喻勇YUYong；石晓栊SHIXiao-long；冯玉FENGYu
（天然气川气东送管道分公司，武汉430000）
（SichuantoEastGasPipelineBranchofSINOPEC，Wuhan430000，China）
摘要：气体超声波流量计换能器是超声波的发射和接收装置，是测量声速和天然气流速的关键部件，也是流量计唯一与天然气直接接触的测量部件。在使用过程中，换能器的工作性能就会持续下降，将直接影响测量精度，造成计量误差。现场加强换能器的诊断检查和维护，对及时发现问题、延长换能器使用寿命、保证性能良好具有非常重要的意义。
Abstract:Gasultrasonicflowmetertransduceristhetransmittingandreceivingdeviceofultrasonic,thekeycomponentofmeasuringsoundvelocityandgasvelocity,andalsotheonlymeasurementcomponentofflowmeterthatdirectlycontactswithnaturalgas.Inusingprocess,theperformanceoftransducerwillcontinuetofall,whichwilldirectlyaffecttheaccuracyofmeasurement,andcausethemeasurementerror.Ithasveryimportantsignificancetostrengthentheinspectionandmaintenanceoftransducerforfindingproblemsintime,prolongingtheservicelifeofthetransducer,ensuringgoodperformance.
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关键词 ：超声流量计；换能器；天然气计量
Keywords:ultrasonicflowmeter；transducer；naturalgasmeasurement
中图分类号：TE977文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）21-0115-03
0引言
换能器是超声波流量计重要部件，其性能好坏直接影响流量计计量精度的高低，而造成换能器性能降低的因素比较繁杂和难以分析，但通过对换能器工作条件的分析和工作原理的理解，我们可以更为及时地发现换能器性能下降的情况，对是否更换换能器作出及时的判断，从而有效降低换能器性能下降对天然气计量的影响。
1气体超声波流量计原理
1.1超声换能器工作原理
超声换能器主要工作部件是压电晶体，其在外界施加的电场作用下，将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形则随之消失。压电晶体一定频率的机械变形（振动）则产生声波，当频率超过20kHz则产生超声波。压电晶体工作原理如图1。流量计一对换能器相互接收和发送超声波，外部电场的加载或撤除由脉冲发生器控制，超声波由一端换能器发出至另一端换能器接收的时间由流量计CPU板时钟进行采集。换能器信号检测回路如图2。
1.2气体超声波流量计计量原理
本文所述气体超声波流量计为时间直通式超声流量计，其工作原理是利用超声脉冲在气流传播的速度与气流的速度有对应的关系，即顺流时超声波脉冲传播速度比逆流时传播速度要快，这两种超声波脉冲传播的时间差越大，则流量也越大。在实际工作过程中，处在上下游的换能器将同时发射超声波脉冲，气流的作用将使两束脉冲以不同的传播时间到达接收换能器，通过采集的时间以及相关距离参数计算出气体流速和声速。基本计算公式如下：
对于高级超声波流量计，CFact=1。
2换能器性能下降的主要影响因素
换能器是气体超声波流量计唯一与天然气直接接触的测量部件，其一直处于气流冲刷和不良气质侵蚀的状态，长期下来换能器的工作性能就会有所下降，直接影响测量精度，造成计量误差。
造成换能器性能下降的主要影响因素有以下几点：
2.1高速、高温气体冲刷
根据《GB-T18604-2014用气体超声流量计测量天然气流量》要求气体超声波流量计流速测量范围为0.3～30m/s。在实际使用过程中，由于供气规模的增大，气体流速过大造成换能器震动以致出现松动的现象。另外在启用计量支路操作不当的情况下，高速气流短时间内充满管道，气体温度骤升，温度超过换能器的使用范围，这样也会对换能器造成损坏。
2.2不良气质的侵蚀
天然气输送管道环境较为复杂，通常可能存在腐蚀性气体如H2S、游离水、油脂、铁锈和泥土等污染物，这些污染物都会附着或干扰换能器工作，在冬季管道中无气体流动的时候，管道中游离水就会结冰冻结探头，造成探头工作异常。管道中的固体杂质如油脂等极易附着在换能器上，造成换能器工作性能下降或停止工作。图4、图5反映了探头被油脂附着的情况。
3换能器常见问题对计量的影响分析
由公式（1）可以看出，气体超声波流量计测量气体流速的关键参数是L、x、tup、tdown，本文将根据流量计现场使用存在的问题做对应分析。
3.1L、x测量不准确，或换能器脏污等造成声程变化对计量的影响
x值由流量计出厂时测定，其加工精度一般达到
1/10000inch，并将每对换能器的x值腐刻于铭牌上，该值不会在使用过程中发生改变。
L值由流量计表体每对换能器底座之间的距离，以及探头的加工参数共同决定，其每个部件的加工精度一般达到1/10000inch。在实际流量计使用过程中，由于天然气含有固体粉尘或液体杂质，并可能附着在换能器表头，造成L值发生改变；或是在进行换能器更换时，将换能器相关出厂数据输入错误，也将造成L值发生异常改变。
由公式（1）可知v∝L2、c∝L，即L值增大（减小）将造成测量的气体流速、声速相应的增大（减小），同理也就会造成天然气计量的增大（减小）。
3.2换能器性能下降，时间测量不准确对计量的影响
由图2得知，上下游换能器的发射和接收时间由流量计CPU板时钟采集得到，其主要包括超声波发射至接收的时间t，以及换能器本身材质所产生的延迟时间tdly和换能器使用在上下游的延迟时间差tdltdly。后两者由换能器出厂时完成测量，并植入流量计组态中参与计算。
在管道中气体不流动的情况下，tup=tdown，而当换能器性能下降或时钟采集时间不准确，则会出现tup≠tdown。如果?驻t=tup-tdown超过了正常误差范围，由公式（1）可以看出，该通道将测得不真实气体流速，表现出流量计有瞬时流量的产生。
若?驻t＜0，则出现正向流方向的不真实气体流速；若?驻t＞0，则出现逆向流方向的不真实气体流速。正常供气条件下使用该问题流量计，就会在测量上下游时间差时先抵消不真实?驻t的影响，这样将会造成计量的起点发生改变。即，?驻t＜0时流量计将多计量，?驻t＞0时流量计将少计量。
从现场使用的一台DN200在气体不流动状态下存在tup≠tdown问题的流量计现场测量数据来看，上下游换能器测量时间差为0.235μs，其计算出的气体流速约为0.18m/s，以此流速得出的工况流量约为20m3/h。即，气体不流动状态下，此问题流量计就已经开始错误计量。对该流量计的一对问题换能器进行更换后，消除了以上错误计量问题，最终通过了实流标定。（表1）
3.3环境噪声对气体超声波计量的影响
气体超声波流量计发射的超声频率约为120kHz，而调压设备也会产生一定的高频噪声，一定程度上将影响流量计对超声信号的接发。所以站场设计应充分考虑调压高频噪声对超声换能器的干扰影响，一般采用设置T型汇管或计量调压分区等措施。高频噪声造成流量计信号模糊，并产生流量信噪比，使流量计的电子单元难以区别或无法区分这两种信号，导致超声换能器不能准确收发超声波信号，因此极大地影响气体超声波流量计的性能、准确度和稳定性，甚至使流量计无法工作。试验研究表明，高频噪声可使气体超声波流量计的误差高达2%，同时从现场实际情况来看，噪声对流量计计量呈负误差影响。
4结论及建议
超声换能器是气体超声波流量计的关键测量部件，其性能下降至完全损坏是一个长期积累的结果。在做好站场设计和降噪措施后，日常运行中应做好诊断检查和维护，对及时发现问题，延长换能器使用寿命，保证使用性能具有非常重要的意义。
使用诊断软件定期对流量计进行检查，了解超声换能器的运行状态，及时发现处理问题。尤其做好气体不流动下气体超声波流量计状态的检查，发现换能器存在上下游时间差时，应及时地对换能器进行更换。《GB-T18604-2014用气体超声流量计测量天然气流量》相比2001版，提高了气体超声波流量计零流量读数要求，将以往的零流量下每一声道的流速读数要求＜12mm/s提升为＜6mm/s，这一要求也是对换能器性能的一个监控。另外根据诊断结果，对声速（SOS）异常、增益值（Gain）增大、信噪比（SNR）减小的换能器进行清洗维护，在日常的运行过程中，还应避免计量支路的不正确投用造成换能器损坏的情况。
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参考文献：
[1]孙金明，等.噪声对超声波流量计的影响及案例分析[M].出版地：油气储运，2011年9月.
[2]GB-T18604-2014，用气体超声流量计测量天然气流量[S].
[3]裴全斌.天然气超声流量计的应用与故障处理[J].石油工业技术监督，2012（03）.