王影　劉彬　于昊　包晨龍

【摘 要】對于天然氣計量工作來說，氣體超聲波流量計的計量精度，對于天然氣供應(yīng)工作有著重要的意義。為了保證該設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，論文針對其計量原理進行了分析，討論了影響計量器中換能器性能下降的主要因素，旨在為提升天然氣計量精度提供參考。

【Abstract】For the measurement of natural gas， the measurement accuracy of gas ultrasonic flowmeter is of great significance for the supply of natural gas.In order to ensure the normal operation of the equipment， this paper analyzes its measurement principle and discusses the main factors affecting the performance degradation of the transducer in the meter， the aim is to provide reference for improving the measurement accuracy of natural gas.

【關(guān)鍵詞】氣體超聲波流量計;換能器;性能;計量

【Keywords】gas ultrasonic flowmeter; transducer; performance; measurement

【中圖分類號】F407.22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0098-02

1 引言

目前，我國很多城市都開展了“煤改氣”工作，因此，天然氣的使用量也有著明顯的提升。為了滿足群眾的天然氣使用需求，國家也建設(shè)了大批量的配套設(shè)施。在這種背景下，我國天然氣計量工作也面臨著巨大的壓力，各類計量設(shè)備也處于較高的工作強度下，所以很多計量設(shè)備也出現(xiàn)了各種各樣的問題。

在天然氣行業(yè)中，氣體超聲波流量計是常用的計量設(shè)備，其中的換能器是測量天然氣流速的關(guān)鍵部件，也是發(fā)射和接收超聲波的重要裝置，同時也是唯一與天然氣進行直接接觸的重要部件。但是，在氣體超聲波流量計工作過程中，換熱器的工作性能會發(fā)生持續(xù)下降的問題，這一問題的出現(xiàn)直接影響測量的精度，導致天然氣計量誤差的發(fā)生。所以，確定換能器性能下降情況，并對其進行診斷維護就成為保證測量精度的重要手段，這對于延長氣體超聲波流量計使用壽命也有著重要的意義。

2 氣體超聲波流量計工作原理

壓電晶體是超聲換能器的重要工作部件，該部件會在外界施加電廠作用的情況下，在一定方向上發(fā)生機械變形，并且這種變形會隨著電場的消失而消失。所以，在電場反復(fù)出現(xiàn)消失的過程中，壓電晶體會保持一定頻率的機械變形狀態(tài)，并產(chǎn)生相應(yīng)的聲波，如果這種聲波的頻率超過了20kHz，那么就會產(chǎn)生超聲波。超聲波的接收和發(fā)送主要由流量計的換能器完成，流量計的CPU板時鐘則能對超聲波從一端換能器發(fā)送至另外一端換能器的時間進行采集[1]。

直通式超聲流量計是常用的氣體超聲波流量計，由于氣流的速度與超聲波在氣流中的傳播速度有著一定的對應(yīng)關(guān)系，具體為逆流時，超聲波脈沖傳播速度比順流時快，所以兩者時間差的變大就意味著流量的增加。在實際測量過程中，超聲波脈沖能夠同時由上下游換能器發(fā)出，并且由于氣流的速度與超聲波在氣流中的傳播速度有著一定的對應(yīng)關(guān)系，所以兩束脈沖會在不同時間內(nèi)到達換能器，進而能夠確定采集的時間，并通過時間計算出相應(yīng)的氣體流速[2]。

3 導致?lián)Q能器性能下降的主要影響因素

由于換能器需要與天然氣進行直接接觸，同時天然氣本身會含有少量的腐蝕性物質(zhì)，所以換能器在運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生一定的老化、腐蝕問題，隨著時間的流逝，其工作性能就會下降，并發(fā)生測量精度下降的問題，進而造成測量誤差。通過分析換能器工作原理以及總結(jié)日常設(shè)備維護經(jīng)驗，總結(jié)出導致?lián)Q能器性能下降的主要影響因素有以下幾點。

3.1 高溫、高速氣體沖刷帶來的損耗

對于氣體超聲波流量計的流速測量范圍，我國已經(jīng)頒布了相應(yīng)的技術(shù)標準對其進行限定，其測量范圍為0.3～30m/s。在實際測量過程中發(fā)現(xiàn)，在供氣規(guī)模增大的情況下，氣體流速也會隨之增大，同時換能器會由于氣流流動所產(chǎn)生的振動而發(fā)生振動，并出現(xiàn)松動的問題。另外，如果沒有按照操作要求啟用計量器，管道內(nèi)就會在短時間內(nèi)充滿高速氣流，并伴隨著氣體溫度驟然升高的現(xiàn)象，此時的溫度一般都會超過換能器能夠接受的范圍，進而導致?lián)Q能器發(fā)生故障[3]。

3.2 不良氣體的侵蝕

相比其他環(huán)境來說，天然氣輸送管道內(nèi)的環(huán)境是相對復(fù)雜的，并且天然氣中往往會含有一定含量的游離水、硫化氫氣體、油脂、泥土等物質(zhì)，這些物質(zhì)會隨著天然氣的輸送與換能器進行接觸，部分物質(zhì)還會黏著在換能器表面，進而影響正常的計量工作。尤其是在北方冬季，天然氣中的水分往往會凝結(jié)在換能器的探頭上，導致探頭無法正常工作，并出現(xiàn)換能器工作性能下降的問題，嚴重時會停止工作[4]。

4 換能器故障對計量產(chǎn)生的影響

4.1 換能器性能下降，時間測量不準確對計量的影響

在測量過程中，CPU板能夠采集到超聲不發(fā)生至接受時的實踐，也會采集到換能器使用在上下游的延遲時間差和換能器本身材質(zhì)所產(chǎn)生的延遲時間，這些時間參數(shù)可以帶入

計算過程中。這些參數(shù)對于計量工作來說是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)出錯，必然會導致天然氣流速計量錯誤的問

題[5]。

4.2 環(huán)境噪聲對氣體超聲波計量的影響

一般來說，氣體超聲波流量計發(fā)生的超聲頻率在120kHz左右，并且輔助天然氣供應(yīng)所需的調(diào)壓設(shè)備在工作時也會發(fā)生一定的高頻噪聲，流量計超聲信號的接發(fā)會在這些高頻噪聲的影響下產(chǎn)生誤差。所以，在站場設(shè)計的過程中，應(yīng)該先對調(diào)壓設(shè)備的高頻噪聲產(chǎn)生情況進行分析和調(diào)查，并根據(jù)設(shè)備的具體情況采用相應(yīng)的抗干擾措施，T型匯管或者計量調(diào)壓分區(qū)等措施都是能夠有效避免環(huán)境噪聲影響氣體超聲波計量工作的措施。高頻造成對流量計影響具體表現(xiàn)為信號出現(xiàn)模糊的問題，流量信噪比會發(fā)生明顯變化，在測量過程中，流量計的電子單元一般很難明確區(qū)分這兩種信號，所以會導致超聲波信號無法被有效測量出來，計量器的測量精度會受到影響。有研究表明，高頻造成會引起高達2%的測量誤差，并且通過實際經(jīng)驗總結(jié)來看，對于流量計計量來說噪聲主要呈現(xiàn)負誤差影響[6]。

5 保證換能器性能的主要措施

5.1 嚴格按照技術(shù)標準操作設(shè)備

嚴格按照技術(shù)標準操作天然氣設(shè)備，能夠在工期規(guī)模增大的情況下，有效控制其氣體的流速，避免氣體流速過大所導致的異常振動，另外也能避免管道內(nèi)短時間內(nèi)出現(xiàn)高速氣體所帶來的溫度升高現(xiàn)象的發(fā)生。由此可見，這樣也能讓設(shè)備處于一個相對良好且穩(wěn)定的工作環(huán)境，起到有效控制性能下降的速度的作用。

5.2 做好天然氣的過濾、凈化工作

目前，天然氣系統(tǒng)中都會配備相應(yīng)的過濾、凈化設(shè)施，在實際天然氣供應(yīng)過程中，對這些設(shè)施進行維護和優(yōu)化，能夠有效提升天然氣的純凈度，減少游離水、硫化氫、油脂、鐵銹等污染物的含量，并避免這些污染物質(zhì)黏著在換能器表面，換能器的使用壽命會間接得到延長。

5.3 加強多調(diào)壓設(shè)備的檢查和維護

由于調(diào)壓設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生高頻噪聲，通過有效的檢查和維護能夠在一定程度上避免高頻噪聲的出現(xiàn)，從而避免換能器受到高頻噪聲的影響。T型匯管或者計量調(diào)壓分區(qū)等措施都是能夠有效避免環(huán)境噪聲影響氣體超聲波計量工作的措施，但是也需要根據(jù)實際情況選擇和按照相應(yīng)的噪聲控制設(shè)備。

6 結(jié)語

嚴格按照技術(shù)標準操作設(shè)備，做好天然氣的過濾、凈化工作，加強多調(diào)壓設(shè)備的檢查和維護都能起到延長換能器使用壽命的作用。另外，也需要技術(shù)人員加強對換能器性能的檢測工作，及時發(fā)現(xiàn)問題所在，并對損害嚴重的設(shè)備進行更換，保證計量設(shè)備的穩(wěn)定運行。

【參考文獻】

【1】郭建光.超聲波流量計在測量火炬氣中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2018，45（11）：851-853.

【2】馬玉寶，覃新容.天然氣超聲波計量系統(tǒng)性能影響因素分析[J].計量與測試技術(shù)，2018，45（09）：71-74.

【3】操偉中.超聲波流量計在天然氣貿(mào)易交接計量中的應(yīng)用探討[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2018（07）：170-171.

【4】毛銳.超聲波流量計在氣體計量中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊，2018，44（06）：146.

【5】周健，王舒吉.天然氣超聲波計量系統(tǒng)性能的影響因素[J].云南化工，2018，45（05）：173.

【6】慕志國.氣體超聲波流量計在城市燃氣工商業(yè)計量的應(yīng)用[A].中國土木工程學會燃氣分會.2017中國燃氣運營與安全研討會論文集[C].中國土木工程學會燃氣分會：《煤氣與熱力》雜志社有限公司，2017：7.