气体超声波流量计声道数据异常原因分析及案例处理

姚俊 苏祥伟 杨照林

摘要：随着科学技术的不断发展，如何准确而迅速地处理超声波流量计的各类异常问题一直都是计量专业现场技术人员的重要研究课题。本文首先介绍了气体超声波流量计在使用中遇到声道数据异常时可能出现的各类症状，然后根据各症状所具有的特点提出诊断思路及故障排除办法，最后通过实际案例分析与处理，总结出遇到信号处理单元故障时的排查思路。

关键词：超声波流量计；天然气；故障排除

DOI：10.12433/zgkjtz.20233046

一、超声波流量计声道数据指标

目前，主流的超声波流量计可通过以下声道数据体现流量计的工作状态：

（1）声速。在管道内供气平稳的条件下，通常不同声道的超声波传感器测得的声速值不应超过0.2%。该参数的数值会受气体组分、温度、压力的影响，通常可通过该参数的实际值及理论值，以及多声道间的数值比对判断传感器的工作状态是否良好。

（2）流速（流态分布）。超声波流量计检测到的管道内气体剖面形状及流态分布，通常状态下为上下对称的中间快两边慢的子弹形状，当流态形状出现变形时，在传感器其余参数无异常的前提下，很可能是管道内气体实际气体流动出现了变化，或管道内整流设备无法正常工作。

（3）增益。增益是体现超声波传感器信号强度的参数，当传感器的信号强度减弱，流量计将通过提升增益值加强信号强度，该数值将受到管道内压力、气体流速、气体介质、传感器表面脏污程度等参数的影响。

（4）信噪比。这是体现超声波传感器受信号干扰程度的参数，该值越低，说明超声波传感器受到的干扰越强，一般出现该参数降低的情况，传感器可能存在接近噪声源或者信号连接部分存在接触不良等情况。

（5）性能。不同品牌的超声波流量计对此参数的称呼各不相同，该值体现的为超声波传感器信号收发质量，主要计算方式为计算一组超声波传感器信号收发的成功率，该参数最佳状态是保持100%，但根据实际供气情况并不强求100%的精度，受管道内实际气体流速影响。

二、声道数据异常症状分析

（一）声道数据异常症状

分析声道数据异常的具体原因时建议结合多项声道数据进行分析，不建议仅以单个参数作为判断依据下结论。笔者根据多年现场作业经验，现对声道数据异常的分析结果进行整理总结，具体如下：

（1）声速异常。当声速值出现异常时，主要表现为：单一声道或者多个声道的传感器测得的声速值与理论值或其余声道声速值出现较大偏差，现象为异常声道声速与理论值偏差大于±0.2%，或者异常声道声速与其余声道偏差大于±1 m/s。如果偏差仅在上述值附近，先考虑是否为传感器耦合面脏污、管道内介质出现变化导致，可先停气尝试拆卸异常传感器，对传感器耦合面进行清洁，并观察管道内脏污情况，清洗完毕后仍无改善，可直接更换传感器；如果偏差远超上述值，则需结合其他声道数据进一步分析，如果存在异常的声道除声速外的其他参数异常，则需进一步检查信号采集单元（超声波传感器、信号采集板、线缆总成）是否部分存在损坏。

（2）流速异常。以对射式超声波流量计为例，当检测到的流速出现异常时，测得的流速形状将不再为标准的中间突出、向两边平稳降低的子弹形状，而是其中某对声道的数据相比对称位置（如超声波流量计最上侧与最下侧的位置相互对称的声道，即对称位置的声道）的声道声速更高或者更低。当遇到该情况时，需结合其他声道数据进一步判断。

如果该传感器其余声道数据皆较为正常，则该情况可能为管道内实际气体流态出现变化，需着重检查管道内是否底部堆积异物或积水、整流器是否堵塞、法兰面金属缠绕垫是否安装规范等。

如果该传感器其余声道数据存在异常，则该情况可能为传感器表面脏污，可尝试拆卸传感器进行清洁，清洁后无改善可考虑更换传感器；如果出现声道声速数据时常丢失等较为严重的情况，则考虑检查信号采集单元部分是否存在损坏。

（3）增益异常。当声道数据中出现增益异常时，主要表现为异常声道传感器的增益值相比其他几组传感器的增益值急剧增高。该现象多数可能为传感器信号收发端脏污导致，首先应对传感器进行拆卸清洁，如果清洁后回装仍未改善，再考虑传感器故障的原因对传感器进行更换。需额外提及的是，在部分品牌的超声波流量计中，显示传感器增益值数据达到显示高限值也有可能并不是传感器损坏，而是传感器与信号采集板之间的通讯中断导致。该情况下，需进一步检查具体故障是发生在传感器、线缆总成还是信号采集板。

（4）信噪比异常。当信噪比数值出现异常时，主要表现为固定环境下异常声道信噪比数据过低。当出现信噪比异常时，可根据多个声道的具体表现进行分析：

当同环境下多个声道同时出现信噪比突然异常的情况，则需检查管道中的噪声源，比如阀门开关情况、管道内是否存在异常等等。

当同环境下仅个别声道出现信噪比异常的情况，则需检查传感器各连接处是否存在接触不良的情况。如果皆无问题，则考虑为传感器本身故障引起的，需更换传感器。

（5）性能异常。当声道的性能出现异常时，表现为异常声道的传感器的性能值时常低于50%（视流量计品牌而定，如Daniel品牌流量计将该数值称为质量，状态良好时该数值显示为100%；SICK品牌流量计将该数值称为错误率，状态良好时显示为0%。本文为方便描述，默认为以状态良好时显示100%）且处于不稳定状态。当出现该情况时，需对设备进行进一步检查。

当该情况仅在当前管道内流量增大时产生，且多个声道同时出现，则需检查当前管道内气体流速是否已超过当前超声波流量计的高限值，也可通过将管道退出供气后，在静压状态下观察声道性能值是否恢复来判断。该情况多是现场气体流速超过超声波流量计最大工作条件所致。

當该情况仅个别声道出现，且有点极端情况该数值显示为0%，则需检查是否为信号采集单元部分（超声波传感器、信号采集板、线缆总成）出现故障或接触不良导致。

（二）声道数据异常原因分析

对各声道数据异常的症状的分析进一步归类可知，目前主要造成声道数据异常的原因从种类上主要分为两种，如图1所示。一种是外界环境因素作为主要原因，体现为超声波传感器脏污、管道内部气体流态异常、管道内噪声等。该情况只能通过改变供气环境解决。另一种是超声波流量计本体故障作为主要原因，体现在传感器故障、传感器线缆总成故障或者信号采集板故障。当可确认为是硬件故障引起时，首先需要确认故障位置具体在哪个部件上，再做进一步排查，并解决此类故障。

三、案例分析与处理

某输气站采用Daniel 3400型超声波流量计计量，某日该超声波流量计B声道出现故障。具体故障表现在B声道在未供气、静压的条件下出现增益过高的同时，性能也仅在50%左右的情况。

现场作业人员对声道异常数据的症状分析，当同时出现该两处声道数据异常的情况时，极大概率为信号处理单元即超声波传感器、传感器线缆、信号采集板其中某处出现故障。

根据Daniel 3400型超声波流量计的构造，可采用单一变量法对故障部件进行排查。

从该流量计构造来看，B、C传感器为位置对称的声道，声程等参数更为接近，故考虑互换B、C传感器线缆。

可更换传感器线缆的位置在两处，一处为超声波传感器线缆接口，另一处为信号采集板线缆接口，可通过互换其中一处线缆或两边皆更换来观察异常声道是否也随着线缆互换变化来判断具体故障部件。以此故障为例，可列出所有互换后的可能性，如表1所示。

最后，检修人员对B、C传感器线缆接口处传感器电缆进行互换，互换后显示C声道传感器数据异常，对照表1，判断为原B声道传感器存在故障，在对B声道传感器更换为新传感器后，B声道数据恢复正常。

通过此例子，总结出遇到信号处理单元故障时的排查思路，可按思维导图进行操作，如图2所示。

四、结语

计量专业技术人员通过不断研究与实践，超声波流量计声道数据异常相关故障处理的完成及时率逐年上升，缺陷误判率也呈现逐年下降趋势。通过不断提高现场技术人员的技能技术水平，我企业在计量设备的管理方面有了长足进步，也提高了现场计量人员对设备的思考、学习、领悟的能力，为下一步计量输差管理打下了良好的工作基础。

参考文献：

[1]喻维纲. 计量助推企业高质量发展[J]. 中国计量，2023（05）：42-43.

[2]张金香，梁浩，陈岑. 气体超声波流量计在天然气计量中的应用分析[J]. 中国化工贸易，2015，7（27）：149.