氣體超聲波流量計(jì)換能器性能下降對(duì)天然氣計(jì)量的影響分析

王影　劉彬　于昊　包晨龍

【摘 要】對(duì)于天然氣計(jì)量工作來(lái)說(shuō)，氣體超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度，對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)，論文針對(duì)其計(jì)量原理進(jìn)行了分析，討論了影響計(jì)量器中換能器性能下降的主要因素，旨在為提升天然氣計(jì)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(jì);換能器;性能;計(jì)量

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

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

1 引言

目前，我國(guó)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(guó)家也建設(shè)了大批量的配套設(shè)施。在這種背景下，我國(guó)天然氣計(jì)量工作也面臨著巨大的壓力，各類計(jì)量設(shè)備也處于較高的工作強(qiáng)度下，所以很多計(jì)量設(shè)備也出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題。

在天然氣行業(yè)中，氣體超聲波流量計(jì)是常用的計(jì)量設(shè)備，其中的換能器是測(cè)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(shí)也是唯一與天然氣進(jìn)行直接接觸的重要部件。但是，在氣體超聲波流量計(jì)工作過(guò)程中，換熱器的工作性能會(huì)發(fā)生持續(xù)下降的問(wèn)題，這一問(wèn)題的出現(xiàn)直接影響測(cè)量的精度，導(dǎo)致天然氣計(jì)量誤差的發(fā)生。所以，確定換能器性能下降情況，并對(duì)其進(jìn)行診斷維護(hù)就成為保證測(cè)量精度的重要手段，這對(duì)于延長(zhǎng)氣體超聲波流量計(jì)使用壽命也有著重要的意義。

2 氣體超聲波流量計(jì)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(huì)在外界施加電廠作用的情況下，在一定方向上發(fā)生機(jī)械變形，并且這種變形會(huì)隨著電場(chǎng)的消失而消失。所以，在電場(chǎng)反復(fù)出現(xiàn)消失的過(guò)程中，壓電晶體會(huì)保持一定頻率的機(jī)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(guò)了20kHz，那么就會(huì)產(chǎn)生超聲波。超聲波的接收和發(fā)送主要由流量計(jì)的換能器完成，流量計(jì)的CPU板時(shí)鐘則能對(duì)超聲波從一端換能器發(fā)送至另外一端換能器的時(shí)間進(jìn)行采集[1]。

直通式超聲流量計(jì)是常用的氣體超聲波流量計(jì)，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(duì)應(yīng)關(guān)系，具體為逆流時(shí)，超聲波脈沖傳播速度比順流時(shí)快，所以兩者時(shí)間差的變大就意味著流量的增加。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，超聲波脈沖能夠同時(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，所以兩束脈沖會(huì)在不同時(shí)間內(nèi)到達(dá)換能器，進(jìn)而能夠確定采集的時(shí)間，并通過(guò)時(shí)間計(jì)算出相應(yīng)的氣體流速[2]。

3 導(dǎo)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(jìn)行直接接觸，同時(shí)天然氣本身會(huì)含有少量的腐蝕性物質(zhì)，所以換能器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的老化、腐蝕問(wèn)題，隨著時(shí)間的流逝，其工作性能就會(huì)下降，并發(fā)生測(cè)量精度下降的問(wèn)題，進(jìn)而造成測(cè)量誤差。通過(guò)分析換能器工作原理以及總結(jié)日常設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出導(dǎo)致?lián)Q能器性能下降的主要影響因素有以下幾點(diǎn)。

3.1 高溫、高速氣體沖刷帶來(lái)的損耗

對(duì)于氣體超聲波流量計(jì)的流速測(cè)量范圍，我國(guó)已經(jīng)頒布了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行限定，其測(cè)量范圍為0.3～30m/s。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在供氣規(guī)模增大的情況下，氣體流速也會(huì)隨之增大，同時(shí)換能器會(huì)由于氣流流動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)而發(fā)生振動(dòng)，并出現(xiàn)松動(dòng)的問(wèn)題。另外，如果沒有按照操作要求啟用計(jì)量器，管道內(nèi)就會(huì)在短時(shí)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(shí)的溫度一般都會(huì)超過(guò)換能器能夠接受的范圍，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)生故障[3]。

3.2 不良?xì)怏w的侵蝕

相比其他環(huán)境來(lái)說(shuō)，天然氣輸送管道內(nèi)的環(huán)境是相對(duì)復(fù)雜的，并且天然氣中往往會(huì)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(huì)隨著天然氣的輸送與換能器進(jìn)行接觸，部分物質(zhì)還會(huì)黏著在換能器表面，進(jìn)而影響正常的計(jì)量工作。尤其是在北方冬季，天然氣中的水分往往會(huì)凝結(jié)在換能器的探頭上，導(dǎo)致探頭無(wú)法正常工作，并出現(xiàn)換能器工作性能下降的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)停止工作[4]。

4 換能器故障對(duì)計(jì)量產(chǎn)生的影響

4.1 換能器性能下降，時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確對(duì)計(jì)量的影響

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

計(jì)算過(guò)程中。這些參數(shù)對(duì)于計(jì)量工作來(lái)說(shuō)是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)出錯(cuò)，必然會(huì)導(dǎo)致天然氣流速計(jì)量錯(cuò)誤的問(wèn)

題[5]。

4.2 環(huán)境噪聲對(duì)氣體超聲波計(jì)量的影響

一般來(lái)說(shuō)，氣體超聲波流量計(jì)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(shí)也會(huì)發(fā)生一定的高頻噪聲，流量計(jì)超聲信號(hào)的接發(fā)會(huì)在這些高頻噪聲的影響下產(chǎn)生誤差。所以，在站場(chǎng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該先對(duì)調(diào)壓設(shè)備的高頻噪聲產(chǎn)生情況進(jìn)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(jì)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(jì)量工作的措施。高頻造成對(duì)流量計(jì)影響具體表現(xiàn)為信號(hào)出現(xiàn)模糊的問(wèn)題，流量信噪比會(huì)發(fā)生明顯變化，在測(cè)量過(guò)程中，流量計(jì)的電子單元一般很難明確區(qū)分這兩種信號(hào)，所以會(huì)導(dǎo)致超聲波信號(hào)無(wú)法被有效測(cè)量出來(lái)，計(jì)量器的測(cè)量精度會(huì)受到影響。有研究表明，高頻造成會(huì)引起高達(dá)2%的測(cè)量誤差，并且通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)來(lái)看，對(duì)于流量計(jì)計(jì)量來(lái)說(shuō)噪聲主要呈現(xiàn)負(fù)誤差影響[6]。

5 保證換能器性能的主要措施

5.1 嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)操作設(shè)備

嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)大所導(dǎo)致的異常振動(dòng)，另外也能避免管道內(nèi)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)高速氣體所帶來(lái)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(gè)相對(duì)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(guò)濾、凈化工作

目前，天然氣系統(tǒng)中都會(huì)配備相應(yīng)的過(guò)濾、凈化設(shè)施，在實(shí)際天然氣供應(yīng)過(guò)程中，對(duì)這些設(shè)施進(jìn)行維護(hù)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(huì)間接得到延長(zhǎng)。

5.3 加強(qiáng)多調(diào)壓設(shè)備的檢查和維護(hù)

由于調(diào)壓設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生高頻噪聲，通過(guò)有效的檢查和維護(hù)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(jì)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(jì)量工作的措施，但是也需要根據(jù)實(shí)際情況選擇和按照相應(yīng)的噪聲控制設(shè)備。

6 結(jié)語(yǔ)

嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)操作設(shè)備，做好天然氣的過(guò)濾、凈化工作，加強(qiáng)多調(diào)壓設(shè)備的檢查和維護(hù)都能起到延長(zhǎng)換能器使用壽命的作用。另外，也需要技術(shù)人員加強(qiáng)對(duì)換能器性能的檢測(cè)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，并對(duì)損害嚴(yán)重的設(shè)備進(jìn)行更換，保證計(jì)量設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

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