GB/T 30500-2014 气体超声流量计使用中检验 声速检验法

ICS75.18.30

E98

中华人民共和国国彖标准

GB/T30500—2014

气体超声流量计使用中检验

声速检验法

Ultrasonicgasflowmeterperformanceonlineaudit—

Methodusingspeedofsoundchecking

2014-02-19发布2014-06-01实施

GB/T30500—2014

目次

刖I

1范围1

2规范性引用文件1

3术语、定义和符号2

3.1术语和定义2

3.2符号2

4基本原理3

4.1理论声速3

4.2测量声速4

4.3声速检验法的原理4

5技术要求5

5.1气体条件5

5.2气体组成测量5

5.3压力测量5

5.4温度测量5

5.5安装条件5

5.6技术要求5

6声速检验6

6.1测量条件6

6.2测量设备6

6.3测量前检查6

6.4测量程序6

7测量结果处理7

7.1声速偏差计算7

7.2最大声速差计算7

7.3重复性计算7

8检验结果8

9检验间隔8

附录A（资料性附录）天然气和其他桂类气体中的声速计算9

附录B（资料性附录）超声流量计的信息诊断17

GB/T30500—2014

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本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

本标准在起草过程中参考了美国天然气协会第9号技术报告(AGAReportNo.9)《用多声道超声

流量计测量天然气流量XMeasurementofgasbymultipathultrasonicmeters)和第10号技术报告

(AGAReportNo.10)《天然气和其他相关姪类气体中的声速MSpeedo£soundinnaturalgasandother

relatedhydrocarbongases)的部分内容。

本标准在起草过程中参考了JJG1030-2007《超声流量计》。本标准的主要技术要求与

T.TG1030—2007的主要差异如下：

——增加了声速检验法的基本原理；

——明确了声速检验法的技术要求；

——对声速检验法的操作程序做了规定；

——对声速检验结果的处理方法做了规定；

-附录A“天然气和其他桂类气体中的声速计算”主要参考AGAReportNo.10进行编写。

本标准由全国石油天然气标准化技术委员会(SAC/TC355)提出并归口。

本标准起草单位：国家石油天然气大流量计量站、国家石油天然气大流量计量站南京分站、国家石

油天然气大流量计量站成都分站。

本标准主要起草人：肖迪、郑琦、张福元、高军、段继芹、马福军、郭亮、成晓一、于栋。

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GB/T30500—2014

气体超声流量计使用中检验

声速检验法

1范围

本标准规定了用声速检验法对气体超声流量计进行使用中检验的方法。

本标准适用于以传播时间差法为原理、具备自诊断功能的插入式气体超声流量计。

表1规定了本标准可用的气体特性范围。

表1符合本标准的气体混合物的特性范围

项目适用范围

甲烷45.0〜100.0

氮气0〜50.0

二氧化碳0〜10.0

乙烷0〜10.0

丙烷0〜4.0

总丁烷0〜1.0

摩尔分数/%总戊烷0〜0.3

碳六加O~O.2

氮气0〜0.2

氢气0〜10.0

一氧化碳0〜3.0

水0〜0.05

硫化氢0〜0.02

温度/°c一8〜62

压力（绝压）/MPa0.2〜12

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB3836.1爆炸性环境第1部分:设备通用要求

GB3836.2爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备

GB3836.4爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备

GB/T13609天然气取样导则

GB/T13610天然气的组成分析气相色谱法

GB/T18603天然气计量系统技术要求

1

GB/T30500—2014

GB/T18604用气体超声流量计测量天然气流量

GB50251输气管道工程设计规范

3术语、定义和符号

3.1术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1.1

声速speedofsound

声波在介质中的传播速度。

3.1.2

传播时间transittime

趙声流量计发射的脉冲信号在介质中传播的时间。

3.1.3

平均声速averagespeedofsound

超声流量计各声道测量到的声速平均值。

3.1.4

理论声速theoreticalspeedofsound

通过热力学公式得到的理论上的声速。

3.1.5

计算声速calculatespeedofsound

利用声速计算软件计算得到的声速。

3.1.6

声速偏差speedofsounddeviation

测量声速与计算声速之间的偏差。

3.1.7

最大声速差maximumspeedofsoundpathspread

趙声流量计各声道测量声速最大值与最小值之间的差值。

3.2符号

本标准所用符号和单位见表2。

表2符号和单位

符号名称量纲单位

打流量计流通面积IJm2

C计算声速LT-1m/s

Ct测量声速LT-1m/s

平均声速LT-1m/s

Cp比定压热容L2T_Z0_'kJ/(kg•K)

Cv比定容热容I?T-Z0-'kJ/(kg•K)

L声道长度Lm

2

GB/T30500—2014

表2（续）

符号名称量纲单位

M摩尔质量Mkg/mol

P工作条件下的绝对静压ML-1T-2Pa

流量计测量体积流量L；iT_lm3/s

q

R通用气体常数L2T-Z0-'kJ/(kg•K)

T热力学温度0K

V流体轴向平均流速LT-1m/s

Vm流体轴向流速LT-1m/s

z压缩因子1

摩尔密度L-3

p

K等嫡指数1

注1：量纲中：符号L为长度，符号T为时间，符号M为质量，符号0为热力学温度。

注2：表中未列符号在文中出现处加以说明。

4基本原理

4.1理论声速

声波在介质中的传播是由•个特定的速度来表征的。理论声速是与介质的压力、温度和组分有关

的函数，由热力学公式推导出的理论声速计算表达式见式（1）：

円円第Z张］「<-

式中：

Cv——气体的比定容热容；

5一一气体的比定压热容；

R——通用气体常数；

T——气体的热力学温度；

M气体的摩尔质量；

Z气体的压缩因子；

P——气体的摩尔密度；

0Z/%——Z对Q的一次偏导数。

其中Cv和C”的表达式见式（2）、式（3）或式（4）:

2）

3)

或

3

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Cp—Cy+R(4)

通过测量介质的温度、压力以及气体组成的数据，可以求得各计算参数，代入上述公式可以求得理

论声速。AGAReportNo.10对天然气理论声速计算方法有详细的描述，其概要见附录Ao

4.2测量声速

超声流量计是由流量计表体、超声换能器及其信号处理单元等构成的流量计量器具。基本原理如

图1所示。

图1超声流量计测量基本原理图

声波脉冲由其中一个换能器发射，被另一个换能器所接收。当管道中的流体流速Vm不为零时，沿

流动方向顺流传播（从A到B）的声波将加快速度，而逆流传播（从B到A）的声波将减慢。因此，声波

在介质中的传播速度G可以用声波传播路径的距离、声波顺流传播时间和逆流传播时间计算，见式

（5）：

式中：

L声道长度；

-down声波在介质中顺流传播的时间；

/„p声波在介质中逆流传播的时间。

测量过程中，通过测量换能器发射脉冲到该脉冲被接收的时间间隔，能够确定声波沿声道顺流和逆

流传播时间，从而得到声波在介质中的传播速度。

4.3声速检验法的原理

超声流量计测量的是体积流量。流体的轴向平均流速与流通面积相乘，能够确定T作条件下的体

积流量Q,见式（6）：

q=VA（6）

式中：

V——流体的轴向平均流速；

A——测量管的截面积。

其中，流体的轴向平均流速是由流量计各声道测量的流体流速采用积分计算得到，见式（7）：

4

GB/T30500—2014

根据图1的基本原理，如果声道与测量管轴线间的夹角为爭，则流体流速的表达式见式（8）：

'丄一丄\

超声流量计参与体积流量计算的参数包括声道长度、声道角以及流通面积，这些参数在流量计出厂

时就已确定并置入，参数一旦变化就会影响流量测量结果；在流量测量过程中，需要测量的只是声波传

播时间。比较式（5）和式（8）,声速与流速都是通过测量声波传播时间得到的。

通过测量流体的温度、压力和气体组成，利用声速计算软件计算得到工况条件下介质中的计算声

速，与在同一条件下流量计的测量声速进行比较，就可以检验流量计测量声速是否准确，从而对流量计

测量的声波传播时间进行验证，对流量计的计量性能进行评价。

5技术要求

5.1气体条件

适合开展声速检验法的测量气体组成应满足表1中的要求。

5.2气体组成测量

气体组成分析方法（使用的标准气体和取样方法）应符合GB/T13610和GB/T13609的要求，气

相色谱分析仪应具备有效的检定证书。对于A级计量系统，开展声速检验采用的标气等级应不低于

1.0级。

5.3压力测量

超声流量计配套使用的压力测量仪表应符合GB/T18603的要求，最大允许误差为±0.2%,具备

有效的检定证书。

5.4温度测量

超声流量计配套使用的温度测量仪表应符合GB/T18603的要求，最大允许误差为±0.3°C,具备

有效的检定证书。

5.5安装条件

超声流量计、温度测量仪表、压力测量仪表、气体组成分析设备的安装应符合GB/T18604要求。

5.6技术要求

超声流量计的测量声速应满足表3的要求。

表3流量计测量声速技术要求

声速偏差允许范围，E±0.2%

各声道测量最大声速差允许范围，Em,

测量重复性优丁，E,0.05%

5

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6声速检验

6.1测量条件

6.1.1气体流动条件

测量管道内的气体流动平稳，温度分布均匀。气体流速不低于流量计分界流量对应的流速。

6.1.2环境条件

环境温度、湿度和大气压力应满足测量仪表正常工作要求。所有测量设备、测量场地都应满足

GB50251的要求，所有电气设备必须符合GB3836.1、GB3836.2和GB3836.4的安全防爆要求。

6.2测量设备

6.2.1计算软件

理论声速计算软件程序应采用AGAReportNo.10提供的计算方法，过程参数和计算结果应满足

AGAReportNo.10提供的程序校验要求。

6.2.2气体组成测量设备

测量气体组成采用的气相色谱分析仪、标准气体和取样方法应符合5.2的要求。测量前，应对色谱

分析仪进行校准。为保证测量数据具有代表性，推荐采用在线气相色谱分析仪测量气体组成。

6.2.3压力测量仪表

压力测量仪表应符合5.3的要求，单次测量压力波动不超过±0.5%。

6.2.4温度测量仪表

温度测量仪表应符合5.4的要求，单次测量温度变化不超过±0.5°C。

6.3测量前检查

6.3.1报警文件检查

检查超声流量计的报警记录，确认无影响流量计计量的报警，方可进行使用中检验。

6.3.2信号检查

通过计算机通讯或现场读取流量计的诊断参数，主要包括:信号的增益值、信号接收质量、信噪比和

各声道测量声速比等，各项指标的数值应在产品说明书允许范围内。检查方法参见附录B。

6.4测量程序

6.4.1设置流量点

一般选择常用流量点；如常用流量点在流量计分界流量点以下，应调节流量至分界流量点以上。

6

GB/T30500—2014

6.4.2测量次数

在设置流量点连续测量次数不低于3次。

6.4.3测量步骤

测量步骤如下：

a）把流量调到设定的流量值。

）待流量稳定后，记录各声道的测量声速，最大声速差应符合5.6的要求。

c）进行采样分析，同时测量记录管道内气体的温度、压力数据。把采样气体组分，采样时间内管

道的平均压力和温度输入理论声速计算软件。

d）将计算声速与流量计测量的平均声速进行比较，声速偏差应符合5.6的要求。

e）重复上述步骤，连续测量不少于3次。

f）计算出测量重复性,应符合5.6的要求。

7测量结果处理

7.1声速偏差计算

测量平均声速与计算声速偏差计算表达式见式（9）:

E="'；(X100%

式中：

E——测量平均声速与计算声速偏差；

C计算声速；

~——超声流量计测量平均声速。

7.2最大声速差计算

单一声道测量到的最大声速差计算表达式见式（10）：

(10)

式中:

—单一声道测量到的最大声速差;

（C/）”仆,，（C/）mm单一声道测量到的最大声速和最小声速。

7.3重复性计算

连续重复测量，次（,=1,2,3,…”，声速偏差的测量重复性按式（n）评定:

式中：

碍——测量重复性；

E,第i次测量的声速偏差;

E——n次测量的声速偏差平均值。

7

GB/T30500—2014

8检验结果

采用声速检验的流量计，应发给检验报告。报告在内容上应包括检验项目和测量结果，并说明是否

符合要求。

9检验间隔

开展声速检验的时间间隔一般不超过12个月。

8

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附录A

〔资料性附录)

天然气和其他怪类气体中的声速计算

A.1声速计算

声速是由热力学关系式推导而来的，基本关系式见式(1)~(4),压缩因子Z的相关计算主要参考

AGAReportNo.8提供的基础方程：

门pis58

Z=l+镌一d£c；厂"”+》C：T-"”("”一/,Q*”)D"，，exp(—c,,D*”)……(A.1

K«=13；/=13

式中：

18.VV

(A.2)

1

Z对T求第一次偏导数为：

}+D丈"”C,：L』〉

58

-S"”C；T-1>(山-c„k„Dk：)D“”exp(—c,Q“”)(A.3)

m=13

式中：

(霁］'=—S"”a”T<%+1〉S£牛jE冷B*.

(A.4)

八MM==11i=1j=X

Z对T求第二次偏导数为：

.8

(鬃=当胖°另""+1)°：T°”切

58

+5>”("”+l)C：厂(亿一(M,Q””)D"，，exp(—“»，)•••(A.5)

"=13

式中：

籍］i=工"”(u„+1)a”厂£工牛,E；；”(K,K,)4B：ij(A.6)

=17=1

Z对Q求第一次偏导数为：

1858

［召—》c;厂厂“”(-D)DUexp(-)

_w—13_

58

+Yc：T—“”(仇一"Qexp(—)

m=13

58

-》c,：「，©-c„k„Dk^)Db-(c„k„D>)exp(—C”》，)

"=13