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

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、能適應大口徑管道、運維成本低等優點。歐美在上世紀90年代開始應用。2014年，HYSY118 FPSO首次采用4臺Daniel3804型超聲流量計用于原油貿易交接計量。隨著液體超聲流量計技術的快速發展將在一定程度上取代現有容積式流量計。

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

在線檢定是液態烴貿易交接計量中非常重要的環節，容積式流時計和渦輪式流量計已經長期應用于液態烴貿易交接計量，相關檢定技術都是圍繞這兩種流量計進行研究的。 直到 2 0 0 5年美國石油學會（ A P I ） 才發布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：在一定的周期（一般為50-500毫秒）內對流體采樣，然后流量計微處理器發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

組成并且流態不斷變化的復雜流場。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。流量微小波動導致超聲流計發出不均勻脈沖，不能得到滿意的重復性。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采樣，而采樣時間取

決于液體流態和流量計處理數據時間。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，在任意時刻輸出的脈沖數表示的是已

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《API’s Microprocessor Based

FlowmeterTesting Program》中給出以下重要結論。a）儀表系數誤差與延時成比例

b）沒有的系數來修正此誤差

流態穩定時，時延對檢定不會產生影響，流量發生波動時，流量計發出的脈沖滯后于采樣計算時間，阻尼濾波使得脈沖發出時間更加滯后，計量的脈沖數不能很好表示通過流量計的液體體積，導致儀表系數誤差（Error）。儀表系數誤差的大小與以下四個因素相關。（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（%）

這些因素有關系如式（4）：

式中，PT由檢定報告給出或根據平均流量計算；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，假設流量變化量為 2% ， 儀表系數誤差小于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性偏差大的問題。

1.增加流量點的檢定次數

重復性是在規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性

的標準。API MPMS 4.8 Table A-1給出了不確定度為±0.027%不同

檢定次數允許的重復性值：檢定次數為8時，重復性為0.09%和檢定次數為5時，重復性為0.05%，它們的不確定度是一樣的。超聲流量計的檢定數據要比常規流量計離散，連續5次檢定時重復性可能會超出標準要求的0.05%。表1為流量計檢定的數據，可以算出檢定運行5次時重復性為0.053%，不滿足標準要求；而運行8次重復性為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，超聲流量計重復性滿足下

式：

式中，rn是檢定次數為n時的流量計重復性；D（n）是重復性標準差轉換系數，n是檢定次數，n=5時，

D（n）=2.326；σtest 測試容積標準差；

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區HYSY118FPSO 體積管20℃的容積為：62.8704BBL，標準差σtest =0.000408 ，檢定次數n=5 ，重復性r5=0.05%代入式（5），得：

3.等精度（標準表）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：滿足計量學基本原則（介質、介質特性、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，流量基準或標準所復現的流量單位量值，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工況調整到外輸時的流量點校驗。

四、結論

超聲流量計作為一種新技術將會得到廣泛應用，API標準要求置信水平為95%不確定度為0.027%， 滿足這一要求關鍵的一點是有足夠大容積的體積管，這對重復性有直接的影響。可以通過等精度傳遞法或增加檢定次數解決體積管容積不足的問題。總的來講，體積管容積越大，檢定運行時間越長，重復性越好。