本文分析了超聲流量計應(yīng)用于液態(tài)烴貿(mào)易交接計量檢定存在的問題，針對影響流量計重復(fù)性的因素給出了相應(yīng)的檢定方法。

超聲流量計具高精度、大量程比、非介入測量，無壓損、無可動部件、有完善的自診斷功能、能適應(yīng)大口徑管道、運維成本低等優(yōu)點。歐美在上世紀(jì)90年代開始應(yīng)用。2014年，HYSY118 FPSO首次采用4臺Daniel3804型超聲流量計用于原油貿(mào)易交接計量。隨著液體超聲流量計技術(shù)的快速發(fā)展將在一定程度上取代現(xiàn)有容積式流量計。

一、原理

超聲流量計采用時差法原理，為減小流速分布對測量精度的影響

實際應(yīng)用中采用多聲道測量方式。

原理如圖1所示。

二、超聲流量計在檢定中存在的特有問題

在線檢定是液態(tài)烴貿(mào)易交接計量中非常重要的環(huán)節(jié)，容積式流時計和渦輪式流量計已經(jīng)長期應(yīng)用于液態(tài)烴貿(mào)易交接計量，相關(guān)檢定技術(shù)都是圍繞這兩種流量計進行研究的。 直到 2 0 0 5年美國石油學(xué)會（ A P I ） 才發(fā)布API MPMS 5.8 《Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flowmeters Using Transit Time Technology》。超聲流量計使用采樣技術(shù)：在一定的周期（一般為50-500毫秒）內(nèi)對流體采樣，然后流量計微處理器發(fā)出表示已通過流量計的體積的正確的脈沖。這種計量方法是的，但基于微處理器的流量計在檢定時存在兩個特殊的問題。

1.采樣時間

管道中的流體是一個有漩渦、非軸向速度分量、軸向速度分量等

組成并且流態(tài)不斷變化的復(fù)雜流場。超聲流量計對流體中所有分量

進行測量，可以感知微小的流量變化。流量微小波動導(dǎo)致超聲流計發(fā)出不均勻脈沖，不能得到滿意的重復(fù)性。為得到測量值，超聲流量計必須對流路上流場多部位進行足夠多次數(shù)采樣，而采樣時間取

決于液體流態(tài)和流量計處理數(shù)據(jù)時間。毫秒級采樣時間不會影響批

次計量精度，但對檢定來說是一個問題。相較其他流量計，檢定液體超聲流量計通常需要更大的體積管。

2.脈沖輸出時延和流量波動

超聲流量計使用采樣技術(shù)，在任意時刻輸出的脈沖數(shù)表示的是已

通過流量計流體的體積。2003年API成立一個由Kenneth Elliott

的小組研究延時對超聲流量計檢定的影響。Kenneth Elliott在2004

年北海流量測量研討會報告第5.4節(jié)《API’s Microprocessor Based

FlowmeterTesting Program》中給出以下重要結(jié)論。a）儀表系數(shù)誤差與延時成比例

b）沒有的系數(shù)來修正此誤差

流態(tài)穩(wěn)定時，時延對檢定不會產(chǎn)生影響，流量發(fā)生波動時，流量計發(fā)出的脈沖滯后于采樣計算時間，阻尼濾波使得脈沖發(fā)出時間更加滯后，計量的脈沖數(shù)不能很好表示通過流量計的液體體積，導(dǎo)致儀表系數(shù)誤差（Error）。儀表系數(shù)誤差的大小與以下四個因素相關(guān)。（1）流量更新時間（PD）（2）阻尼濾波時間（DT）

（3）運行時間（PT）

（4）流量波動（RC（%）

這些因素有關(guān)系如式（4）：

式中，PT由檢定報告給出或根據(jù)平均流量計算；RC因為時延很

難計算，可以由流量計下游壓力變送器示值變化估算。檢定運行時間越長、PD和DT越小測量誤差也就越小。

例如：流量更新周期0.02S，阻尼濾波時間0.02S，假設(shè)流量變化量為 2% ， 儀表系數(shù)誤差小于0.02%時，檢定至少需要運行多少時間？代入式（4），得：

三、液體超聲流量計的檢定

有三種辦法解決檢定超聲流量計時重復(fù)性偏差大的問題。

1.增加流量點的檢定次數(shù)

重復(fù)性是在規(guī)定置信水平下允許的差值。API MPMS ch13.1推

薦置信水平為95%的不確定度為±0.027%作為評價流量計重復(fù)性

的標(biāo)準(zhǔn)。API MPMS 4.8 Table A-1給出了不確定度為±0.027%不同

檢定次數(shù)允許的重復(fù)性值：檢定次數(shù)為8時，重復(fù)性為0.09%和檢定次數(shù)為5時，重復(fù)性為0.05%，它們的不確定度是一樣的。超聲流量計的檢定數(shù)據(jù)要比常規(guī)流量計離散，連續(xù)5次檢定時重復(fù)性可能會超出標(biāo)準(zhǔn)要求的0.05%。表1為流量計檢定的數(shù)據(jù)，可以算出檢定運行5次時重復(fù)性為0.053%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而運行8次重復(fù)性為0.059%，滿足要求。

2.增大體積管容積

增大體積管容積可又增加采樣量，降低時延引入的不確定度。檢定時，超聲流量計重復(fù)性滿足下

式：

式中，rn是檢定次數(shù)為n時的流量計重復(fù)性；D（n）是重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差轉(zhuǎn)換系數(shù)，n是檢定次數(shù)，n=5時，

D（n）=2.326；σtest 測試容積標(biāo)準(zhǔn)差；

V test測試容積，V test=***大流速×液

超截面積×采樣周期；V required  是檢定超聲流量計體積管所需容積。

式（5）可知超聲流量計重復(fù)性與所需體積管容積的平方根成反比。實驗表明所示流量計重復(fù)性隨體積管容積的增大而減小，見圖

3。測試時體積管容積足夠時使用小體積管檢定，容積不足時采用等

精度傳遞（表準(zhǔn)表）法檢定。

檢定超聲流量計所需體積管的容積也可以由以式（5）來推定。如：2015年12月石油天然氣流量計量站檢定中海油恩平作業(yè)區(qū)HYSY118FPSO 體積管20℃的容積為：62.8704BBL，標(biāo)準(zhǔn)差σtest =0.000408 ，檢定次數(shù)n=5 ，重復(fù)性r5=0.05%代入式（5），得：

3.等精度（標(biāo)準(zhǔn)表）檢定

HYSY118 FPSO 體積管容積約為63B B L，不能滿足直接檢定Daniel 3804型10英寸液體超聲流量計要求。實際應(yīng)用時采用等精度法檢定超聲流量計，目前已提油40余批次，效果良好。

等精度傳遞理論：滿足計量學(xué)基本原則（介質(zhì)、介質(zhì)特性、流動特性、流量范圍、操作過程）在流量計中的相同性原則要求，流量基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的流量單位量值，會等精度傳遞給工作流量計  。

等精度傳遞下合成不確定度由式

（6）確定：

時系統(tǒng)不確定度。等精度傳遞法

可以有效地消除時滯和采樣時間對重復(fù)性的影響，體積管容積不足以直接檢定超聲流量計時可用等精度傳遞法代替（圖4~5）。

圖中，紅色：檢定MF值±2‰警戒線；綠色：檢定MF平均值；黑

色：各流量點在線校驗MF值，實際外輸時各路流量計根據(jù)工況調(diào)整到外輸時的流量點校驗。

四、結(jié)論

超聲流量計作為一種新技術(shù)將會得到廣泛應(yīng)用，API標(biāo)準(zhǔn)要求置信水平為95%不確定度為0.027%， 滿足這一要求關(guān)鍵的一點是有足夠大容積的體積管，這對重復(fù)性有直接的影響?？梢酝ㄟ^等精度傳遞法或增加檢定次數(shù)解決體積管容積不足的問題?？偟膩碇v，體積管容積越大，檢定運行時間越長，重復(fù)性越好。