超声波燃气表燃气和空气介质影响

超声换能器是超声波燃气表的核心部件，用来发射和接受超声波信号，是一种声电信号转换器件，其工作原理是压电效应，主要由背衬、压电陶瓷和匹配层三部分组成。超声波在密度均匀的介质中传播，不会产生反射和散射，当通过声阻抗不同的介质时，会在两种介质的交界面产生透射和反射，进而影响信号强度。两种介质的声阻抗差异越大，透射率越低。由于压电陶瓷的声阻抗远远大于气体，使得压电陶瓷产生的超声波透射率很低，只有小部分超声波进入气体，进入气体的超声波较难被另一边换能器的压电陶瓷接收。匹配层目的是实现压电陶瓷到气体的阻抗过度，从而大大提高换能器的透过率和灵敏度[10]。匹配层的阻抗设计见式（5），空气和燃气的声阻抗分别为408.3 kg·m−2·s−1和345.0 kg·m−2·s−1，差异达15.5%。介质的声阻抗和声速[10]计算见式（6）和式（7）。

Z2=Z1Z3−−−−√
(5)
Z=ρCf
(6)
Cf=Ypρ−−−√
(7)
式中，Z1为压电陶瓷的声阻抗，kg·m−2·s−1；Z2为匹配层的声阻抗，kg·m−2·s−1；Z3为气体介质的声阻抗，kg·m−2·s−1；Y为绝热指数；p为大气压，Pa；ρ为密度，kg·m−3。

在15 ℃、101325 Pa的环境条件下，空气取值ρ=1.2255 kg·m−3，Y=1.4，Cf=340 m/s；燃气取值ρ=0.88 kg·m−3，Y=1.31，Cf=400 m/s。

由于声衰减来源的复杂性和非线性，声波在气体中衰减的精确测量和理论预测都比较困难。在气体介质中，分子通过碰撞交换能量，气体在恒温下处于热平衡。当声波在气体中传播时，这种平衡被打破，而声波的平动能通过几种不同的机制转换成其他形式的能量，形成衰减。对于气体介质中的小幅度声波来说，声波衰减主要来源于两种机制：经典衰减和驰豫衰减。经典衰减来源于气体的输运现象，如热传导、粘滞和扩散等，而驰豫衰减源于多原子分子内部自由度的热驰豫[11]。依据经典的声波衰减理论，当声波的频率一定，直接跟介质本身的性质相关，甲烷（燃气的主要成分）的切变黏滞系数和摩尔质量与空气相比均有显著的差别，声衰减系数明显变化，从而引起声压强度的显著变化[12]。

一是因两者声阻抗差异达15.5%，引起声波在两种介质中透射率不同；二是因切变黏滞系数（空气为1.82×10−5 Pa·s，燃气为1.08×10−5 Pa·s）和摩尔质量（空气为 29 g/mol，燃气为16 g/mol）不同，声波衰减程度不同。超声波燃气表在介质为燃气和空气工作时，由于环境发生较大变化，信号幅值波动可能导致门限电压在超声信号的不同区段或不同周期而错波，产生较大的误差。为避免信号衰减及降噪，接收电路将输入信号进行放大与滤波处理，控制其信号大小及信噪比；进行自动增益控制，将其信号放大到合适范围，便于后续的过零法与阈值法检测飞行时间。超声波燃气表对于信号滤波算法、放大处理和零点偏移等控制处理，在空气下满足要求，而在燃气下是否符合要求，需要在燃气下进行验证，其计量性能需要在燃气介质下进行测试显得尤为重要。