气体超声波流量计换能器性能下降对天然气计量的影响分析
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作者:王影 刘彬 于昊 包晨龙
【摘 要】对于天然气计量工作来说，气体超声波流量计的计量精度，对于天然气供应工作有着重要的意义。为了保证该设备的正常运转，论文针对其计量原理进行了分析，讨论了影响计量器中换能器性能下降的主要因素，旨在为提升天然气计量精度提供参考。
【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.
【关键词】气体超声波流量计;换能器;性能;计量
【Keywords】gas ultrasonic flowmeter; transducer; performance; measurement
【中图分类号】F407.22 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）09-0098-02
1 引言
目前，我国很多城市都开展了“煤改气”工作，因此，天然气的使用量也有着明显的提升。为了满足群众的天然气使用需求，国家也建设了大批量的配套设施。在这种背景下，我国天然气计量工作也面临着巨大的压力，各类计量设备也处于较高的工作强度下，所以很多计量设备也出现了各种各样的问题。
在天然气行业中，气体超声波流量计是常用的计量设备，其中的换能器是测量天然气流速的关键部件，也是发射和接收超声波的重要装置，同时也是唯一与天然气进行直接接触的重要部件。但是，在气体超声波流量计工作过程中，换热器的工作性能会发生持续下降的问题，这一问题的出现直接影响测量的精度，导致天然气计量误差的发生。所以，确定换能器性能下降情况，并对其进行诊断维护就成为保证测量精度的重要手段，这对于延长气体超声波流量计使用寿命也有着重要的意义。
2 气体超声波流量计工作原理
压电晶体是超声换能器的重要工作部件，该部件会在外界施加电厂作用的情况下，在一定方向上发生机械变形，并且这种变形会随着电场的消失而消失。所以，在电场反复出现消失的过程中，压电晶体会保持一定频率的机械变形状态，并产生相应的声波，如果这种声波的频率超过了20kHz，那么就会产生超声波。超声波的接收和发送主要由流量计的换能器完成，流量计的CPU板时钟则能对超声波从一端换能器发送至另外一端换能器的时间进行采集[1]。
直通式超声流量计是常用的气体超声波流量计，由于气流的速度與超声波在气流中的传播速度有着一定的对应关系，具体为逆流时，超声波脉冲传播速度比顺流时快，所以两者时间差的变大就意味着流量的增加。在实际测量过程中，超声波脉冲能够同时由上下游换能器发出，并且由于气流的速度与超声波在气流中的传播速度有着一定的对应关系，所以两束脉冲会在不同时间内到达换能器，进而能够确定采集的时间，并通过时间计算出相应的气体流速[2]。
3 导致换能器性能下降的主要影响因素
由于换能器需要与天然气进行直接接触，同时天然气本身会含有少量的腐蚀性物质，所以换能器在运转过程中会发生一定的老化、腐蚀问题，随着时间的流逝，其工作性能就会下降，并发生测量精度下降的问题，进而造成测量误差。通过分析换能器工作原理以及总结日常设备维护经验，总结出导致换能器性能下降的主要影响因素有以下几点。
3.1 高温、高速气体冲刷带来的损耗
对于气体超声波流量计的流速测量范围，我国已经颁布了相应的技术标准对其进行限定，其测量范围为0.3～30m/s。在实际测量过程中发现，在供气规模增大的情况下，气体流速也会随之增大，同时换能器会由于气流流动所产生的振动而发生振动，并出现松动的问题。另外，如果没有按照操作要求启用计量器，管道内就会在短时间内充满高速气流，并伴随着气体温度骤然升高的现象，此时的温度一般都会超过换能器能够接受的范围，进而导致换能器发生故障[3]。
3.2 不良气体的侵蚀
相比其他环境来说，天然气输送管道内的环境是相对复杂的，并且天然气中往往会含有一定含量的游离水、硫化氢气体、油脂、泥土等物质，这些物质会随着天然气的输送与换能器进行接触，部分物质还会黏着在换能器表面，进而影响正常的计量工作。尤其是在北方冬季，天然气中的水分往往会凝结在换能器的探头上，导致探头无法正常工作，并出现换能器工作性能下降的问题，严重时会停止工作[4]。
4 换能器故障对计量产生的影响 4.1 换能器性能下降，时间测量不准确对计量的影响
在测量过程中，CPU板能够采集到超声不发生至接受时的实践，也会采集到换能器使用在上下游的延迟时间差和换能器本身材质所产生的延迟时间，这些时间参数可以带入
计算过程中。这些参数对于计量工作来说是最基础的数据，如果这些数据出错，必然会导致天然气流速计量错误的问
题[5]。
4.2 环境噪声对气体超声波计量的影响
一般来说，气体超声波流量计发生的超声频率在120kHz左右，并且辅助天然气供应所需的调压设备在工作时也会发生一定的高频噪声，流量计超声信号的接发会在这些高频噪声的影响下产生误差。所以，在站场设计的过程中，应该先对调压设备的高频噪声产生情况进行分析和调查，并根据设备的具体情况采用相应的抗干扰措施，T型汇管或者计量调压分区等措施都是能够有效避免环境噪声影响气体超声波计量工作的措施。高频造成对流量计影响具体表现为信号出现模糊的问题，流量信噪比会发生明显变化，在测量过程中，流量计的电子单元一般很难明确区分这两种信号，所以会导致超声波信号无法被有效测量出来，计量器的测量精度会受到影响。有研究表明，高频造成会引起高达2%的测量误差，并且通过实际经验总结来看，对于流量计计量来说噪声主要呈现负误差影响[6]。
5 保证换能器性能的主要措施
5.1 严格按照技术标准操作设备
严格按照技术标准操作天然气设备，能够在工期规模增大的情况下，有效控制其气体的流速，避免气体流速过大所导致的异常振动，另外也能避免管道内短时间内出现高速气体所带来的温度升高现象的发生。由此可见，这样也能让设备处于一个相对良好且稳定的工作环境，起到有效控制性能下降的速度的作用。
5.2 做好天然气的过滤、净化工作
目前，天然气系统中都会配备相应的过滤、净化设施，在实际天然气供应过程中，对这些设施进行维护和优化，能够有效提升天然气的纯净度，减少游离水、硫化氢、油脂、铁锈等污染物的含量，并避免这些污染物质黏着在换能器表面，换能器的使用寿命会间接得到延长。
5.3 加强多调压设备的检查和维护
由于调压设备在运转过程中会发生高频噪声，通过有效的检查和维护能够在一定程度上避免高频噪声的出现，从而避免换能器受到高频噪声的影响。T型汇管或者计量调压分区等措施都是能够有效避免环境噪声影响气体超声波计量工作的措施，但是也需要根据实际情况选择和按照相应的噪声控制设备。
6 结语
严格按照技术标准操作设备，做好天然气的过滤、净化工作，加强多调压设备的检查和维护都能起到延长换能器使用寿命的作用。另外，也需要技术人员加强对换能器性能的检测工作，及时发现问题所在，并对损害严重的设备进行更换，保证计量设备的稳定运行。
【参考文献】
【1】郭建光.超声波流量计在测量火炬气中的应用[J].化工自动化及仪表，2018，45（11）：851-853.
【2】马玉宝，覃新容.天然气超声波计量系统性能影响因素分析[J].计量与测试技术，2018，45（09）：71-74.
【3】操伟中.超聲波流量计在天然气贸易交接计量中的应用探讨[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2018（07）：170-171.
【4】毛锐.超声波流量计在气体计量中的应用[J].化工设计通讯，2018，44（06）：146.
【5】周健，王舒吉.天然气超声波计量系统性能的影响因素[J].云南化工，2018，45（05）：173.
【6】慕志国.气体超声波流量计在城市燃气工商业计量的应用[A].中国土木工程学会燃气分会.2017中国燃气运营与安全研讨会论文集[C].中国土木工程学会燃气分会：《煤气与热力》杂志社有限公司，2017：7.
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