氣體超聲波流量計聲道數據異常原因分析及案例處理

姚俊 蘇祥偉 楊照林

摘要：隨著科學技術的不斷發展，如何準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現場技術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據異常時可能出現的各類癥狀，然后根據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，總結出遇到信號處理單元故障時的排查思路。

關鍵詞：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據指標

目前，主流的超聲波流量計可通過以下聲道數據體現流量計的工作狀態：

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

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

（3）增益。增益是體現超聲波傳感器信號強度的參數，當傳感器的信號強度減弱，流量計將通過提升增益值加強信號強度，該數值將受到管道內壓力、氣體流速、氣體介質、傳感器表面臟污程度等參數的影響。

（4）信噪比。這是體現超聲波傳感器受信號干擾程度的參數，該值越低，說明超聲波傳感器受到的干擾越強，一般出現該參數降低的情況，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的稱呼各不相同，該值體現的為超聲波傳感器信號收發質量，主要計算方式為計算一組超聲波傳感器信號收發的成功率，該參數最佳狀態是保持100%，但根據實際供氣情況并不強求100%的精度，受管道內實際氣體流速影響。

二、聲道數據異常癥狀分析

（一）聲道數據異常癥狀

分析聲道數據異常的具體原因時建議結合多項聲道數據進行分析，不建議僅以單個參數作為判斷依據下結論。筆者根據多年現場作業經驗，現對聲道數據異常的分析結果進行整理總結，具體如下：

（1）聲速異常。當聲速值出現異常時，主要表現為：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較大偏差，現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、管道內介質出現變化導致，可先停氣嘗試拆卸異常傳感器，對傳感器耦合面進行清潔，并觀察管道內臟污情況，清洗完畢后仍無改善，可直接更換傳感器；如果偏差遠超上述值，則需結合其他聲道數據進一步分析，如果存在異常的聲道除聲速外的其他參數異常，則需進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，當檢測到的流速出現異常時，測得的流速形狀將不再為標準的中間突出、向兩邊平穩降低的子彈形狀，而是其中某對聲道的數據相比對稱位置（如超聲波流量計最上側與最下側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。當遇到該情況時，需結合其他聲道數據進一步判斷。

如果該傳感器其余聲道數據皆較為正常，則該情況可能為管道內實際氣體流態出現變化，需著重檢查管道內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范等。

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

（3）增益異常。當聲道數據中出現增益異常時，主要表現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。該現象多數可能為傳感器信號收發端臟污導致，首先應對傳感器進行拆卸清潔，如果清潔后回裝仍未改善，再考慮傳感器故障的原因對傳感器進行更換。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據達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致。該情況下，需進一步檢查具體故障是發生在傳感器、線纜總成還是信號采集板。

（4）信噪比異常。當信噪比數值出現異常時，主要表現為固定環境下異常聲道信噪比數據過低。當出現信噪比異常時，可根據多個聲道的具體表現進行分析：

當同環境下多個聲道同時出現信噪比突然異常的情況，則需檢查管道中的噪聲源，比如閥門開關情況、管道內是否存在異常等等。

當同環境下僅個別聲道出現信噪比異常的情況，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。當聲道的性能出現異常時，表現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品牌流量計將該數值稱為質量，狀態良好時該數值顯示為100%；SICK品牌流量計將該數值稱為錯誤率，狀態良好時顯示為0%。本文為方便描述，默認為以狀態良好時顯示100%）且處于不穩定狀態。當出現該情況時，需對設備進行進一步檢查。

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

當該情況僅個別聲道出現，且有點極端情況該數值顯示為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）出現故障或接觸不良導致。

（二）聲道數據異常原因分析

對各聲道數據異常的癥狀的分析進一步歸類可知，目前主要造成聲道數據異常的原因從種類上主要分為兩種，如圖1所示。一種是外界環境因素作為主要原因，體現為超聲波傳感器臟污、管道內部氣體流態異常、管道內噪聲等。該情況只能通過改變供氣環境解決。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。當可確認為是硬件故障引起時，首先需要確認故障位置具體在哪個部件上，再做進一步排查，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聲道出現故障。具體故障表現在B聲道在未供氣、靜壓的條件下出現增益過高的同時，性能也僅在50%左右的情況。

現場作業人員對聲道異常數據的癥狀分析，當同時出現該兩處聲道數據異常的情況時，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故障。

根據Daniel 3400型超聲波流量計的構造，可采用單一變量法對故障部件進行排查。

從該流量計構造來看，B、C傳感器為位置對稱的聲道，聲程等參數更為接近，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行互換，互換后顯示C聲道傳感器數據異常，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聲道數據恢復正常。

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

四、結語

計量專業技術人員通過不斷研究與實踐，超聲波流量計聲道數據異常相關故障處理的完成及時率逐年上升，缺陷誤判率也呈現逐年下降趨勢。通過不斷提高現場技術人員的技能技術水平，我企業在計量設備的管理方面有了長足進步，也提高了現場計量人員對設備的思考、學習、領悟的能力，為下一步計量輸差管理打下了良好的工作基礎。

參考文獻：

[1]喻維綱. 計量助推企業高質量發展[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用分析[J]. 中國化工貿易，2015，7（27）：149.