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超聲波流量計使用中檢驗聲速核查法典型案例淺析

發布日期：2020-04-16 09:28:19 來源：作者：瀏覽次數：

【導讀】：文章簡要介紹超聲波流量計使用中檢驗幾項考核指標，對 GB/T 30500—2014 《氣體超聲波流量計使用中檢驗聲速檢驗法》中的聲速偏差與實流檢定關系進行初步解讀。......

摘要: 文章簡要介紹超聲波流量計使用中檢驗幾項考核指標，對 GB/T 30500—2014 《氣體超聲波流量計使用中檢驗聲速檢驗法》中的聲速偏差與實流檢定關系進行初步解讀。分別選取使用中檢驗連續 6 年 ( 法定非常長檢驗周期)合格、檢驗流態不合格、流量計信號質量不合格、聲速偏差不合格的流量計，對其后續實流檢定 ( 必要時附加聲速核查) 結果進行跟蹤，分析使用中檢驗各項考核指標與流量計計量性能的關系，并進一步分析各項指標不合格時的可能原因，并盡可能的給出排查建議，期望使用中檢驗結果分析為超聲波流量計現場使用提供參考。

JJG 1030—2007 《超聲波流量計》中規定，超聲波流量計 “檢定周期一般不超過 2 年。對插人式流量計，如流量計具有自診斷功能，且能夠保留報警記錄，也可每 6 年檢定一次并每年在使用現場進行使用中檢驗。”GB /T 30500—2014 《氣體超聲波流量計使用中檢驗聲速檢驗法》對流量計使用中檢驗聲速偏差、非常大聲速差和重復性等測量結果處理方法進行了具體規范。本文將針對流量計使用中檢驗的幾項重點參數檢驗結果，跟蹤流量計實流檢定結果，分析及驗證使用中檢驗各種結果代表的意義，特別對指標不合格進行可能原因分析，為現場計量工作提供借鑒參考。

1 流量計使用中檢驗主要考核指標

超聲波流量計使用中的檢驗用于在實流裝置上檢定完成后，在檢定周期內對流量計計量性能可靠性的檢查，其主要評判指標如下。

1. 1 信號檢查

JJG 1030—2007 《超聲波流量計》規定，使用中檢驗應對流量計進行信號檢查，信號檢查指標包括: 增益、通道質量、信噪比。

( 1) 增益指要對接收到的信號增強多少，才能達到需要的振幅強度。如果信號強度衰減，則增益加強。對超聲波流量計而言，如果增益超出限定值，可能原因是流體條件變化或探頭故障。

( 2) 通道質量是從上次測試批次結束后，聲道有效計時次數在總次數中所占的比例。除了流量計探頭故障外，介質高流速狀態下，或受到超聲噪音干擾，或流動條件變化，通道質量均可能低于 100% 。

( 3) 信噪比 ( SIGNAL-NIOSE ＲATIOA) 是超聲波流量計探頭接收到的信號與噪聲比值。對一對探頭來說，信噪比是雙向的，當信噪比低于限定值，可以通過排查上下游信噪比大小來判斷噪聲來源。上游聲道的信噪比小于下游聲道的信噪比，則噪音來自于流量計的下游。

1. 2 流態檢查

JJG 1030—2007 《超聲波流量計》規定，每聲道的流速值與通過流量計的平均軸向流速值之比應在合理范圍之內。各流量計廠家實際設計流態判別指標較規程復雜，通常包括剖面系數、對稱性指標等。

( 1) 剖面系數通過靠近管道中心位置的聲道流速除以靠近管道外側聲道流速計算得出，其值能夠反映流量計測得的流體流態是否為正常流態。剖面系數超出限值，可能存在流量計上下游有異物、管壁結垢嚴重影響流態，或流量計探頭臟污導致流速測試不準確等可能性。

( 2) 對稱性指標計算公式由流量計上部聲道測得流速除以下部聲道測得流速得出，其值能夠反映流量計測得的流體流態是否為上下對稱分布。對稱性指標超出限值，可能存在流量計底部有積水，或流量計探頭臟污、故障等可能性。

1. 3 計量性能檢查

JJG 1030—2007 《超聲波流量計》規定，超聲波流量計使用中檢驗包括 “標準流量計比較法” 和 “聲速檢驗法”，對聲速檢驗法規定 “每個聲道的聲速值的偏差及總的聲速值與計算的聲速值偏差應不大于流量計說明書的規定值”。GB /T 30500— 2014 《氣體超聲波流量計使用中檢驗聲速檢驗法》對聲速檢驗法評判方法和指標進一步進行了規定，使用聲速檢驗法開展超聲波流量計使用中檢驗時，流量計計量性能檢測指標包括聲速偏差、非常大聲速差和測量重復性，這三項指標的評判標準允許范圍分別為: ± 0. 2% 、0. 5 m /s、0. 05% 。

1. 3. 1 聲速偏差與非常大聲速差

聲速偏差是超聲波流量計各聲道測試聲速的平均值與計算聲速的相對示值誤差計算所得; 非常大聲速差是各聲道測得的非常大聲速和非常小聲速之差;測量重復性是將多次測得的聲速偏差通過貝塞爾公式計算得出。

可以看出，聲速核查法的三個評判指標只與計算聲速和各聲道測量聲速有關。計算聲速是與介質的壓力、溫度和組分有關的函數［1 － 2］，AGA Ｒeport No. 10 對其計算方法有詳細描述。流量計各聲道測量聲速是聲道長度、聲波在各聲道經過介質順流和逆流傳播的時間的函數［1 － 2］。

通過測量流體的溫度、壓力和氣體組成，利用聲速計算軟件得到工況條件下介質中的計算聲速，與在同一條件下流量計的測量聲速進行比較，就可以檢驗流量計測量聲速是否準確，從而對流量計測量的聲波傳播時間進行驗證，對流量計的計量性能進行評價［2］。

1. 3. 2 聲速偏差、非常大聲速差與實流檢定示值誤差關系

超聲波流量計實流檢定通過示值誤差及重復性測試結果判定流量計是否合格。其工作原理是將規定時間內通過被檢流量計與標準裝置的天然氣體積流量進行比較。超聲波流量計參與體積流量計算的參數包括聲道長度、聲道夾角以及截面積，這些參數在流量計出廠時就已確定并置入，參數一旦變化就會影響流量測量結果; 在流量測量過程中，需要測量的只是聲波傳播時間。聲速與流速都是通過測量聲波傳播時間得到的［2］。通過比較測量聲速和實流檢定時體積流量計算方式不難發現，影響計算聲速和流量的共同參數包括: 各聲道聲程、聲波在各聲道經過介質順流傳播和逆流傳播的時間。除共同參數外，實流檢定體積流量還受流量計截面積和聲道夾角影響。

流量計截面積、聲道夾角和各聲道聲程作為固定值置入在流量計組態中，其實流檢定和使用中檢驗的關鍵影響因素都是聲波傳輸時間。因此，流量計實流檢定合格后對其開展使用中檢驗，若其檢驗結果合格，可以認為在其固定值參數設置正確前提下，聲波在各聲道經過介質順流傳播和逆流傳播的時間符合要求，可以認定流量計計量性能穩定，延長其檢定周期。

2 幾種典型使用中檢驗結果及分析

通過對 4 種檢驗結果的跟蹤分析研究超聲波流量計使用聲速核查法開展使用中檢驗結果與實流檢定結果關系，方案 1 跟蹤檢驗連續 6 年使用中檢驗合格后實流檢定結果，方案 2 ～方案 4 分別檢驗和分析使用中檢驗的信號檢查、流態和聲速檢驗不合格對應的實流檢定結果。檢驗參數為實流檢定示值誤差結果，分界流量以上示值誤差超出 1%則判定流量計實流檢定不合格。

2. 1 使用中檢驗合格的實流檢定結果

抽取 5 臺連續 6 年使用中檢驗合格超聲波流量計，其檢驗后實流檢定結果見表 1。

從表 1 可以看出，5 臺流量計在經過 6 年連續使用中檢驗后，實流檢定結果均在準確度范圍內。證實了使用中檢驗各項指標持續合格，流量計計量性能穩定可靠。

2. 2 流量計信號檢查不合格分析

本研究歷史數據中未發現增益等流量計信號質量指標不合格案例。這一情況不能證明流量計不會發生信號質量指標不合格，反而說明信號質量指標是流量計探頭健康度的重要考核指標，當出現信號質量指標不合格時，通常流量計在線診斷系統會發出報警，計量管理人員能夠及時發現并組織問題排查和故障處理。因此，開展使用中檢驗時基本未遇到信號質量檢測指標不合格的情況。

2. 3 使用中檢驗流態不合格的實流檢定結果

抽取了 3 臺在線檢驗流態參數不合格的流量計，不合格原因見表 2。

流量計 6 流量計 8 實流檢定結果見表 3。

從表 3 可以看出，流量計 6 ～流量計 8 流量計雖然使用中檢驗不合格，但其后的實流檢定分界流量以上示值誤差均在 1. 0 級準確度范圍內。使用中檢驗的流態參數是通過超聲波流量計各聲道測得流速進行交叉計算所得; 流態參數不合格，可能原因是流量計聲道故障，也可能是流量計所處流場的流態異常，導致測得流態參數不合格。

針對流量計使用現場，使用中檢驗流態參數不合格，可以結合流量計歷史流態參數記錄做出初判。( 1) 如果歷史流態數據正常，流態系數突然超差，有兩種可能性，如果流量計非常大聲速差也超差，探頭故障可能性較大; 如果除流態指標外其他指標均正常，則管路內有影響氣體流態的異物出現可能性較大。

( 2) 如果流態參數長期朝同一方向漸變偏離，很有可能是流量計探頭或管路內壁油污附著逐步累積達到了一定程度，影響流量計流態的計算，建議對流量計及其上下游直管段進行拆卸及清洗。

2. 4 在線檢驗聲速偏差超差后的實流檢定結果

選取了 3 臺使用中檢驗聲速偏差超差的流量計，不合格原因見表 4。

流量計 9 ～流量計 11 實流檢定結果見表 5。

表 5 中，流量計 9 ～流量計 11 實流檢定示值誤差均在準確度范圍內。按前文中對聲速偏差與實流檢定結果關系分析，聲速偏差結果應當能夠反映流量計的計量性能，而本案例中實流檢定證明流量計計量性能完好，使用中檢驗聲速偏差卻已超差，分析可能原因如下。

聲速偏差是通過流量計測量聲速與計算聲速比較得出，除了測量聲速超差外，計算聲速不準確也將導致聲速偏差。計算聲速有介質的溫度、壓力、氣質組分值計算得出，如果以上參數有采集不準確，會導致計算聲速偏差較大，也將會使聲速偏差超差。

為了驗證以上可能性，對流量計 9 ～流量計 11在實流檢定的安裝和配套設備條件下進行聲速核查測試，測試結果見表 6。

表 6 中流量計 9 ～流量計 11 在實流檢定安裝條件下聲速核查結果在評判指標允許范圍內。基本可以判斷流量計測量聲速正常，推測此前使用中檢驗聲速偏差超差是由于計算聲速不準確導致。因此，在流量計使用中檢驗聲速偏差超差時，建議首先排查流量計配套溫度、壓力、色譜儀工作是否正常，輸出值是否正確。

使用中檢驗聲速偏差超差非常常見的原因是由于介質溫度、壓力、氣質組分值采集不正確導致的計算聲速有誤所致，但也存在測量聲速出現偏差的可能性。

( 1) 流量計的聲道長度、聲道夾角以及截面積等固定參數置入錯誤。流量計測量流量是聲道長度、聲道夾角、傳輸時間以及截面積綜合的函數，而測量聲速僅與聲道長度和傳輸時間有關，有可能出現錯誤的參數置入，使得其綜合函數測量流量符合 1. 0 級準確度要求，而僅涉及聲道長度和傳輸時間時，測量聲速將不準確。如果超聲波流量計首次開展使用中檢驗，其聲速偏差即使超差 ( 已排除計算聲速錯誤可能性) ，其后每次聲速核查聲速偏差值相對固定，則固定參數置入有誤的可能性較大。

( 2) 流量計探頭故障，傳輸時間有誤。如果流量計開展使用中檢驗聲速偏差值始終在評判指標允許范圍內，某次突然聲速偏差超差，很有可能是某路探頭傳輸時間錯誤，可以結合非常大聲速差進行排查，找到故障路探頭。

3 結論

( 1) 天然氣超聲波流量計使用中檢驗能夠反映包括流量計及其配套設備在內的計量系統工作狀態，使用中檢驗結果各項參數滿足要求，可以認定流量計和其所在的計量系統計量性能穩定，檢驗合格的超聲波流量計可以按 JJG 1030—2007 規定，延長流量計檢定周期。因使用中檢驗覆蓋流量范圍有限，且與實流檢定判別方式、標準存在差異，使用中檢驗期滿后，仍有必要開展實流檢定。

( 2) 使用中檢驗有多項考核指標，一項考核指標不合格，則檢驗結果不合格，流量計必須按原有效期進行實流檢定。但檢驗結果不合格不一定是流量計計量性能發生變化，應當利用檢驗結果進行分析排查，使整個計量系統工作準確可靠。

( 3) 使用中檢驗結果顯示流量計剖面系數、對稱性等流態參數指標超差，建議結合歷史數據對計量系統綜合分析、排查。

( 4) 流量計通道增益值、信號質量等參數異常，應當首先對計量系統進行檢查，查看介質運行工況是否與流量計日常運行工況存在較大差異，若介質工況正常，則其探頭故障可能性較大，建議考慮對其進行故障排查。

( 5) 使用中檢驗結果顯示聲速偏差超差，首先應對流量計配套計量器具進行排查，查看是否由于溫度、壓力或氣質組分計量不準確導致計算聲速計算有誤。

( 6) 聲速偏差超差，在排除計算聲速錯誤的前提下，可以結合其他參數指標進行綜合分析，若非常大聲速差同時超差，則由于探頭故障導致傳輸時間錯誤的可能性較大，應對探頭進行重點排查; 若非常好次開展使用中檢驗即發生聲速偏差超差，且后續聲速核查聲速偏差值始終相對穩定，則懷疑是由于聲道長度、聲道夾角、流量計截面積等固定參數置入有誤導致。

本文對使用中檢驗合格和幾種不合格情況的可能原因進行了初步分析，流量計使用現場可能遇到的問題更為復雜，有更多可能的其他原因，不能一一涵蓋涉及，僅以本文列舉一些主要參數的常見問題案例，為初涉計量管理的人員提供一些現場經驗和參考思路。

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