液态烃贸易交接计量超声流量计检定
本文分析了超声流量计应用于液态烃贸易交接计量检定存在的问题，针对影响流量计重复性的因素给出了相应的检定方法。
超声流量计具高精度、大量程比、非介入测量，无压损、无可动部件、有完善的自诊断功能、能适应大口径管道、运维成本低等优点。欧美在上世纪90年代开始应用。2014年，HYSY118 FPSO首次采用4台Daniel3804型超声流量计用于原油贸易交接计量。随着液体超声流量计技术的快速发展将在一定程度上取代现有容积式流量计。
一、原理
超声流量计采用时差法原理，为减小流速分布对测量精度的影响
实际应用中采用多声道测量方式。
原理如图1所示。
二、超声流量计在检定中存在的特有问题
在线检定是液态烃贸易交接计量中非常重要的环节，容积式流时计和涡轮式流量计已经长期应用于液态烃贸易交接计量，相关检定技术都是围绕这两种流量计进行研究的。 直到 2 0 0 5年美国石油学会（ A P I ） 才发布API MPMS 5.8 《Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flowmeters Using Transit Time Technology》。超声流量计使用采样技术：在一定的周期（一般为50-500毫秒）内对流体采样，然后流量计微处理器发出表示已通过流量计的体积的正确的脉冲。这种计量方法是的，但基于微处理器的流量计在检定时存在两个特殊的问题。
1.采样时间
管道中的流体是一个有漩涡、非轴向速度分量、轴向速度分量等
组成并且流态不断变化的复杂流场。超声流量计对流体中所有分量
进行测量，可以感知微小的流量变化。流量微小波动导致超声流计发出不均匀脉冲，不能得到满意的重复性。为得到测量值，超声流量计必须对流路上流场多部位进行足够多次数采样，而采样时间取
决于液体流态和流量计处理数据时间。毫秒级采样时间不会影响批
次计量精度，但对检定来说是一个问题。相较其他流量计，检定液体超声流量计通常需要更大的体积管。
2.脉冲输出时延和流量波动
超声流量计使用采样技术，在任意时刻输出的脉冲数表示的是已
通过流量计流体的体积。2003年API成立一个由Kenneth Elliott
的小组研究延时对超声流量计检定的影响。Kenneth Elliott在2004
年北海流量测量研讨会报告第5.4节《API’s Microprocessor Based
FlowmeterTesting Program》中给出以下重要结论。a）仪表系数误差与延时成比例
b）没有的系数来修正此误差
流态稳定时，时延对检定不会产生影响，流量发生波动时，流量计发出的脉冲滞后于采样计算时间，阻尼滤波使得脉冲发出时间更加滞后，计量的脉冲数不能很好表示通过流量计的液体体积，导致仪表系数误差（Error）。仪表系数误差的大小与以下四个因素相关。（1）流量更新时间（PD）（2）阻尼滤波时间（DT）
（3）运行时间（PT）
（4）流量波动（RC（%）
这些因素有关系如式（4）：
式中，PT由检定报告给出或根据平均流量计算；RC因为时延很
难计算，可以由流量计下游压力变送器示值变化估算。检定运行时间越长、PD和DT越小测量误差也就越小。
例如：流量更新周期0.02S，阻尼滤波时间0.02S，假设流量变化量为 2% ， 仪表系数误差小于0.02%时，检定至少需要运行多少时间？代入式（4），得：
三、液体超声流量计的检定
有三种办法解决检定超声流量计时重复性偏差大的问题。
1.增加流量点的检定次数
重复性是在规定置信水平下允许的差值。API MPMS ch13.1推
荐置信水平为95%的不确定度为±0.027%作为评价流量计重复性
的标准。API MPMS 4.8 Table A-1给出了不确定度为±0.027%不同
检定次数允许的重复性值：检定次数为8时，重复性为0.09%和检定次数为5时，重复性为0.05%，它们的不确定度是一样的。超声流量计的检定数据要比常规流量计离散，连续5次检定时重复性可能会超出标准要求的0.05%。表1为流量计检定的数据，可以算出检定运行5次时重复性为0.053%，不满足标准要求；而运行8次重复性为0.059%，满足要求。
2.增大体积管容积
增大体积管容积可又增加采样量，降低时延引入的不确定度。检定时，超声流量计重复性满足下
式：
式中，rn是检定次数为n时的流量计重复性；D（n）是重复性标准差转换系数，n是检定次数，n=5时，
D（n）=2.326；σtest 测试容积标准差；
V test测试容积，V test=***大流速×液
超截面积×采样周期；V required 是检定超声流量计体积管所需容积。
式（5）可知超声流量计重复性与所需体积管容积的平方根成反比。实验表明所示流量计重复性随体积管容积的增大而减小，见图
3。测试时体积管容积足够时使用小体积管检定，容积不足时采用等
精度传递（表准表）法检定。
检定超声流量计所需体积管的容积也可以由以式（5）来推定。如：2015年12月石油天然气流量计量站检定中海油恩平作业区HYSY118FPSO 体积管20℃的容积为：62.8704BBL，标准差σtest =0.000408 ，检定次数n=5 ，重复性r5=0.05%代入式（5），得：
3.等精度（标准表）检定
HYSY118 FPSO 体积管容积约为63B B L，不能满足直接检定Daniel 3804型10英寸液体超声流量计要求。实际应用时采用等精度法检定超声流量计，目前已提油40余批次，效果良好。
等精度传递理论：满足计量学基本原则（介质、介质特性、流动特性、流量范围、操作过程）在流量计中的相同性原则要求，流量基准或标准所复现的流量单位量值，会等精度传递给工作流量计 。
等精度传递下合成不确定度由式
（6）确定：
时系统不确定度。等精度传递法
可以有效地消除时滞和采样时间对重复性的影响，体积管容积不足以直接检定超声流量计时可用等精度传递法代替（图4~5）。
图中，红色：检定MF值±2‰警戒线；绿色：检定MF平均值；黑
色：各流量点在线校验MF值，实际外输时各路流量计根据工况调整到外输时的流量点校验。
四、结论
超声流量计作为一种新技术将会得到广泛应用，API标准要求置信水平为95%不确定度为0.027%， 满足这一要求关键的一点是有足够大容积的体积管，这对重复性有直接的影响。可以通过等精度传递法或增加检定次数解决体积管容积不足的问题。总的来讲，体积管容积越大，检定运行时间越长，重复性越好。