1、气体超声波流量计原理

1、超声波换能器工作原理

超声波换能器的主要工作部件是压电晶体，在外电场作用下会产生一定方向的机械变形； 当外部电场去除时，变形就会消失。 压电晶体在一定频率下的机械变形（振动）产生声波，当频率超过20kHz时，产生超声波。 压电晶体的工作原理如图1所示。流量计中的一对换能器相互接收和发送超声波。 外部电场的加载或去除由脉冲发生器控制。 超声波从一个换能器发出到另一端接收到的时间由流量计CPU板时钟采集。 传感器信号检测电路如图2所示。

气体超声波流量计原理

图1 压电晶体工作原理

气体超声波流量计原理

图2 超声波换能器信号检测电路

2、气体超声波流量计测量原理

本文所述的气体超声波流量计是时通型超声波流量计。 其工作原理是利用超声波脉冲在气流中的传播速度与气流的速度存在对应关系。 即，超声波脉冲在顺流中的传播速度比逆流中的传播速度快。 速度越快，两种超声波脉冲传播的时间差越大，流量越大。 在实际工作过程中，上下游换能器会同时发射超声波脉冲。 气流的作用将导致两个脉冲以不同的传播时间到达接收换能器。 通过采集时间和相关距离参数可以计算出气体。 流速和声速。 基本计算公式如下：

气体超声波流量计原理

v——流体速度（m/s）；

c——声速（m/s）；

L——声道长度，由工厂测量的流量计基距和探头的相关安装参数确定（m）；

x——声道距离，工厂测量（m）；

tup——上行传输时间，从流量计CPU板采集的时钟(s)；

tdown——下游传输时间，从流量计CPU板采集的时钟(s)。

由式（1）中引入管径等参数及相关修正系数，可计算出工况下的瞬时流量：

气体超声波流量计公式

qv——流经短管的气体经过温度和压力修正后的体积流量（m3/h）；

Vel——短管内测得的速度流量（m/s）；

Din——标定的管道内径（m）；

cpsm——短管压力效应修正系数；

Ctsm——短管温度效应修正系数；

MF——基于流量的流量计修正系数；

CFact - 雷诺数速度校正（仅初级超声波流量计需要）。

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

传感器是气体超声波流量计中**与天然气直接接触的测量部件。 始终处于气流侵蚀和不良气体侵蚀的状态。 长期下去，传感器的工作性能会下降，直接影响测量精度，造成计量问题。 错误。

造成传感器性能下降的主要影响因素如下：

1、高速高温气体冲刷

根据《GB--2014用气体超声波流量计测量天然气流量》规定，气体超声波流量计的流量测量范围为0.3~30m/s。 实际使用中，由于供气规模增大、气体流量过大，导致传感器振动、松动。 另外，如果计量支路操作不当，高速气流会在短时间内充满管道，气体温度突然升高，温度超过传感器的使用范围，也会造成传感器的损坏。换能器。

2、不良气质的侵蚀

天然气输送管道环境复杂。 通常可能存在H2S等腐蚀性气体、游离水、油脂、铁锈、土壤等污染物。 这些污染物会粘附或干扰换能器的工作。 冬季，当管道内没有燃气流动时，管道内的游离水会结冰并冻结探头，导致探头工作异常。 管道中的固体杂质，如油脂等，很容易粘附在传感器上，导致传感器性能下降或停止工作。 图4和图5反映了探头被油脂附着的情况。

超声波换能器测量图

图3 超声波换能器测量示意图

换能器脏了

图 4 脏换能器照片

3、传感器常见问题对测量的影响分析

由式（1）可知，气​​体超声波流量计测量气体流量的关键参数是L、x、tup、tdown。 本文将根据流量计现场使用中存在的问题进行相应的分析。

1. 由于 L 和 X 测量不准确或传感器脏污而导致声程变化对测量的影响。

x值是流量计出厂时测得的，其加工精度一般达到1/。 每对传感器的 x 值刻在铭牌上。 该值在使用过程中不会改变。

L值由流量计本体上每对传感器底座之间的距离和探头的处理参数决定。 各部件的加工精度一般达到1/。 流量计在实际使用过程中，天然气中含有固体灰尘或液体杂质，这些杂质可能会粘附在传感器头上，导致L值发生变化； 或者更换传感器时，改变了传感器的相关出厂数据。 输入错误也会引起L值的异常变化。

由式（1）可知，v∝L2和c∝L，即L值的增大（减小）会导致被测气体流量和声速相应增大（减小）。 同样，也会造成天然气计量的增加（减少）。 大（减少）。

超声波传感器

2、传感器性能下降和时间测量不准确对计量的影响

从图2可以看出，上下游传感器的发射和接收时间是由流量计CPU板时钟采集的，主要包括超声波发射到接收的时间t，以及传感器引起的延迟时间tdly由换能器本身的材料决定。 使用上游和下游激励器之间的延迟时间差。 后两者在出厂时由传感器测量，并嵌入流量计配置中参与计算。

tup=t-tdly- 或 tdown=t-tdly- (3)

当管道内气体不流动时，tup=tdown。 当传感器性能下降或时钟采集时间不准确时，就会出现tup≠tdown。 如果△t=tup-tdown超出正常误差范围，从式（1）可以看出，通道会测量出不真实的气体流量，表明流量计产生瞬时流量。

若△t＜0，则正向流动方向会出现不真实的气体流量； 如果△t>0，则会出现逆流方向不真实的气体流速。 如果存在此问题的流量计在正常供气条件下使用，在测量上下游时间差时会首先抵消不真实的△t的影响，从而导致测量起点发生变化。 即当△t＜0时，流量计测量较多，当△t>0时，流量计测量较少。

本文内容由《气体超声波流量计技术》创美测控提供。 感谢您的收藏和转发，如有评论我会回复。