超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速核查法典型案例淺析

　　【導(dǎo)讀】：文章簡要介紹超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)幾項(xiàng)考核指標(biāo)，對(duì)GB/T30500—2014《氣體超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速檢驗(yàn)法》中的聲速偏差與實(shí)流檢定關(guān)系進(jìn)行初步解讀。......

　　摘要:文章簡要介紹超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)幾項(xiàng)考核指標(biāo)，對(duì)GB/T305002014《氣體超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速檢驗(yàn)法》中的聲速偏差與實(shí)流檢定關(guān)系進(jìn)行初步解讀。分別選取使用中檢驗(yàn)連續(xù)6年(法定非常長檢驗(yàn)周期)合格、檢驗(yàn)流態(tài)不合格、流量計(jì)信號(hào)質(zhì)量不合格、聲速偏差不合格的流量計(jì)，對(duì)其后續(xù)實(shí)流檢定(必要時(shí)附加聲速核查)結(jié)果進(jìn)行跟蹤，分析使用中檢驗(yàn)各項(xiàng)考核指標(biāo)與流量計(jì)計(jì)量性能的關(guān)系，并進(jìn)一步分析各項(xiàng)指標(biāo)不合格時(shí)的可能原因，并盡可能的給出排查建議，期望使用中檢驗(yàn)結(jié)果分析為超聲波流量計(jì)現(xiàn)場使用提供參考。

　　JJG10302007《超聲波流量計(jì)》中規(guī)定，超聲波流量計(jì)檢定周期一般不超過2年。對(duì)插人式流量計(jì)，如流量計(jì)具有自診斷功能，且能夠保留報(bào)警記錄，也可每6年檢定一次并每年在使用現(xiàn)場進(jìn)行使用中檢驗(yàn)。GB/T305002014《氣體超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速檢驗(yàn)法》對(duì)流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速偏差、非常大聲速差和重復(fù)性等測量結(jié)果處理方法進(jìn)行了具體規(guī)范。本文將針對(duì)流量計(jì)使用中檢驗(yàn)的幾項(xiàng)重點(diǎn)參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果，跟蹤流量計(jì)實(shí)流檢定結(jié)果，分析及驗(yàn)證使用中檢驗(yàn)各種結(jié)果代表的意義，特別對(duì)指標(biāo)不合格進(jìn)行可能原因分析，為現(xiàn)場計(jì)量工作提供借鑒參考。

　　1流量計(jì)使用中檢驗(yàn)主要考核指標(biāo)

　　超聲波流量計(jì)使用中的檢驗(yàn)用于在實(shí)流裝置上檢定完成后，在檢定周期內(nèi)對(duì)流量計(jì)計(jì)量性能可靠性的檢查，其主要評(píng)判指標(biāo)如下。

　　1.1信號(hào)檢查

　　JJG10302007《超聲波流量計(jì)》規(guī)定，使用中檢驗(yàn)應(yīng)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行信號(hào)檢查，信號(hào)檢查指標(biāo)包括:增益、通道質(zhì)量、信噪比。

　　(1)增益指要對(duì)接收到的信號(hào)增強(qiáng)多少，才能達(dá)到需要的振幅強(qiáng)度。如果信號(hào)強(qiáng)度衰減，則增益加強(qiáng)。對(duì)超聲波流量計(jì)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(zhì)量是從上次測試批次結(jié)束后，聲道有效計(jì)時(shí)次數(shù)在總次數(shù)中所占的比例。除了流量計(jì)探頭故障外，介質(zhì)高流速狀態(tài)下，或受到超聲噪音干擾，或流動(dòng)條件變化，通道質(zhì)量均可能低于100%。

　　(3)信噪比(SIGNAL-NIOSEＲATIOA)是超聲波流量計(jì)探頭接收到的信號(hào)與噪聲比值。對(duì)一對(duì)探頭來說，信噪比是雙向的，當(dāng)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(jì)的下游。

　　1.2流態(tài)檢查

　　JJG10302007《超聲波流量計(jì)》規(guī)定，每聲道的流速值與通過流量計(jì)的平均軸向流速值之比應(yīng)在合理范圍之內(nèi)。各流量計(jì)廠家實(shí)際設(shè)計(jì)流態(tài)判別指標(biāo)較規(guī)程復(fù)雜，通常包括剖面系數(shù)、對(duì)稱性指標(biāo)等。

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

　　(2)對(duì)稱性指標(biāo)計(jì)算公式由流量計(jì)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(jì)測得的流體流態(tài)是否為上下對(duì)稱分布。對(duì)稱性指標(biāo)超出限值，可能存在流量計(jì)底部有積水，或流量計(jì)探頭臟污、故障等可能性。

　　1.3計(jì)量性能檢查

　　JJG10302007《超聲波流量計(jì)》規(guī)定，超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)包括標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)比較法和聲速檢驗(yàn)法，對(duì)聲速檢驗(yàn)法規(guī)定每個(gè)聲道的聲速值的偏差及總的聲速值與計(jì)算的聲速值偏差應(yīng)不大于流量計(jì)說明書的規(guī)定值。GB/T305002014《氣體超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速檢驗(yàn)法》對(duì)聲速檢驗(yàn)法評(píng)判方法和指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行了規(guī)定，使用聲速檢驗(yàn)法開展超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)時(shí)，流量計(jì)計(jì)量性能檢測指標(biāo)包括聲速偏差、非常大聲速差和測量重復(fù)性，這三項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)允許范圍分別為:0.2%、0.5m/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(jì)各聲道測試聲速的平均值與計(jì)算聲速的相對(duì)示值誤差計(jì)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(fù)性是將多次測得的聲速偏差通過貝塞爾公式計(jì)算得出。

　　可以看出，聲速核查法的三個(gè)評(píng)判指標(biāo)只與計(jì)算聲速和各聲道測量聲速有關(guān)。計(jì)算聲速是與介質(zhì)的壓力、溫度和組分有關(guān)的函數(shù)［1－2］，AGAＲeportNo.10對(duì)其計(jì)算方法有詳細(xì)描述。流量計(jì)各聲道測量聲速是聲道長度、聲波在各聲道經(jīng)過介質(zhì)順流和逆流傳播的時(shí)間的函數(shù)［1－2］。

　　通過測量流體的溫度、壓力和氣體組成，利用聲速計(jì)算軟件得到工況條件下介質(zhì)中的計(jì)算聲速，與在同一條件下流量計(jì)的測量聲速進(jìn)行比較，就可以檢驗(yàn)流量計(jì)測量聲速是否準(zhǔn)確，從而對(duì)流量計(jì)測量的聲波傳播時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)流量計(jì)的計(jì)量性能進(jìn)行評(píng)價(jià)［2］。

　　1.3.2聲速偏差、非常大聲速差與實(shí)流檢定示值誤差關(guān)系超聲波流量計(jì)實(shí)流檢定通過示值誤差及重復(fù)性測試結(jié)果判定流量計(jì)是否合格。其工作原理是將規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過被檢流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)裝置的天然氣體積流量進(jìn)行比較。超聲波流量計(jì)參與體積流量計(jì)算的參數(shù)包括聲道長度、聲道夾角以及截面積，這些參數(shù)在流量計(jì)出廠時(shí)就已確定并置入，參數(shù)一旦變化就會(huì)影響流量測量結(jié)果;在流量測量過程中，需要測量的只是聲波傳播時(shí)間。聲速與流速都是通過測量聲波傳播時(shí)間得到的［2］。通過比較測量聲速和實(shí)流檢定時(shí)體積流量計(jì)算方式不難發(fā)現(xiàn)，影響計(jì)算聲速和流量的共同參數(shù)包括:各聲道聲程、聲波在各聲道經(jīng)過介質(zhì)順流傳播和逆流傳播的時(shí)間。除共同參數(shù)外，實(shí)流檢定體積流量還受流量計(jì)截面積和聲道夾角影響。

　　流量計(jì)截面積、聲道夾角和各聲道聲程作為固定值置入在流量計(jì)組態(tài)中，其實(shí)流檢定和使用中檢驗(yàn)的關(guān)鍵影響因素都是聲波傳輸時(shí)間。因此，流量計(jì)實(shí)流檢定合格后對(duì)其開展使用中檢驗(yàn)，若其檢驗(yàn)結(jié)果合格，可以認(rèn)為在其固定值參數(shù)設(shè)置正確前提下，聲波在各聲道經(jīng)過介質(zhì)順流傳播和逆流傳播的時(shí)間符合要求，可以認(rèn)定流量計(jì)計(jì)量性能穩(wěn)定，延長其檢定周期。

　　2幾種典型使用中檢驗(yàn)結(jié)果及分析

　　通過對(duì)4種檢驗(yàn)結(jié)果的跟蹤分析研究超聲波流量計(jì)使用聲速核查法開展使用中檢驗(yàn)結(jié)果與實(shí)流檢定結(jié)果關(guān)系，方案1跟蹤檢驗(yàn)連續(xù)6年使用中檢驗(yàn)合格后實(shí)流檢定結(jié)果，方案2～方案4分別檢驗(yàn)和分析使用中檢驗(yàn)的信號(hào)檢查、流態(tài)和聲速檢驗(yàn)不合格對(duì)應(yīng)的實(shí)流檢定結(jié)果。檢驗(yàn)參數(shù)為實(shí)流檢定示值誤差結(jié)果，分界流量以上示值誤差超出1%則判定流量計(jì)實(shí)流檢定不合格。

　　2.1使用中檢驗(yàn)合格的實(shí)流檢定結(jié)果

　　抽取5臺(tái)連續(xù)6年使用中檢驗(yàn)合格超聲波流量計(jì)，其檢驗(yàn)后實(shí)流檢定結(jié)果見表1。

　　從表1可以看出，5臺(tái)流量計(jì)在經(jīng)過6年連續(xù)使用中檢驗(yàn)后，實(shí)流檢定結(jié)果均在準(zhǔn)確度范圍內(nèi)。證實(shí)了使用中檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)持續(xù)合格，流量計(jì)計(jì)量性能穩(wěn)定可靠。

　　2.2流量計(jì)信號(hào)檢查不合格分析

　　本研究歷史數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)增益等流量計(jì)信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)不合格案例。這一情況不能證明流量計(jì)不會(huì)發(fā)生信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)不合格，反而說明信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)是流量計(jì)探頭健康度的重要考核指標(biāo)，當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)不合格時(shí)，通常流量計(jì)在線診斷系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，計(jì)量管理人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并組織問題排查和故障處理。因此，開展使用中檢驗(yàn)時(shí)基本未遇到信號(hào)質(zhì)量檢測指標(biāo)不合格的情況。

　　2.3使用中檢驗(yàn)流態(tài)不合格的實(shí)流檢定結(jié)果

　　抽取了3臺(tái)在線檢驗(yàn)流態(tài)參數(shù)不合格的流量計(jì)，不合格原因見表2。

　　流量計(jì)6流量計(jì)8實(shí)流檢定結(jié)果見表3。

　　從表3可以看出，流量計(jì)6～流量計(jì)8流量計(jì)雖然使用中檢驗(yàn)不合格，但其后的實(shí)流檢定分界流量以上示值誤差均在1.0級(jí)準(zhǔn)確度范圍內(nèi)。使用中檢驗(yàn)的流態(tài)參數(shù)是通過超聲波流量計(jì)各聲道測得流速進(jìn)行交叉計(jì)算所得;流態(tài)參數(shù)不合格，可能原因是流量計(jì)聲道故障，也可能是流量計(jì)所處流場的流態(tài)異常，導(dǎo)致測得流態(tài)參數(shù)不合格。

　　針對(duì)流量計(jì)使用現(xiàn)場，使用中檢驗(yàn)流態(tài)參數(shù)不合格，可以結(jié)合流量計(jì)歷史流態(tài)參數(shù)記錄做出初判。(1)如果歷史流態(tài)數(shù)據(jù)正常，流態(tài)系數(shù)突然超差，有兩種可能性，如果流量計(jì)非常大聲速差也超差，探頭故障可能性較大;如果除流態(tài)指標(biāo)外其他指標(biāo)均正常，則管路內(nèi)有影響氣體流態(tài)的異物出現(xiàn)可能性較大。

　　(2)如果流態(tài)參數(shù)長期朝同一方向漸變偏離，很有可能是流量計(jì)探頭或管路內(nèi)壁油污附著逐步累積達(dá)到了一定程度，影響流量計(jì)流態(tài)的計(jì)算，建議對(duì)流量計(jì)及其上下游直管段進(jìn)行拆卸及清洗。

　　2.4在線檢驗(yàn)聲速偏差超差后的實(shí)流檢定結(jié)果選取了3臺(tái)使用中檢驗(yàn)聲速偏差超差的流量計(jì)，不合格原因見表4。

　　流量計(jì)9～流量計(jì)11實(shí)流檢定結(jié)果見表5。

　　表5中，流量計(jì)9～流量計(jì)11實(shí)流檢定示值誤差均在準(zhǔn)確度范圍內(nèi)。按前文中對(duì)聲速偏差與實(shí)流檢定結(jié)果關(guān)系分析，聲速偏差結(jié)果應(yīng)當(dāng)能夠反映流量計(jì)的計(jì)量性能，而本案例中實(shí)流檢定證明流量計(jì)計(jì)量性能完好，使用中檢驗(yàn)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(jì)測量聲速與計(jì)算聲速比較得出，除了測量聲速超差外，計(jì)算聲速不準(zhǔn)確也將導(dǎo)致聲速偏差。計(jì)算聲速有介質(zhì)的溫度、壓力、氣質(zhì)組分值計(jì)算得出，如果以上參數(shù)有采集不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算聲速偏差較大，也將會(huì)使聲速偏差超差。

　　為了驗(yàn)證以上可能性，對(duì)流量計(jì)9～流量計(jì)11在實(shí)流檢定的安裝和配套設(shè)備條件下進(jìn)行聲速核查測試，測試結(jié)果見表6。

　　表6中流量計(jì)9～流量計(jì)11在實(shí)流檢定安裝條件下聲速核查結(jié)果在評(píng)判指標(biāo)允許范圍內(nèi)?；究梢耘袛嗔髁坑?jì)測量聲速正常，推測此前使用中檢驗(yàn)聲速偏差超差是由于計(jì)算聲速不準(zhǔn)確導(dǎo)致。因此，在流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速偏差超差時(shí)，建議首先排查流量計(jì)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(yàn)聲速偏差超差非常常見的原因是由于介質(zhì)溫度、壓力、氣質(zhì)組分值采集不正確導(dǎo)致的計(jì)算聲速有誤所致，但也存在測量聲速出現(xiàn)偏差的可能性。

　　(1)流量計(jì)的聲道長度、聲道夾角以及截面積等固定參數(shù)置入錯(cuò)誤。流量計(jì)測量流量是聲道長度、聲道夾角、傳輸時(shí)間以及截面積綜合的函數(shù)，而測量聲速僅與聲道長度和傳輸時(shí)間有關(guān)，有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的參數(shù)置入，使得其綜合函數(shù)測量流量符合1.0級(jí)準(zhǔn)確度要求，而僅涉及聲道長度和傳輸時(shí)間時(shí)，測量聲速將不準(zhǔn)確。如果超聲波流量計(jì)首次開展使用中檢驗(yàn)，其聲速偏差即使超差(已排除計(jì)算聲速錯(cuò)誤可能性)，其后每次聲速核查聲速偏差值相對(duì)固定，則固定參數(shù)置入有誤的可能性較大。

　　(2)流量計(jì)探頭故障，傳輸時(shí)間有誤。如果流量計(jì)開展使用中檢驗(yàn)聲速偏差值始終在評(píng)判指標(biāo)允許范圍內(nèi)，某次突然聲速偏差超差，很有可能是某路探頭傳輸時(shí)間錯(cuò)誤，可以結(jié)合非常大聲速差進(jìn)行排查，找到故障路探頭。

　　3結(jié)論

　　(1)天然氣超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)?zāi)軌蚍从嘲髁坑?jì)及其配套設(shè)備在內(nèi)的計(jì)量系統(tǒng)工作狀態(tài)，使用中檢驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)參數(shù)滿足要求，可以認(rèn)定流量計(jì)和其所在的計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量性能穩(wěn)定，檢驗(yàn)合格的超聲波流量計(jì)可以按JJG10302007規(guī)定，延長流量計(jì)檢定周期。因使用中檢驗(yàn)覆蓋流量范圍有限，且與實(shí)流檢定判別方式、標(biāo)準(zhǔn)存在差異，使用中檢驗(yàn)期滿后，仍有必要開展實(shí)流檢定。

　　(2)使用中檢驗(yàn)有多項(xiàng)考核指標(biāo)，一項(xiàng)考核指標(biāo)不合格，則檢驗(yàn)結(jié)果不合格，流量計(jì)必須按原有效期進(jìn)行實(shí)流檢定。但檢驗(yàn)結(jié)果不合格不一定是流量計(jì)計(jì)量性能發(fā)生變化，應(yīng)當(dāng)利用檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析排查，使整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)工作準(zhǔn)確可靠。

　　(3)使用中檢驗(yàn)結(jié)果顯示流量計(jì)剖面系數(shù)、對(duì)稱性等流態(tài)參數(shù)指標(biāo)超差，建議結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)綜合分析、排查。

　　(4)流量計(jì)通道增益值、信號(hào)質(zhì)量等參數(shù)異常，應(yīng)當(dāng)首先對(duì)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行檢查，查看介質(zhì)運(yùn)行工況是否與流量計(jì)日常運(yùn)行工況存在較大差異，若介質(zhì)工況正常，則其探頭故障可能性較大，建議考慮對(duì)其進(jìn)行故障排查。

　　(5)使用中檢驗(yàn)結(jié)果顯示聲速偏差超差，首先應(yīng)對(duì)流量計(jì)配套計(jì)量器具進(jìn)行排查，查看是否由于溫度、壓力或氣質(zhì)組分計(jì)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致計(jì)算聲速計(jì)算有誤。

　　(6)聲速偏差超差，在排除計(jì)算聲速錯(cuò)誤的前提下，可以結(jié)合其他參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，若非常大聲速差同時(shí)超差，則由于探頭故障導(dǎo)致傳輸時(shí)間錯(cuò)誤的可能性較大，應(yīng)對(duì)探頭進(jìn)行重點(diǎn)排查;若非常好次開展使用中檢驗(yàn)即發(fā)生聲速偏差超差，且后續(xù)聲速核查聲速偏差值始終相對(duì)穩(wěn)定，則懷疑是由于聲道長度、聲道夾角、流量計(jì)截面積等固定參數(shù)置入有誤導(dǎo)致。

　　本文對(duì)使用中檢驗(yàn)合格和幾種不合格情況的可能原因進(jìn)行了初步分析，流量計(jì)使用現(xiàn)場可能遇到的問題更為復(fù)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(shù)的常見問題案例，為初涉計(jì)量管理的人員提供一些現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和參考思路。