超声流量计的声速核查

仪表一直在做的自检，没人去看 · 被浪费的诊断信号 · 流量

「超声表有自诊断，报警没亮就是好的。」

外输计量站 FT-5101 是一台四声道气体超声流量计，DN150，贸易交接用。上面这句话是站上的共识。

那年下半年，交接差开始往一个方向走。对方的数比我们少，每个月少零点六到零点八个百分点。流量计算机的组态核了三遍，温度压力变送器送检回来都合格，色谱也标过。

最后是厂家来人，笔记本接上维护口，打开专用软件，第一屏就是四个声道的声速。

声道 D 比另外三个高了零点九米每秒。

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01

声速是顺手测出来的

时差法超声表的每个声道都有一对换能器，互相对发声波。顺流跑得快，逆流跑得慢，两个传播时间之差给出流速。

两个时间之和给出的，是声速。

也就是说，这台表每测一次流量，就同时测了一次声速，用的是同一组时间数据、同一个声道长度。天然气里这个数大约是 430 m/s，只跟气质和工况有关，跟流量无关。

如果时间测量有问题，或者声道的几何尺寸变了，流速会错，声速也会跟着错。两者同源。

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02

声速有一个仪表以外的参照

流量没有现成的真值可以对，声速有。

AGA Report 10 给出了一套方法，拿气体组分、温度、压力就能算出理论声速。组分来自色谱，温度压力来自现场变送器，全部独立于这台超声表。

AGA 9 的要求是，每个声道实测声速与 AGA 10 理论值的偏差在 ±0.2 % 以内。按 430 m/s 算，是 ±0.86 m/s。

这是一个用外部数据验证仪表本身的办法，流量计很少有这种机会。

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03

不用色谱，声道之间也能互相对

第二种核查更简单。四个声道测的是同一股气，在同一时刻，声速本该几乎一样。温度分层会带来一点差别，但很小。AGA 9 给的门限是声道之间相差不超过 0.5 m/s。

这个检查只用仪表自己的数据，不需要色谱，不需要算 AGA 10。

图 1　四个声道的声速与同期流量读数（数据为示意）

图上四条线一起上下摆，那是气质和温度在变，正常。要看的是它们之间的距离。声道 D 从第 60 天起慢慢往上分开，到第 120 天左右越过 0.5 m/s 的线。

同一时期的流量曲线，看不出任何东西。

声道 D 的问题可能出在几个地方：换能器表面积了液或者结了垢，换能器本身的延时漂移，或者声道路径上的管壁有沉积。它们对声速的影响方向和幅度不同，得结合增益一起判，单看声速分不清。

▍同一份标准里，两个门限不一样

说个题外话。ISO 17089 的 2019 版里，5.8.2 节规定声道间声速差超过 0.5 m/s 报警，8.7.1 节又规定超过 0.2 % 警告、超过 0.3 % 报警。

在 430 m/s 下，0.5 m/s 只有 0.116 %，0.2 % 却是 0.86 m/s。两者差了七成多。同一组数据按一个条款要报警，按另一个条款什么都不报。

※ 现场组态报警时，按 0.5 m/s 设更稳妥。正常运行的超声表，声道间差值一般都在这个范围以内。

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04

这些数据没有离开过仪表

FT-5101 的问题拖了四个多月才找到，原因不在技术上。

超声表通常不带本地显示，也没有按键。组态和诊断要用厂家的专用软件，笔记本接维护口才能看到。DCS 这边接的是流量计算机，流量计算机从超声表读的是流速和状态位。

声速和增益，还有流速剖面，这些数据一直在仪表里算着，每秒更新，从来没有被送出去过。

计量人员看累计量和交接差。仪表人员看报警。色谱在分析小屋，数据进的是另一个系统。三拨人手上各有一部分数据，没有一个人手上同时有声速和 AGA 10 理论值。

开头那句话，报警没亮就是好的，说的也没错。只是超声表的报警只覆盖声道失效这种硬故障。声速慢慢偏零点几米每秒，它不认为是故障。

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零点三毫米有多少流量误差

有一个公开发表的案例值得一提：沿管道底部反射的诊断声道，声速相对其他声道偏移了约 0.2 %，据此推算底部沉积层平均厚度约 0.3 mm。后来机械测量的结果也在这个量级。

0.3 mm 听起来很薄。换算成流量看看。

图 2　管壁均匀沉积对流量读数的影响。按截面积减少比例计算

如果这层沉积均匀附着一整圈，DN150 的截面积会少 0.82 %。实际流速因此变高，仪表还按原来的截面算，读数就偏高 0.82 %。DN100 是 1.17 %。

※ 图上的换算假设沉积是均匀一整圈的，实际沉积多集中在管底，影响会小一些。但方向不会变，只会偏高。FT-5101 那几个月的交接差也是我方偏高。

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能做什么

最省力的一步，是把各声道声速和增益接进流量计算机或 DCS，做成趋势。多数超声表的 Modbus 寄存器里都有这些量，只是组态时没人勾选。成本几乎为零。

每月做一次 AGA 10 比对。取同一时刻的色谱数据和温压，算理论声速，跟四个声道的实测值放在一张表里。偏差超过 ±0.2 % 的声道，就是下一步要查的对象。

检修时拆开看换能器表面和管底。有积液或者沉积，照片留档，下次对比。

交接双方有争议的时候，先调诊断数据，再核组态。

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超声表是少数能自己证明自己没坏的流量计。它每秒都在做这件事，只是结果存在一个没人去读的地方。

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▽ 参考资料（5 项）

· AGA Report No. 9　Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters

· AGA Report No. 10　Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases

· ISO 17089-1　Ultrasonic meters for gas · Meters for custody transfer and allocation measurement

· GB/T 18604　用气体超声流量计测量天然气流量

· 各厂商气体超声流量计维护手册 · 诊断参数与 Modbus 寄存器表