診斷頁(yè)上，B 聲道的聲速比另外三條低了 0.94%。

流速剖面也歪了，內(nèi)聲道 B 比設(shè)計(jì)剖面慢了將近 2%?？吹竭@兩行，多數(shù)人會(huì)先去量上游直管段，翻整流器的安裝記錄。

這組數(shù)字出自一個(gè)計(jì)算工況：DN300 四聲道表，6 MPa，管線里摻了 20% 的氫。下文每個(gè)數(shù)都能用文末的方法復(fù)算。

01

▍流量方程不認(rèn)組分，信號(hào)檢測(cè)認(rèn)

多聲道時(shí)差法只用聲道長(zhǎng)度 L、聲道與管軸夾角 θ 和順、逆流兩個(gè)傳播時(shí)間：

v = L / (2cosθ) · (1/t順 ? 1/t逆)      c = L/2 · (1/t順 + 1/t逆)

組分、密度、壓力、溫度都不在式子里。AGA 9、ISO 17089-1、OIML R137 對(duì) USM 幾十年的信任，建在這一點(diǎn)上。

KROHNE 沙特和巴林區(qū)域經(jīng)理 Muhammad Ubair 9 月 30 日發(fā)表的產(chǎn)品說(shuō)明盯的是另一半。方程照樣成立，可 t順 和 t逆 是靠在接收波形里認(rèn)出某個(gè)過(guò)零點(diǎn)量出來(lái)的。氣變了，波形跟著變；認(rèn)錯(cuò)一個(gè)周期，方程吃進(jìn)去的就是錯(cuò)的時(shí)間。

流量方程可以不認(rèn)識(shí)氫，

檢測(cè)鏈必須認(rèn)識(shí)。

國(guó)內(nèi)的管線已經(jīng)在摻了。中國(guó)石油寧東示范管線全長(zhǎng) 397 km，摻氫比逐步提到 24%，試運(yùn)行 100 天；浙能天然氣集團(tuán) 2024 年在在役城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施上做了 3% 到 30% 的摻氫試驗(yàn)。這些線上的計(jì)量點(diǎn)，換能器大多是按甲烷為主的氣質(zhì)選的。

02

▍氫削掉的那 1 dB 不是主角

你可能以為摻氫會(huì)讓超聲信號(hào)弱一大截，按聲阻抗算，其實(shí)不是。

換能器和氣體之間的能量耦合，大體跟氣體聲阻抗 ρc 成正比。6 MPa、20 °C 下?lián)綒?20%，密度降得多、聲速升得少，ρc 只降 10.8%，折合接收幅值少 1.0 dB。同樣這罐氣，壓力從 6 MPa 降到 0.4 MPa，幅值掉 24 dB。

※ 信號(hào)余量最緊的是城鎮(zhèn)中壓管網(wǎng)上的小口徑表，氫在那里是雪上加霜；長(zhǎng)輸干線壓力高，耦合這一項(xiàng)反倒不敏感。

變化大的是聲速。摻氫 20%，6 MPa 下聲速?gòu)?432 m/s 升到 492 m/s，漲 13.9%。三件事跟著來(lái)。

第一，時(shí)差縮水。Δt 與 c2 成反比，同樣 10 m/s，DN300 表直徑聲道上的順逆流時(shí)差從 18.5 μs 降到 14.3 μs，只剩 77%，低流速段的分辨先吃虧。

第二，聲束變寬。SICK 在 2022 年全球流量測(cè)量研討會(huì)上的報(bào)告指出，聲速升高后換能器指向性展寬，管壁反射疊進(jìn)接收波形，會(huì)帶來(lái)額外的時(shí)差誤差。

第三，增益上抬。DNV GL 組織的聯(lián)合測(cè)試?yán)铮慌_(tái) 8 英寸表在 16 bar 和 32 bar 下逐級(jí)摻氫，20% 以內(nèi)診斷量幾乎不動(dòng)，到 30% 時(shí)外側(cè)的 A、D 兩條短聲道增益略有上升。

圖 1  摻氫比對(duì)聲速、順逆流時(shí)差和聲阻抗耦合幅值的影響

波形變了形，接收算法認(rèn)過(guò)零點(diǎn)的余量就變薄。

03

▍跳一個(gè)周期，診斷頁(yè)上就像流場(chǎng)畸變

檢測(cè)鏈最典型的錯(cuò)是跳周期：算法把第 N+1 個(gè)過(guò)零點(diǎn)當(dāng)成第 N 個(gè)，傳播時(shí)間多出整整一個(gè)周期。150 kHz 的換能器，一個(gè)周期 6.67 μs。

只有一個(gè)方向跳，多出來(lái)的 6.67 μs 相當(dāng)于時(shí)差的 47%，流速當(dāng)場(chǎng)跳變，表自己就會(huì)把這條聲道判無(wú)效。

難查的是順流、逆流一起跳。時(shí)差幾乎不變，兩個(gè)時(shí)間同時(shí)變長(zhǎng)。按開(kāi)頭的工況算：

1. B 聲道聲速偏低 0.94%

2. B 聲道流速偏低 1.87%

3. B 是內(nèi)聲道，按 Gauss-Jacobi 權(quán)重 0.3618 折算，整表少計(jì) 0.68%

1.87% 落到剖面圖上，就是一條內(nèi)聲道偏慢、左右不對(duì)稱。這正是安裝效應(yīng)的典型長(zhǎng)相，也是現(xiàn)場(chǎng)容易先去查直管段和整流器的原因。

流場(chǎng)畸變改不了聲速。聲速取的是兩個(gè)傳播時(shí)間之和，一階近似下與流速無(wú)關(guān)，剖面再歪，四條聲道的聲速也應(yīng)彼此一致，并與狀態(tài)方程算出的理論值吻合在 ±0.2% 以內(nèi)，這是 AGA 推薦的比對(duì)窗口。

圖 2  流場(chǎng)畸變與雙向跳周期在逐聲道診斷數(shù)據(jù)上的區(qū)別

Ubair 把這條區(qū)分寫(xiě)成了一條現(xiàn)場(chǎng)規(guī)則：?jiǎn)蜗?、均勻的氣體里，表測(cè)聲速與獨(dú)立熱力學(xué)參考值之間若存在持續(xù)偏移，排查應(yīng)先指向聲學(xué)鏈和信號(hào)檢測(cè)，流速剖面排在后面。

單聲道聲速偏 0.9%，

先查信號(hào)，別先量直管段。