姚俊 蘇祥偉 楊照林

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何準(zhǔn)確而迅速地處理超聲波流量計的各類異常問題一直都是計量專業(yè)現(xiàn)場技術(shù)人員的重要研究課題。本文首先介紹了氣體超聲波流量計在使用中遇到聲道數(shù)據(jù)異常時可能出現(xiàn)的各類癥狀，然后根據(jù)各癥狀所具有的特點提出診斷思路及故障排除辦法，最后通過實際案例分析與處理，總結(jié)出遇到信號處理單元故障時的排查思路。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計；天然氣；故障排除

DOI：10.12433/zgkjtz.20233046

一、超聲波流量計聲道數(shù)據(jù)指標(biāo)

目前，主流的超聲波流量計可通過以下聲道數(shù)據(jù)體現(xiàn)流量計的工作狀態(tài)：

（1）聲速。在管道內(nèi)供氣平穩(wěn)的條件下，通常不同聲道的超聲波傳感器測得的聲速值不應(yīng)超過0.2%。該參數(shù)的數(shù)值會受氣體組分、溫度、壓力的影響，通常可通過該參數(shù)的實際值及理論值，以及多聲道間的數(shù)值比對判斷傳感器的工作狀態(tài)是否良好。

（2）流速（流態(tài)分布）。超聲波流量計檢測到的管道內(nèi)氣體剖面形狀及流態(tài)分布，通常狀態(tài)下為上下對稱的中間快兩邊慢的子彈形狀，當(dāng)流態(tài)形狀出現(xiàn)變形時，在傳感器其余參數(shù)無異常的前提下，很可能是管道內(nèi)氣體實際氣體流動出現(xiàn)了變化，或管道內(nèi)整流設(shè)備無法正常工作。

（3）增益。增益是體現(xiàn)超聲波傳感器信號強(qiáng)度的參數(shù)，當(dāng)傳感器的信號強(qiáng)度減弱，流量計將通過提升增益值加強(qiáng)信號強(qiáng)度，該數(shù)值將受到管道內(nèi)壓力、氣體流速、氣體介質(zhì)、傳感器表面臟污程度等參數(shù)的影響。

（4）信噪比。這是體現(xiàn)超聲波傳感器受信號干擾程度的參數(shù)，該值越低，說明超聲波傳感器受到的干擾越強(qiáng)，一般出現(xiàn)該參數(shù)降低的情況，傳感器可能存在接近噪聲源或者信號連接部分存在接觸不良等情況。

（5）性能。不同品牌的超聲波流量計對此參數(shù)的稱呼各不相同，該值體現(xiàn)的為超聲波傳感器信號收發(fā)質(zhì)量，主要計算方式為計算一組超聲波傳感器信號收發(fā)的成功率，該參數(shù)最佳狀態(tài)是保持100%，但根據(jù)實際供氣情況并不強(qiáng)求100%的精度，受管道內(nèi)實際氣體流速影響。

二、聲道數(shù)據(jù)異常癥狀分析

（一）聲道數(shù)據(jù)異常癥狀

分析聲道數(shù)據(jù)異常的具體原因時建議結(jié)合多項聲道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不建議僅以單個參數(shù)作為判斷依據(jù)下結(jié)論。筆者根據(jù)多年現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，現(xiàn)對聲道數(shù)據(jù)異常的分析結(jié)果進(jìn)行整理總結(jié)，具體如下：

（1）聲速異常。當(dāng)聲速值出現(xiàn)異常時，主要表現(xiàn)為：單一聲道或者多個聲道的傳感器測得的聲速值與理論值或其余聲道聲速值出現(xiàn)較大偏差，現(xiàn)象為異常聲道聲速與理論值偏差大于±0.2%，或者異常聲道聲速與其余聲道偏差大于±1 m/s。如果偏差僅在上述值附近，先考慮是否為傳感器耦合面臟污、管道內(nèi)介質(zhì)出現(xiàn)變化導(dǎo)致，可先停氣嘗試拆卸異常傳感器，對傳感器耦合面進(jìn)行清潔，并觀察管道內(nèi)臟污情況，清洗完畢后仍無改善，可直接更換傳感器；如果偏差遠(yuǎn)超上述值，則需結(jié)合其他聲道數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，如果存在異常的聲道除聲速外的其他參數(shù)異常，則需進(jìn)一步檢查信號采集單元（超聲波傳感器、信號采集板、線纜總成）是否部分存在損壞。

（2）流速異常。以對射式超聲波流量計為例，當(dāng)檢測到的流速出現(xiàn)異常時，測得的流速形狀將不再為標(biāo)準(zhǔn)的中間突出、向兩邊平穩(wěn)降低的子彈形狀，而是其中某對聲道的數(shù)據(jù)相比對稱位置（如超聲波流量計最上側(cè)與最下側(cè)的位置相互對稱的聲道，即對稱位置的聲道）的聲道聲速更高或者更低。當(dāng)遇到該情況時，需結(jié)合其他聲道數(shù)據(jù)進(jìn)一步判斷。

如果該傳感器其余聲道數(shù)據(jù)皆較為正常，則該情況可能為管道內(nèi)實際氣體流態(tài)出現(xiàn)變化，需著重檢查管道內(nèi)是否底部堆積異物或積水、整流器是否堵塞、法蘭面金屬纏繞墊是否安裝規(guī)范等。

如果該傳感器其余聲道數(shù)據(jù)存在異常，則該情況可能為傳感器表面臟污，可嘗試拆卸傳感器進(jìn)行清潔，清潔后無改善可考慮更換傳感器；如果出現(xiàn)聲道聲速數(shù)據(jù)時常丟失等較為嚴(yán)重的情況，則考慮檢查信號采集單元部分是否存在損壞。

（3）增益異常。當(dāng)聲道數(shù)據(jù)中出現(xiàn)增益異常時，主要表現(xiàn)為異常聲道傳感器的增益值相比其他幾組傳感器的增益值急劇增高。該現(xiàn)象多數(shù)可能為傳感器信號收發(fā)端臟污導(dǎo)致，首先應(yīng)對傳感器進(jìn)行拆卸清潔，如果清潔后回裝仍未改善，再考慮傳感器故障的原因?qū)鞲衅鬟M(jìn)行更換。需額外提及的是，在部分品牌的超聲波流量計中，顯示傳感器增益值數(shù)據(jù)達(dá)到顯示高限值也有可能并不是傳感器損壞，而是傳感器與信號采集板之間的通訊中斷導(dǎo)致。該情況下，需進(jìn)一步檢查具體故障是發(fā)生在傳感器、線纜總成還是信號采集板。

（4）信噪比異常。當(dāng)信噪比數(shù)值出現(xiàn)異常時，主要表現(xiàn)為固定環(huán)境下異常聲道信噪比數(shù)據(jù)過低。當(dāng)出現(xiàn)信噪比異常時，可根據(jù)多個聲道的具體表現(xiàn)進(jìn)行分析：

當(dāng)同環(huán)境下多個聲道同時出現(xiàn)信噪比突然異常的情況，則需檢查管道中的噪聲源，比如閥門開關(guān)情況、管道內(nèi)是否存在異常等等。

當(dāng)同環(huán)境下僅個別聲道出現(xiàn)信噪比異常的情況，則需檢查傳感器各連接處是否存在接觸不良的情況。如果皆無問題，則考慮為傳感器本身故障引起的，需更換傳感器。

（5）性能異常。當(dāng)聲道的性能出現(xiàn)異常時，表現(xiàn)為異常聲道的傳感器的性能值時常低于50%（視流量計品牌而定，如Daniel品牌流量計將該數(shù)值稱為質(zhì)量，狀態(tài)良好時該數(shù)值顯示為100%；SICK品牌流量計將該數(shù)值稱為錯誤率，狀態(tài)良好時顯示為0%。本文為方便描述，默認(rèn)為以狀態(tài)良好時顯示100%）且處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)該情況時，需對設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步檢查。

當(dāng)該情況僅在當(dāng)前管道內(nèi)流量增大時產(chǎn)生，且多個聲道同時出現(xiàn)，則需檢查當(dāng)前管道內(nèi)氣體流速是否已超過當(dāng)前超聲波流量計的高限值，也可通過將管道退出供氣后，在靜壓狀態(tài)下觀察聲道性能值是否恢復(fù)來判斷。該情況多是現(xiàn)場氣體流速超過超聲波流量計最大工作條件所致。

當(dāng)該情況僅個別聲道出現(xiàn)，且有點極端情況該數(shù)值顯示為0%，則需檢查是否為信號采集單元部分（超聲波傳感器、信號采集板、線纜總成）出現(xiàn)故障或接觸不良導(dǎo)致。

（二）聲道數(shù)據(jù)異常原因分析

對各聲道數(shù)據(jù)異常的癥狀的分析進(jìn)一步歸類可知，目前主要造成聲道數(shù)據(jù)異常的原因從種類上主要分為兩種，如圖1所示。一種是外界環(huán)境因素作為主要原因，體現(xiàn)為超聲波傳感器臟污、管道內(nèi)部氣體流態(tài)異常、管道內(nèi)噪聲等。該情況只能通過改變供氣環(huán)境解決。另一種是超聲波流量計本體故障作為主要原因，體現(xiàn)在傳感器故障、傳感器線纜總成故障或者信號采集板故障。當(dāng)可確認(rèn)為是硬件故障引起時，首先需要確認(rèn)故障位置具體在哪個部件上，再做進(jìn)一步排查，并解決此類故障。

三、案例分析與處理

某輸氣站采用Daniel 3400型超聲波流量計計量，某日該超聲波流量計B聲道出現(xiàn)故障。具體故障表現(xiàn)在B聲道在未供氣、靜壓的條件下出現(xiàn)增益過高的同時，性能也僅在50%左右的情況。

現(xiàn)場作業(yè)人員對聲道異常數(shù)據(jù)的癥狀分析，當(dāng)同時出現(xiàn)該兩處聲道數(shù)據(jù)異常的情況時，極大概率為信號處理單元即超聲波傳感器、傳感器線纜、信號采集板其中某處出現(xiàn)故障。

根據(jù)Daniel 3400型超聲波流量計的構(gòu)造，可采用單一變量法對故障部件進(jìn)行排查。

從該流量計構(gòu)造來看，B、C傳感器為位置對稱的聲道，聲程等參數(shù)更為接近，故考慮互換B、C傳感器線纜。

可更換傳感器線纜的位置在兩處，一處為超聲波傳感器線纜接口，另一處為信號采集板線纜接口，可通過互換其中一處線纜或兩邊皆更換來觀察異常聲道是否也隨著線纜互換變化來判斷具體故障部件。以此故障為例，可列出所有互換后的可能性，如表1所示。

最后，檢修人員對B、C傳感器線纜接口處傳感器電纜進(jìn)行互換，互換后顯示C聲道傳感器數(shù)據(jù)異常，對照表1，判斷為原B聲道傳感器存在故障，在對B聲道傳感器更換為新傳感器后，B聲道數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

通過此例子，總結(jié)出遇到信號處理單元故障時的排查思路，可按思維導(dǎo)圖進(jìn)行操作，如圖2所示。

四、結(jié)語

計量專業(yè)技術(shù)人員通過不斷研究與實踐，超聲波流量計聲道數(shù)據(jù)異常相關(guān)故障處理的完成及時率逐年上升，缺陷誤判率也呈現(xiàn)逐年下降趨勢。通過不斷提高現(xiàn)場技術(shù)人員的技能技術(shù)水平，我企業(yè)在計量設(shè)備的管理方面有了長足進(jìn)步，也提高了現(xiàn)場計量人員對設(shè)備的思考、學(xué)習(xí)、領(lǐng)悟的能力，為下一步計量輸差管理打下了良好的工作基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]喻維綱. 計量助推企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[J]. 中國計量，2023（05）：42-43.

[2]張金香，梁浩，陳岑. 氣體超聲波流量計在天然氣計量中的應(yīng)用分析[J]. 中國化工貿(mào)易，2015，7（27）：149.