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

超聲流量計(jì)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(yùn)維成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)用于原油貿(mào)易交接計(jì)量。隨著液體超聲流量計(jì)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(jì)。

一、原理

超聲流量計(jì)采用時(shí)差法原理，為減小流速分布對測量精度的影響

實(shí)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(jì)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(jì)量中非常重要的環(huán)節(jié)，容積式流時(shí)計(jì)和渦輪式流量計(jì)已經(jīng)長期應(yīng)用于液態(tài)烴貿(mào)易交接計(jì)量，相關(guān)檢定技術(shù)都是圍繞這兩種流量計(jì)進(jìn)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(jì)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(jì)微處理器發(fā)出表示已通過流量計(jì)的體積的正確的脈沖。這種計(jì)量方法是的，但基于微處理器的流量計(jì)在檢定時(shí)存在兩個特殊的問題。

1.采樣時(shí)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(jì)對流體中所有分量

進(jìn)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(jì)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(jì)必須對流路上流場多部位進(jìn)行足夠多次數(shù)采樣，而采樣時(shí)間取

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

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

2.脈沖輸出時(shí)延和流量波動

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

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

的小組研究延時(shí)對超聲流量計(jì)檢定的影響。Kenneth Elliott在2004

年北海流量測量研討會報(bào)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(shí)成比例

b）沒有的系數(shù)來修正此誤差

流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，時(shí)延對檢定不會產(chǎn)生影響，流量發(fā)生波動時(shí)，流量計(jì)發(fā)出的脈沖滯后于采樣計(jì)算時(shí)間，阻尼濾波使得脈沖發(fā)出時(shí)間更加滯后，計(jì)量的脈沖數(shù)不能很好表示通過流量計(jì)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(shí)間（PD）（2）阻尼濾波時(shí)間（DT）

（3）運(yùn)行時(shí)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(bào)告給出或根據(jù)平均流量計(jì)算；RC因?yàn)闀r(shí)延很

難計(jì)算，可以由流量計(jì)下游壓力變送器示值變化估算。檢定運(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)，檢定至少需要運(yùn)行多少時(shí)間？代入式（4），得：

三、液體超聲流量計(jì)的檢定

有三種辦法解決檢定超聲流量計(jì)時(shí)重復(fù)性偏差大的問題。

1.增加流量點(diǎn)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(jià)流量計(jì)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(shí)，重復(fù)性為0.09%和檢定次數(shù)為5時(shí)，重復(fù)性為0.05%，它們的不確定度是一樣的。超聲流量計(jì)的檢定數(shù)據(jù)要比常規(guī)流量計(jì)離散，連續(xù)5次檢定時(shí)重復(fù)性可能會超出標(biāo)準(zhǔn)要求的0.05%。表1為流量計(jì)檢定的數(shù)據(jù)，可以算出檢定運(yùn)行5次時(shí)重復(fù)性為0.053%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而運(yùn)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(shí)延引入的不確定度。檢定時(shí)，超聲流量計(jì)重復(fù)性滿足下

式：

式中，rn是檢定次數(shù)為n時(shí)的流量計(jì)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(shí)，

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(jì)體積管所需容積。

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

3。測試時(shí)體積管容積足夠時(shí)使用小體積管檢定，容積不足時(shí)采用等

精度傳遞（表準(zhǔn)表）法檢定。

檢定超聲流量計(jì)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(jì)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(jì)要求。實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用等精度法檢定超聲流量計(jì)，目前已提油40余批次，效果良好。

等精度傳遞理論：滿足計(jì)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(jì)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(jì)  。

等精度傳遞下合成不確定度由式

（6）確定：

時(shí)系統(tǒng)不確定度。等精度傳遞法

可以有效地消除時(shí)滯和采樣時(shí)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(jì)時(shí)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(diǎn)在線校驗(yàn)MF值，實(shí)際外輸時(shí)各路流量計(jì)根據(jù)工況調(diào)整到外輸時(shí)的流量點(diǎn)校驗(yàn)。

四、結(jié)論

超聲流量計(jì)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(diǎn)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(yùn)行時(shí)間越長，重復(fù)性越好。