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气体超声波流量计
发表时间:2016-11-14 10:18 / 本文浏览次数:
 

     

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。

图1 压电晶体工作原理

图2 超声换能器信号检测回路

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:

    (1)

v——流体速度(m/s);

c——声速(m/s);

L——声道长度,由出厂测定的流量计底座距离和探头的相关安装参数确定(m);

x——声道距离,出厂测定(m);

tup——上游传输时间,由流量计CPU板时钟采集得到(s);

tdown——下游传输时间,由流量计CPU板时钟采集得到(s)。

由公式(1)引入管径、相关修正系数等参数可计算出工况下的瞬时流量:

qv——流过短管的气体的经过温度和压力修正的体积流量(m3/h);

Vel——短管内测量的速度流量(m/s);

Din——经过标定的管道内径(m);

Cpsm——短管的压力影响修正系数;

Ctsm——短管的温度影响修正系数;

MF——基于流量的流量计修正系数;

CFact——雷诺数速度修正(仅对初级超声波流量计有要求)。

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。

图3 超声换能器测量示意图

图4 脏污换能器照片

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。

3.1 L、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。

tup=t-tdly-tdltdly或tdown=t-tdly-tdltdly    (3)

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△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△t<0,则出现正向流方向的不真实气体流速;若△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△t的影响,这样将会造成计量的起点发生改变。即,△t<0时流量计将多计量,△t>0时流量计将少计量。

 

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