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超声波流量计使用中检验声速核查法典型案例浅析

发布日期：2020-04-16 09:28:19 来源：作者：浏览次数：

【导读】：文章简要介绍超声波流量计使用中检验几项考核指标，对 GB/T 30500—2014 《气体超声波流量计使用中检验声速检验法》中的声速偏差与实流检定关系进行初步解读。......

摘要: 文章简要介绍超声波流量计使用中检验几项考核指标，对 GB/T 30500—2014 《气体超声波流量计使用中检验声速检验法》中的声速偏差与实流检定关系进行初步解读。分别选取使用中检验连续 6 年 ( 法定非常长检验周期)合格、检验流态不合格、流量计信号质量不合格、声速偏差不合格的流量计，对其后续实流检定 ( 必要时附加声速核查) 结果进行跟踪，分析使用中检验各项考核指标与流量计计量性能的关系，并进一步分析各项指标不合格时的可能原因，并尽可能的给出排查建议，期望使用中检验结果分析为超声波流量计现场使用提供参考。

JJG 1030—2007 《超声波流量计》中规定，超声波流量计 “检定周期一般不超过 2 年。对插人式流量计，如流量计具有自诊断功能，且能够保留报警记录，也可每 6 年检定一次并每年在使用现场进行使用中检验。”GB /T 30500—2014 《气体超声波流量计使用中检验声速检验法》对流量计使用中检验声速偏差、非常大声速差和重复性等测量结果处理方法进行了具体规范。本文将针对流量计使用中检验的几项重点参数检验结果，跟踪流量计实流检定结果，分析及验证使用中检验各种结果代表的意义，特别对指标不合格进行可能原因分析，为现场计量工作提供借鉴参考。

1 流量计使用中检验主要考核指标

超声波流量计使用中的检验用于在实流装置上检定完成后，在检定周期内对流量计计量性能可靠性的检查，其主要评判指标如下。

1. 1 信号检查

JJG 1030—2007 《超声波流量计》规定，使用中检验应对流量计进行信号检查，信号检查指标包括: 增益、通道质量、信噪比。

( 1) 增益指要对接收到的信号增强多少，才能达到需要的振幅强度。如果信号强度衰减，则增益加强。对超声波流量计而言，如果增益超出限定值，可能原因是流体条件变化或探头故障。

( 2) 通道质量是从上次测试批次结束后，声道有效计时次数在总次数中所占的比例。除了流量计探头故障外，介质高流速状态下，或受到超声噪音干扰，或流动条件变化，通道质量均可能低于 100% 。

( 3) 信噪比 ( SIGNAL-NIOSE ＲATIOA) 是超声波流量计探头接收到的信号与噪声比值。对一对探头来说，信噪比是双向的，当信噪比低于限定值，可以通过排查上下游信噪比大小来判断噪声来源。上游声道的信噪比小于下游声道的信噪比，则噪音来自于流量计的下游。

1. 2 流态检查

JJG 1030—2007 《超声波流量计》规定，每声道的流速值与通过流量计的平均轴向流速值之比应在合理范围之内。各流量计厂家实际设计流态判别指标较规程复杂，通常包括剖面系数、对称性指标等。

( 1) 剖面系数通过靠近管道中心位置的声道流速除以靠近管道外侧声道流速计算得出，其值能够反映流量计测得的流体流态是否为正常流态。剖面系数超出限值，可能存在流量计上下游有异物、管壁结垢严重影响流态，或流量计探头脏污导致流速测试不准确等可能性。

( 2) 对称性指标计算公式由流量计上部声道测得流速除以下部声道测得流速得出，其值能够反映流量计测得的流体流态是否为上下对称分布。对称性指标超出限值，可能存在流量计底部有积水，或流量计探头脏污、故障等可能性。

1. 3 计量性能检查

JJG 1030—2007 《超声波流量计》规定，超声波流量计使用中检验包括 “标准流量计比较法” 和 “声速检验法”，对声速检验法规定 “每个声道的声速值的偏差及总的声速值与计算的声速值偏差应不大于流量计说明书的规定值”。GB /T 30500— 2014 《气体超声波流量计使用中检验声速检验法》对声速检验法评判方法和指标进一步进行了规定，使用声速检验法开展超声波流量计使用中检验时，流量计计量性能检测指标包括声速偏差、非常大声速差和测量重复性，这三项指标的评判标准允许范围分别为: ± 0. 2% 、0. 5 m /s、0. 05% 。

1. 3. 1 声速偏差与非常大声速差

声速偏差是超声波流量计各声道测试声速的平均值与计算声速的相对示值误差计算所得; 非常大声速差是各声道测得的非常大声速和非常小声速之差;测量重复性是将多次测得的声速偏差通过贝塞尔公式计算得出。

可以看出，声速核查法的三个评判指标只与计算声速和各声道测量声速有关。计算声速是与介质的压力、温度和组分有关的函数［1 － 2］，AGA Ｒeport No. 10 对其计算方法有详细描述。流量计各声道测量声速是声道长度、声波在各声道经过介质顺流和逆流传播的时间的函数［1 － 2］。

通过测量流体的温度、压力和气体组成，利用声速计算软件得到工况条件下介质中的计算声速，与在同一条件下流量计的测量声速进行比较，就可以检验流量计测量声速是否准确，从而对流量计测量的声波传播时间进行验证，对流量计的计量性能进行评价［2］。

1. 3. 2 声速偏差、非常大声速差与实流检定示值误差关系

超声波流量计实流检定通过示值误差及重复性测试结果判定流量计是否合格。其工作原理是将规定时间内通过被检流量计与标准装置的天然气体积流量进行比较。超声波流量计参与体积流量计算的参数包括声道长度、声道夹角以及截面积，这些参数在流量计出厂时就已确定并置入，参数一旦变化就会影响流量测量结果; 在流量测量过程中，需要测量的只是声波传播时间。声速与流速都是通过测量声波传播时间得到的［2］。通过比较测量声速和实流检定时体积流量计算方式不难发现，影响计算声速和流量的共同参数包括: 各声道声程、声波在各声道经过介质顺流传播和逆流传播的时间。除共同参数外，实流检定体积流量还受流量计截面积和声道夹角影响。

流量计截面积、声道夹角和各声道声程作为固定值置入在流量计组态中，其实流检定和使用中检验的关键影响因素都是声波传输时间。因此，流量计实流检定合格后对其开展使用中检验，若其检验结果合格，可以认为在其固定值参数设置正确前提下，声波在各声道经过介质顺流传播和逆流传播的时间符合要求，可以认定流量计计量性能稳定，延长其检定周期。

2 几种典型使用中检验结果及分析

通过对 4 种检验结果的跟踪分析研究超声波流量计使用声速核查法开展使用中检验结果与实流检定结果关系，方案 1 跟踪检验连续 6 年使用中检验合格后实流检定结果，方案 2 ～方案 4 分别检验和分析使用中检验的信号检查、流态和声速检验不合格对应的实流检定结果。检验参数为实流检定示值误差结果，分界流量以上示值误差超出 1%则判定流量计实流检定不合格。

2. 1 使用中检验合格的实流检定结果

抽取 5 台连续 6 年使用中检验合格超声波流量计，其检验后实流检定结果见表 1。

从表 1 可以看出，5 台流量计在经过 6 年连续使用中检验后，实流检定结果均在准确度范围内。证实了使用中检验各项指标持续合格，流量计计量性能稳定可靠。

2. 2 流量计信号检查不合格分析

本研究历史数据中未发现增益等流量计信号质量指标不合格案例。这一情况不能证明流量计不会发生信号质量指标不合格，反而说明信号质量指标是流量计探头健康度的重要考核指标，当出现信号质量指标不合格时，通常流量计在线诊断系统会发出报警，计量管理人员能够及时发现并组织问题排查和故障处理。因此，开展使用中检验时基本未遇到信号质量检测指标不合格的情况。

2. 3 使用中检验流态不合格的实流检定结果

抽取了 3 台在线检验流态参数不合格的流量计，不合格原因见表 2。

流量计 6 流量计 8 实流检定结果见表 3。

从表 3 可以看出，流量计 6 ～流量计 8 流量计虽然使用中检验不合格，但其后的实流检定分界流量以上示值误差均在 1. 0 级准确度范围内。使用中检验的流态参数是通过超声波流量计各声道测得流速进行交叉计算所得; 流态参数不合格，可能原因是流量计声道故障，也可能是流量计所处流场的流态异常，导致测得流态参数不合格。

针对流量计使用现场，使用中检验流态参数不合格，可以结合流量计历史流态参数记录做出初判。( 1) 如果历史流态数据正常，流态系数突然超差，有两种可能性，如果流量计非常大声速差也超差，探头故障可能性较大; 如果除流态指标外其他指标均正常，则管路内有影响气体流态的异物出现可能性较大。

( 2) 如果流态参数长期朝同一方向渐变偏离，很有可能是流量计探头或管路内壁油污附着逐步累积达到了一定程度，影响流量计流态的计算，建议对流量计及其上下游直管段进行拆卸及清洗。

2. 4 在线检验声速偏差超差后的实流检定结果

选取了 3 台使用中检验声速偏差超差的流量计，不合格原因见表 4。

流量计 9 ～流量计 11 实流检定结果见表 5。

表 5 中，流量计 9 ～流量计 11 实流检定示值误差均在准确度范围内。按前文中对声速偏差与实流检定结果关系分析，声速偏差结果应当能够反映流量计的计量性能，而本案例中实流检定证明流量计计量性能完好，使用中检验声速偏差却已超差，分析可能原因如下。

声速偏差是通过流量计测量声速与计算声速比较得出，除了测量声速超差外，计算声速不准确也将导致声速偏差。计算声速有介质的温度、压力、气质组分值计算得出，如果以上参数有采集不准确，会导致计算声速偏差较大，也将会使声速偏差超差。

为了验证以上可能性，对流量计 9 ～流量计 11在实流检定的安装和配套设备条件下进行声速核查测试，测试结果见表 6。

表 6 中流量计 9 ～流量计 11 在实流检定安装条件下声速核查结果在评判指标允许范围内。基本可以判断流量计测量声速正常，推测此前使用中检验声速偏差超差是由于计算声速不准确导致。因此，在流量计使用中检验声速偏差超差时，建议首先排查流量计配套温度、压力、色谱仪工作是否正常，输出值是否正确。

使用中检验声速偏差超差非常常见的原因是由于介质温度、压力、气质组分值采集不正确导致的计算声速有误所致，但也存在测量声速出现偏差的可能性。

( 1) 流量计的声道长度、声道夹角以及截面积等固定参数置入错误。流量计测量流量是声道长度、声道夹角、传输时间以及截面积综合的函数，而测量声速仅与声道长度和传输时间有关，有可能出现错误的参数置入，使得其综合函数测量流量符合 1. 0 级准确度要求，而仅涉及声道长度和传输时间时，测量声速将不准确。如果超声波流量计首次开展使用中检验，其声速偏差即使超差 ( 已排除计算声速错误可能性) ，其后每次声速核查声速偏差值相对固定，则固定参数置入有误的可能性较大。

( 2) 流量计探头故障，传输时间有误。如果流量计开展使用中检验声速偏差值始终在评判指标允许范围内，某次突然声速偏差超差，很有可能是某路探头传输时间错误，可以结合非常大声速差进行排查，找到故障路探头。

3 结论

( 1) 天然气超声波流量计使用中检验能够反映包括流量计及其配套设备在内的计量系统工作状态，使用中检验结果各项参数满足要求，可以认定流量计和其所在的计量系统计量性能稳定，检验合格的超声波流量计可以按 JJG 1030—2007 规定，延长流量计检定周期。因使用中检验覆盖流量范围有限，且与实流检定判别方式、标准存在差异，使用中检验期满后，仍有必要开展实流检定。

( 2) 使用中检验有多项考核指标，一项考核指标不合格，则检验结果不合格，流量计必须按原有效期进行实流检定。但检验结果不合格不一定是流量计计量性能发生变化，应当利用检验结果进行分析排查，使整个计量系统工作准确可靠。

( 3) 使用中检验结果显示流量计剖面系数、对称性等流态参数指标超差，建议结合历史数据对计量系统综合分析、排查。

( 4) 流量计通道增益值、信号质量等参数异常，应当首先对计量系统进行检查，查看介质运行工况是否与流量计日常运行工况存在较大差异，若介质工况正常，则其探头故障可能性较大，建议考虑对其进行故障排查。

( 5) 使用中检验结果显示声速偏差超差，首先应对流量计配套计量器具进行排查，查看是否由于温度、压力或气质组分计量不准确导致计算声速计算有误。

( 6) 声速偏差超差，在排除计算声速错误的前提下，可以结合其他参数指标进行综合分析，若非常大声速差同时超差，则由于探头故障导致传输时间错误的可能性较大，应对探头进行重点排查; 若非常好次开展使用中检验即发生声速偏差超差，且后续声速核查声速偏差值始终相对稳定，则怀疑是由于声道长度、声道夹角、流量计截面积等固定参数置入有误导致。

本文对使用中检验合格和几种不合格情况的可能原因进行了初步分析，流量计使用现场可能遇到的问题更为复杂，有更多可能的其他原因，不能一一涵盖涉及，仅以本文列举一些主要参数的常见问题案例，为初涉计量管理的人员提供一些现场经验和参考思路。

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