據流量計現場(chǎng)使用存在的問(wèn)題做對應分析。

3.1 L、x測量不準確，或換能器臟污等造成聲程變化對計量的影響

x值由流量計出廠(chǎng)時(shí)測定，其加工精度一般達到1/10000inch，并將每對換能器的x值腐刻于銘牌上，該值不會(huì )在使用過(guò)程中發(fā)生改變。

L值由流量計表體每對換能器底座之間的距離，以及探頭的加工參數共同決定，其每個(gè)部件的加工精度一般達到1/10000inch。在實(shí)際流量計使用過(guò)程中，由于天然氣含有固體粉塵或液體雜質(zhì)，并可能附著(zhù)在換能器表頭，造成L值發(fā)生改變；或是在進(jìn)行換能器更換時(shí)，將換能器相關(guān)出廠(chǎng)數據輸入錯誤，也將造成L值發(fā)生異常改變。

由公式（1）可知v∝L2、c∝L，即L值增大（減�。�將造成測量的氣體流速、聲速相應的增大（減�。�，同理也就會(huì )造成天然氣計量的增大（減�。�。

3.2 換能器性能下降，時(shí)間測量不準確對計量的影響

由圖2得知，上下游換能器的發(fā)射和接收時(shí)間由流量計CPU板時(shí)鐘采集得到，其主要包括超聲波發(fā)射至接收的時(shí)間t，以及換能器本身材質(zhì)所產(chǎn)生的延遲時(shí)間t_dly和換能器使用在上下游的延遲時(shí)間差t_dltdly。后兩者由換能器出廠(chǎng)時(shí)完成測量，并植入流量計組態(tài)中參與計算。

t_up=t-t_dly-t_dltdly或t_down=t-t_dly-t_dltdly    （3）

在管道中氣體不流動(dòng)的情況下，t_up=t_down，而當換能器性能下降或時(shí)鐘采集時(shí)間不準確，則會(huì )出現t_up≠t_down。如果△t=t_up-t_down超過(guò)了正常誤差范圍，由公式（1）可以看出，該通道將測得不真實(shí)氣體流速，表現出流量計有瞬時(shí)流量的產(chǎn)生。

若△t＜0，則出現正向流方向的不真實(shí)氣體流速；若△t＞0，則出現逆向流方向的不真實(shí)氣體流速。正常供氣條件下使用該問(wèn)題流量計，就會(huì )在測量上下游時(shí)間差時(shí)先抵消不真實(shí)△t的影響，這樣將會(huì )造成計量的起點(diǎn)發(fā)生改變。即，△t＜0時(shí)流量計將多計量，△t＞0時(shí)流量計將少計量。

從現場(chǎng)使用的一臺DN200在氣體不流動(dòng)狀態(tài)下存在t_up≠t_down問(wèn)題的流量計現場(chǎng)測量數據來(lái)看，上下游換能器測量時(shí)間差為0.235μs，其計算出的氣體流速約為0.18m/s，以此流速得出的工況流量約為20m³/h。即，氣體不流動(dòng)狀態(tài)下，此問(wèn)題流量計就已經(jīng)開(kāi)始錯誤計量。對該流量計的一對問(wèn)題換能器進(jìn)行更換后，消除了以上錯誤計量問(wèn)題，最終通過(guò)了實(shí)流標定。（表1）

圖5 臟污換能器診斷圖（C換能器臟污）

表1 某臺DN200流量計換能器更換前后標定數據對比

3.3 環(huán)境噪聲對氣體超聲波計量的影響

氣體超聲波流量計發(fā)射的超聲頻率約為120kHz，而調壓設備也會(huì )產(chǎn)生一定的高頻噪聲，一定程度上將影響流量計對超聲信號的接發(fā)。所以站場(chǎng)設計應充分考慮調壓高頻噪聲對超聲換能器的干擾影響，一般采用設置T型匯管或計量調壓分區等措施。高頻噪聲造成流量計信號模糊，并產(chǎn)生流量信噪比，使流量計的電子單元難以區別或無(wú)法區分這兩種信號，導致超聲換能器不能準確收發(fā)超聲波信號，因此極大地影響氣體超聲波流量計的性能、準確度和穩定性，甚至使流量計無(wú)法工作。試驗研究表明，高頻噪聲可使氣體超聲波流量計的誤差高達2%，同時(shí)從現場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，噪聲對流量計計量呈負誤差影響。

4 結論及建議

超聲換能器是氣體超聲波流量計的關(guān)鍵測量部件，其性能下降至完全損壞是一個(gè)長(cháng)期積累的結果。在做好站場(chǎng)設計和降噪措施后，日常運行中應做好診斷檢查和維護，對及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，延長(cháng)換能器使用壽命，保證使用性能具有非常重要的意義。

使用診斷軟件定期對流量計進(jìn)行檢查，了解超聲換能器的運行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現處理問(wèn)題。尤其做好氣體不流動(dòng)下氣體超聲波流量計狀態(tài)的檢查，發(fā)現換能器存在上下游時(shí)間差時(shí)，應及時(shí)地對換能器進(jìn)行更換�！禛B-T18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》相比2001版，提高了氣體超聲波流量計零流量讀數要求，將以往的零流量下每一聲道的流速讀數要求＜12mm/s提升為＜6mm/s，這一要求也是對換能器性能的一個(gè)監控。另外根據診斷結果，對聲速（SOS）異常、增益值（Gain）增大、信噪比（SNR）減小的換能器進(jìn)行清洗維護，在日常的運行過(guò)程中，還應避免計量支路的不正確投用造成換能器損壞的情況。