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超聲波流量計(jì)使用中檢驗(yàn)聲速核查法典型案例淺析

發(fā)布日期:2020-04-16 09:28:19  來(lái)源:  作者:  瀏覽次數(shù):
【導(dǎo)讀】:文章簡(jiǎn)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/T 30500—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(jiǎn)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/T 30500—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。分別選取使用中檢驗(yàn)連續(xù) 6 年 ( 法定非常長(zhǎng)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(chǎng)使用提供參考。

 
        JJG 1030—2007 《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(guò) 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(chǎng)進(jìn)行使用中檢驗(yàn)。”GB /T 30500—2014 《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(cè)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(chǎng)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
 
        JJG 1030—2007 《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(cè)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-NIOSE RATIOA) 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(lái)說(shuō),信噪比是雙向的,當(dāng)信噪比低于限定值,可以通過(guò)排查上下游信噪比大小來(lái)判斷噪聲來(lái)源。上游聲道的信噪比小于下游聲道的信噪比,則噪音來(lái)自于流量計(jì)的下游。
 
 1. 2 流態(tài)檢查
 
        JJG 1030—2007 《超聲波流量計(jì)》規(guī)定,每聲道的流速值與通過(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)得流速除以下部聲道測(cè)得流速得出,其值能夠反映流量計(jì)測(cè)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
 
        JJG 1030—2007 《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(shuō)明書的規(guī)定值”。GB /T 30500— 2014 《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(cè)指標(biāo)包括聲速偏差、非常大聲速差和測(cè)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. 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(jì)各聲道測(cè)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(cè)得的非常大聲速和非常小聲速之差;測(cè)量重復(fù)性是將多次測(cè)得的聲速偏差通過(guò)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(cè)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],AGA Report No. 10 對(duì)其計(jì)算方法有詳細(xì)描述。流量計(jì)各聲道測(cè)量聲速是聲道長(zhǎng)度、聲波在各聲道經(jīng)過(guò)介質(zhì)順流和逆流傳播的時(shí)間的函數(shù)[1 - 2]。
 
        通過(guò)測(cè)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(cè)量聲速進(jìn)行比較,就可以檢驗(yàn)流量計(jì)測(cè)量聲速是否準(zhǔn)確,從而對(duì)流量計(jì)測(cè)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(guò)示值誤差及重復(fù)性測(cè)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(guò)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(zhǎng)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(cè)量結(jié)果; 在流量測(cè)量過(guò)程中,需要測(cè)量的只是聲波傳播時(shí)間。聲速與流速都是通過(guò)測(cè)量聲波傳播時(shí)間得到的[2]。通過(guò)比較測(cè)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(guò)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(guò)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(zhǎng)其檢定周期。
 
 2 幾種典型使用中檢驗(yàn)結(jié)果及分析
        通過(guò)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。
連續(xù) 6 年使用中檢驗(yàn)合格超聲流量計(jì) 實(shí)流檢定結(jié)果
從表 1 可以看出,5 臺(tái)流量計(jì)在經(jīng)過(guò) 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(shuō)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(wèn)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(cè)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。
流態(tài)參數(shù)不合格流量計(jì)
        流量計(jì) 6 流量計(jì) 8 實(shí)流檢定結(jié)果見表 3。
流量計(jì) 6 ~ 流量計(jì) 8 流量計(jì)實(shí)流檢定結(jié)果
        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(guò)超聲波流量計(jì)各聲道測(cè)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(chǎng)的流態(tài)異常,導(dǎo)致測(cè)得流態(tài)參數(shù)不合格。
 
        針對(duì)流量計(jì)使用現(xiàn)場(chǎng),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(zhǎng)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。
使用中檢驗(yàn)聲速偏差超差流量計(jì)
        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。
流量計(jì) 9 ~ 流量計(jì) 11 實(shí)流檢定結(jié)果
        聲速偏差是通過(guò)流量計(jì)測(cè)量聲速與計(jì)算聲速比較得出,除了測(cè)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(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表 6。
流量計(jì) 9 ~ 流量計(jì) 11 實(shí)流檢定過(guò)程中聲速核查結(jié)果
        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)。基本可以判斷流量計(jì)測(cè)量聲速正常,推測(cè)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(cè)量聲速出現(xiàn)偏差的可能性。 
        ( 1) 流量計(jì)的聲道長(zhǎng)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(cè)量流量是聲道長(zhǎng)度、聲道夾角、傳輸時(shí)間以及截面積綜合的函數(shù),而測(cè)量聲速僅與聲道長(zhǎng)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(cè)量流量符合 1. 0 級(jí)準(zhǔn)確度要求,而僅涉及聲道長(zhǎng)度和傳輸時(shí)間時(shí),測(cè)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 JJG 1030—2007 規(guī)定,延長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)可能遇到的問(wèn)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(wèn)題案例,為初涉計(jì)量管理的人員提供一些現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和參考思路。

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