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作用下，將在一定方向上產生機械變形；當外加電場撤去后，該變形則隨之消失。壓電晶體一定頻率的機械變形（振動）則產生聲波，當頻率超過20kHz則產生超聲波。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送超聲波，外部電場的加載或撤除由脈沖發生器控制，超聲波由一端換能器發出至另一端換能器接收的時間由流量計CPU板時鐘進行采集。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系，即順流時超聲波脈沖傳播速度比逆流時傳播速度要快，這兩種超聲波脈沖傳播的時間差越大，則流量也越大。在實際工作過程中，處在上下游的換能器將同時發射超聲波脈沖，氣流的作用將使兩束脈沖以不同的傳播時間到達接收換能器，通過采集的時間以及相關距離參數計算出氣體流速和聲速?；居嬎愎饺缦拢?/p>

    （1）

v——流體速度（m/s）；

c——聲速（m/s）；

L——聲道長度，由出廠測定的流量計底座距離和探頭的相關安裝參數確定（m）；

x——聲道距離，出廠測定（m）；

t_up——上游傳輸時間，由流量計CPU板時鐘采集得到（s）；

t_down——下游傳輸時間，由流量計CPU板時鐘采集得到（s）。

由公式（1）引入管徑、相關修正系數等參數可計算出工況下的瞬時流量：

qv——流過短管的氣體的經過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——經過標定的管道內徑（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侵蝕的狀態，長期下來換能器的工作性能就會有所下降，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：

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。在實際使用過程中，由于供氣規模的增大，氣體流速過大造成換能器震動以致出現松動的現象。另外在啟用計量支路操作不當的情況下，高速氣流短時間內充滿管道，氣體溫度驟升，溫度超過換能器的使用范圍，這樣也會對換能器造成損壞。

2.2 不良氣質的侵蝕

天然氣輸送管道環境較為復雜，通?？赡艽嬖诟g性氣體如H2S、游離水、油脂、鐵銹和泥土等污染物，這些污染物都會附著或干擾換能器工作，在冬季管道中無氣體流動的時候，管道中游離水就會結冰凍結探頭，造成探頭工作異常。管道中的固體雜質如油脂等極易附著在換能器上，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 換能器常見問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鍵參數是L、x、t_up、t_down，本文將根據流量計現場使用存在的問題做對應分析。

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值由流量計出廠時測定，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，該值不會在使用過程中發生改變。

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，其每個部件的加工精度一般達到1/10000inch。在實際流量計使用過程中，由于天然氣含有固體粉塵或液體雜質，并可能附著在換能器表頭，造成L值發生改變；或是在進行換能器更換時，將換能器相關出廠數據輸入錯誤，也將造成L值發生異常改變。

由公式（1）可知v∝L2、c∝L，即L值增大（減?。⒃斐蓽y量的氣體流速、聲速相應的增大（減?。?，同理也就會造成天然氣計量的增大（減?。?。

3.2 換能器性能下降，時間測量不準確對計量的影響

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

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的情況下，t_up=t_down，而當換能器性能下降或時鐘采集時間不準確，則會出現t_up≠t_down。如果△t=t_up-t_down超過了正常誤差范圍，由公式（1）可以看出，該通道將測得不真實氣體流速，表現出流量計有瞬時流量的產生。

若△t＜0，則出現正向流方向的不真實氣體流速；若△t＞0，則出現逆向流方向的不真實氣體流速。正常供氣條件下使用該問題流量計，就會在測量上下游時間差時先抵消不真實△t的影響，這樣將會造成計量的起點發生改變。即，△t＜0時流量計將多計量，△t＞0時流量計將少計量。