GB/T 36989-2018 用超声流量计测量液态烃流量

　　ICS 75 . 180 . 30 E 98

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 36989—2018

　　用超声流量计测量液态烃流量Measurementofliquidhydrocarbonsbyultrasonicflowmeters

　　2018-12-28 发布 2019-07-01 实施

　　国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 36989—2018

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　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由全国石油天然气标准化技术委员会(SAC/TC 355)提出并归口 。

　　本标准起草单位：中国石油天然气股份有限公司计量测试研究所、中国石油化工股份有限公司胜利油田、中海油研究总院工程研究设计院、中国石油乌鲁木齐石化公司、开封仪表有限公司。

　　本标准主要起草人：高军、刘晓光、朱成义、洪毅、蒋建新、孙策、何骁勇、张建昌、赵成海、安树民、熊兆洪。

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　　用超声流量计测量液态烃流量

　　1 范围

　　本标准规定了传播时间差法多声道超声流量计(以下简称超声流量计)的配置、安装、运行、操作及核查等要求，给出了用超声流量计测量液态烃流量的方法、检定系统配置原则和检定方法，以及测量不确定度的评定方法。

　　本标准适用于超声换能器固定安装在待测流体管道内的超声流量计。

　　本标准也可用于包括分配测量、超声流量计校准、泄漏检测等场合。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB 3836 . 1 爆炸性环境 第 1 部分：设备 通用要求

　　GB 3836 . 2 爆炸性环境 第 2 部分：由隔爆外壳“d”保护的设备

　　GB 3836 . 4 爆炸性环境 第 4 部分：由本质安全型“i”保护的设备

　　GB/T 17746 石油液体和气体动态测量 电和(或)电子脉冲数据电缆传输的保真度和可靠度

　　JJG 1030—2007 超声流量计

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　超声流量计 ultrasonicflow meter;UFM

　　利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的流量计。

　　注 1 ：超声流量计由流量计表体、电子组件及微处理器系统、超声换能器等构成。

　　注 2：超声流量计测量原理参见附录 A。

　　3.2

　　传播时间 transittime

　　超声波信号在液体中从发射换能器到接收换能器间传播的时间。

　　3.3

　　声道 acousticpath

　　超声波信号在成对的超声换能器间传播的实际路径。

　　3.4

　　超声换能器 ultrasonictransducer

　　在电信号作用下可产生声波输出，并可将声波信号转换为电信号的器件。

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　　3.5

　　轴向流速 axialflowvelocity

　　在流量测量方向上，平行于测量截面中心的液体流速的分量。

　　3.6

　　流动调整器 flow conditioner;FC

　　整流器

　　能减少旋涡和改善速度分布的部件。

　　3.7

　　K 系数 K factor

　　仪表系数

　　单位体积的流体流过流量计时流量计发出的脉冲数。

　　3.8

　　测量回路 meterrun

　　过滤/消气器、上游流动调整器、流量计、下游管道以及阀门、温度、压力测量仪表等构成的管段。

　　3.9

　　信号处理单元 signalprocessingunit;spu

　　由电子元件和微处理器系统组成，被封装为一个或多个单元，可与流量计就地安装或分体安装。

　　3 . 10

　　脉冲比例系数 pulsescaling

　　脉冲缩放

　　脉冲当量

　　频率调整系数

　　流量计信号处理单元(SPU)的一个信号变频功能，可以使流量计产生一组数量正比于流过流体量的脉冲信号。

　　4 测量回路配置

　　4 . 1 技术要求

　　4 . 1 . 1 测量回路的配置应考虑测量工况下的最大和最小流量、雷诺数、温度和压力。 还应考虑被测液体的物理性质，如粘度、相对密度、蒸气压力和腐蚀作用等。 对于某些特定的应用，超声流量计应在线性段内使用。 典型的超声流量计测量回路配置见图 1 。

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　　说明：

　　1 — 截止阀; 8 — 温度计套管;

　　2 — 差压装置; 9 — 密度计;

　　3 — 过滤器/消气器; 10 — 检定装置进出口阀;

　　4 — 流动调整器; 11 — 截止阀;

　　5 — 超声流量计; 12 — 流量调节阀;

　　6 — 压力变送器; 13 — 止回阀。

　　7 — 温度变送器;

　　注 ：图中 1 、2、3、4、9、13 为可选元素 。

　　图 1 典型的超声流量计测量回路配置图

　　4 . 1 . 2 温度计套管，温度、压力变送器和密度传感器应安装在测量回路下游管段合适的位置。

　　4 . 1 . 3 超声流量计测量回路可以不配置过滤器，超声流量计内部没有转动部件，不会发生因液体内的机械碎屑而损坏部件的情况。 但是，配置过滤器可以用来保护与测量回路相关的检定装置、泵等设备或提供一种使整流器避免碎片影响的方法。

　　4 . 1 . 4 消气器可用来消除流体中的空气或蒸气，减小测量误差。

　　4 . 1 . 5 应确保测量回路超声流量计充满液体。 应避免将超声流量计安装在系统的最高点，且应确保超声换能器不被安置在管道的顶部或底部，以减少空气和沉淀物的影响。 超声流量计的安装方向应与制造商的要求一致。

　　4 . 1 . 6 多测量回路的设计应根据计量目的、计量介质、计量场所等情况区别对待。

　　4 . 1 . 7 应采取必要的措施来降低被测液体的含水量。 液体的流动形态、声学特性、油中水滴的大小和分布、含水量的变化等都会影响测量结果，甚至会使声道测量失效。 由于影响因素多，无法给出一个明确的含水量限制指标。 超声流量计诊断技术可以帮助使用者更准确掌握超声流量计的工作状态。

　　4 . 1 . 8 超声流量计应配置适当的限压设备。 可供选择的保护装置包括缓冲罐、膨胀室、限压阀、安全阀等。

　　4 . 1 . 9 测量回路的操作压力应高于液体饱和蒸气压。

　　4 . 2 背压

　　4 . 2 . 1 测量回路最小背压按式(1)计算。

　　Pb ≥ 2Δp+ 1.25pe …………………………( 1 )

　　式中：

　　Pb —最小背压，单位为兆帕(MPa) ;

　　Δp—测量回路的最大压降(可咨询超声流量计制造厂商获取)，单位为兆帕(MPa) ;

　　pe —运行条件下的饱和蒸气压(绝压)，单位为兆帕(MPa)。

　　4 . 2 . 2 对于饱和蒸气压大于大气压的液体，在运行条件下，背压应比液体饱和蒸气压至少大 0 . 14 MPa。

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　　4 . 3 流动方向

　　4 . 3 . 1 超声流量计用于双向测量时，测量回路两个入口都要符合上游管段的要求。 流量计系数也应在液体流动的两个方向分别确定。

　　4 . 3 . 2 超声流量计用于一个方向比另一个方向更频繁时，温度、压力和(或)密度仪表应安装在相对于这个方向的测量回路的下游管段。

　　4 . 4 设计

　　超声流量计测量回路的设计应考虑以下因素：

　　a) 管道连接头的压力等级及类型，以及选用设备的材料和尺寸;

　　b) 运行状态下，被测流量的最大值和最小值;

　　c) 运行状态下，被测液体粘度的最大值和最小值;

　　d) 运行状态下，被测液体温度的最大值和最小值;

　　e) 运行状态下，被测液体雷诺数的最大值和最小值。 参见附录 B ;

　　f) 超声流量计和检定装置安装所需的空间;

　　g) 测量回路的允许压降。 尽管大多数超声流量计只有很小或是几乎没有压降，但是流动调整器产生的压降应予以考虑;

　　h) 超声流量计所有与被测液体接触的材料，如金属、橡胶、涂层等应具有抗腐蚀性;

　　i) 影响超声流量计性能的侵蚀性和腐蚀性杂质，包括液体所携带的磨蚀性颗粒物的尺寸和数量;

　　j) 周围环境带来的声学和电磁噪声、机械振动等;

　　k) 周围环境温度变化，以及与被测介质温差带来的影响;

　　l) 可能影响超声流量计性能的潜在沉淀物，如：蜡、沥青、沉淀剂等;

　　m) 维护方式、费用及所需零配件;

　　n) 施封、核查和(或)报告的需求和适宜性;

　　o) 通信、诊断及报警接口要求;

　　p) 电源要求;

　　q) 规程与合同要求。

　　4 . 5 检定装置

　　4 . 5 . 1 检定超声流量计的体积管和标准流量计的尺寸、类型及检定方法应与被检流量计口径相匹配。

　　4 . 5 . 2 选择带有外部检测器的单向活塞式体积管(小容积体积管)时，为了获得满意的重复性需特殊考虑 。参见附录 C。

　　5 安装

　　5 . 1 概述

　　5 . 1 . 1 超声流量计测量回路的安装应遵循现行的标准和制造厂商的建议。

　　5 . 1 . 2 超声流量计测量回路用于双向测量时，应用双箭头标识流体流动方向。

　　5 . 2 流动调整器

　　5 . 2 . 1 超声流量计上下游应保证合适的流动条件。

　　5 . 2 . 2 超声流量计上游的汇管和 90°弯管都可能产生漩涡流，从而影响其性能。

　　5 . 2 . 3 流动调整器可以减少漩涡和速度剖面畸变对测量准确度的影响。

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　　5 . 2 . 4 测量回路在安装流动调整器的情况下，上游直管段长度不小于 10D,下游直管段长度不小于 5D。测量回路在不安装流动调整器的情况下，上游直管段长度宜大于 10D。 在保证有效的流型调整的前提下，也可参考超声流量计制造厂商给出的直管段的长度。

　　5 . 2 . 5 超声流量计进出口 内径、连接法兰及其紧邻的上下游直管段内径应保持一致。 安装时应采取适当的措施保证管道内壁对齐，垫圈不应突入管道，管道内部焊接面应光滑、无干扰流体流动的障碍。

　　5 . 2 . 6 在进行管道配置和流动调整器选配时，应进行安装效果评价或参考制造厂商的建议。 流动调整器类型和安装位置都会影响检定结果的重复性及流量计系数。 例如，在超声流量计测量回路投入运行后不能立即进行检定的情况下，应保持流动调整器的初始安装角度不变，实验表明流动调整器的安装角度影响超声流量计性能，如流量计系数。

　　5 . 3 阀门

　　5 . 3 . 1 阀门位置和性能会影响计量准确度，应考虑阀门安装位置与流量计的距离和阀门的类型。

　　5 . 3 . 2 流量调节阀、压力调节阀应位于超声流量计测量回路及体积管截止阀的下游，应具有平滑操作的能力。

　　5 . 3 . 3 位于超声流量计和体积管之间的管道切换阀、放空阀和排液阀等应选用带有泄漏检测器的双截断密封阀或强制密封阀保证其密封。

　　5 . 4 电子组件及电路

　　5 . 4 . 1 超声流量计的电子系统可安装在现场或远离现场，在规定的环境条件下应能够正常工作。

　　5 . 4 . 2 超声流量计电路系统设计、安装应满足危险区域分类等级的要求。 电气设备和仪表的防爆等级应符合 GB 3836 . 1 的规定，隔爆型电气设备和仪表应符合 GB 3836 . 2 的规定，本质安全型电路和电气设备应符合 GB 3836 . 4 的规定，其他防爆型式的电气设备也应符合相应标准的规定。

　　5 . 4 . 3 脉冲信号传输系统的设计应保证提供足够的保真度和安全性，并符合 GB/T 17746 的要求。

　　5 . 4 . 4 超声流量计的电子信号较弱，应采取适当的屏蔽措施避免周围电气及线路对电子信号和传输电缆产生干扰。 超声流量计电缆护套、橡胶、塑料和其他外露的部件应具备抵抗紫外线、油脂的能力。

　　5 . 4 . 5 阴极保护和接地系统的设计应能避免对超声流量计信号系统产生干扰。

　　5 . 4 . 6 应提供维持超声流量计连续运行所需要的不间断电源。

　　6 运行与检定

　　6 . 1 运行条件的变化可影响超声流量计测量准确度及重复性。 在线检定得到的是实际运行条件下的流量计系数，应首选在线检定。 稳定运行条件下的在线检定能够补偿由于流量、密度、粘度、温度、压力以及流动条件、管道配置和污垢物引起的性能变化。

　　6 . 2 超声流量计系数应在流量、密度、粘度、温度和压力等工况条件稳定状态下检定或校准获得。

　　6 . 3 检定条件应尽可能接近超声流量计实际运行条件。 某些超声流量计能够提供由于壳体温度变化导致超声流量计几何尺寸发生变化的修正方法，具有该项功能的超声流量计在温度变化时可不重新检定。

　　超声流量计实验室(台位)检定和在线(现场)检定/校准结果之间存在一定的差异，在没有对测量结果修正的情况下两者不能相互替换。

　　6 . 4 离线检定包含较多的测量不确定度分量，应尽量保持超声流量计运行条件与检定/校准条件的一致。

　　6 . 5 超声流量计流量脉冲延迟会影响检定准确度。 在检定开始及检定期间，由于流量波动引起的超声流量计脉冲延迟，会使流量计系数产生偏差，偏差的大小取决于流量波动的幅度。 超声流量计脉冲滞后

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　　对检定过程的影响分析，参见附录 D。

　　6 . 6 超声流量计可能产生非均匀脉冲输出，检定时非均匀脉冲会影响超声流量计的重复性，重复性用于表明检定结果是否有效。

　　6 . 7 超声流量计可采用标准表法进行检定，包含标准流量计本身不确定度的检定系统可以满足超声流量计检定的要求，参见附录 E。 用标准表法检定超声流量计不确定度的评估示例，参见附录 F。

　　6 . 8 超声流量计的检定应遵循 JJG 1030—2007 的规定。 对于准确度等级不低于 0 . 5 级的超声流量计，每个流量点的检定次数应不少于 6 次，全量程范围内最大允许误差应符合 JJG 1030—2007 表 1 的规定 。超声流量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的最大允许误差绝对值的 1/5。 用球式体积管检定超声流量计的计算方法参见附录 G。

　　7 操作及设置

　　7 . 1 系统设置

　　一些特殊应用场合，可以有针对性地选择超声流量计的配置。 超声流量计投入运行前，确保仪表安装在合适的位置和正确的测量场合。 超声流量计的配置和设置应符合制造厂商文件要求。

　　7 . 2 主要构件间的匹配

　　超声流量计主要有表体、超声换能器、信号处理单元和(或)流量计算机组成，见图 2 。 每个信号处理单元内包含了(即设置了)对应的超声流量计本体的唯一出厂信息，如：尺寸数据、超声换能器声道长度、性能参数等。 当安装多台超声流量计时，应注意超声流量计本体和信号处理单元的匹配。

　　图 2 超声流量计主要构件

　　7 . 3 计量系统操作

　　超声流量计应在制造厂商推荐的流量范围、运行条件和介质特性下操作。

　　7 . 4 响应时间设置

　　为了减少检定过程中可能被引入的超声流量计系数偏差，信号处理单元产生的流量脉冲应尽可能快地反映流量变化。 信号处理单元应提供设置选项，用以调整超声流量计对流量变化的响应速度。 各制造厂商的设置选项不同，可以采取以下设置之一或组合形式：

　　a) 采样周期 —超声波流速取样时间周期;

　　b) 采样数量 —每次流量测量值所采用的超声波取样值的个数;

　　c) 脉冲输出调整 —产生脉冲输出信号的流量测量的阻尼值或滤波值。

　　注：并非所有的制造厂商都提供 a)、b)、c)项 。

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　　推荐将上述 a)项和(或)b)项设置成制造厂商推荐的最小值;c)项设置成零或制造厂商推荐的最小值。

　　设置选项更改后，应重新检定超声流量计。

　　7 . 5 脉冲比例系数

　　信号处理单元计算流速，并确定以适当的脉冲输出频率来表示流量。 在信号处理单元中组态脉冲输出频率和流量之间的关系。 脉冲比例系数是测量体积和脉冲之间的关系，可以用来等同脉冲输出频率与已知流量之间的关系，或用于确定超声流量计测量单位体积所输出的脉冲数(K 系数)。设置脉冲比例系数时，最高脉冲输出频率不能超过接收脉冲信号设备的最大允许输入频率的 90%。

　　7 . 6 控制修正系数的方法

　　用超声流量计系数表示仪表的真实测量流量有许多方法。 可通过改变流量计系数或 K 系数来调整显示流量和实际流量之间的关系。 这些系数保存在超声流量计信号处理单元内、辅助设备内或手动输入。 由于辅助设备的核查追溯能力强，首选在辅助设备内设置流量计系数及 K 系数。 超声流量计修正系数设置方法选定之后，需要长期地、一致地使用选定的方法。

　　厂家校准超声流量计是为了确定一个或多个校准系数，此系数保存在超声流量计的信号处理单元内 。虽然这些系数可以修改，但应保持不变。 系数的修改将影响超声流量计的测量输出量，系数改变应留有痕迹以便核查追溯。 正常运行条件下，需要确定流量范围内不同流量下超声流量计的多个校准系数 。这些超声流量计校准系数将对流量变化条件下超声流量计的输出进行线性化。 超声流量计在测量双向流时，需要确定每一个方向的流量计系数。

　　脉冲比例系数改变后，超声流量计应重新进行检定。

　　7 . 7 调零

　　超声流量计调零是检查当超声流量计处于截断流状态时输出的过程。 在该情况下，如果超声流量计输出指示并非为零流量，应进行调零。 任何时候当超声流量计被重新调零，应对超声流量计进行重新检定。

　　通常情况下，超声流量计不须手动调零。 改变或更换超声换能器、电子设备或超声换能器电缆后，应检查超声流量计的零点，必要时须进行调零。 在任何情况下，改变或更换超声换能器、电子设备或超声换能器电缆应对超声流量计进行重新检定。

　　8 组态和核查

　　8 . 1 概述

　　超声流量计信号处理单元中的特定组态和参数设置应是安全和可被核查的。

　　8 . 2 参数组态及设置

　　超声流量计制造厂商应为流量计提供可识别的主要组件，以及保存一切影响流量计输出值的参数组态或设置的功能。

　　超声流量计首次安装时，应记录软硬件组态且可追溯。 如核查时发现档案记录发生改变，可能表明超声流量计的组态发生了变化，且超声流量计的性能也随之变化。

　　超声流量计应能提供参数组态及设置的核查追溯功能，从而保证超声流量计正确输出。

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　　8 . 3 参数保护功能

　　应通过设置密码及更改保护封印或加装锁来保证超声流量计参数组态及设置的安全，避免篡改及未授权、无证明文件的改动。

　　9 诊断

　　9 . 1 概述

　　用户可根据需要设定超声流量计的诊断参数，超声流量计可诊断多项参数，当这些参数超出给定的限定范围时，应产生故障诊断报警。 多数情况下，故障诊断过程须评价多项参数。 超声流量计的增益、信噪比、声道速度比以及每一声道速度等典型参数可通过数据串口或者其他方法诊断获得。 使用趋势图等多种方法能够了解超声流量计性能随时间变化的状态，以及对原始出厂设置参数、实验室诊断参数和现场投运条件下的参数进行比较，确认超声流量计现场安装的影响或其他参数变化的影响。 超声流量计操作过程中应周期性比对这些参数。 完整的故障诊断过程须结合工况条件和诊断参数来综合评价和分析。

　　9 . 2 增益

　　增益是对处理信号幅度放大到预期值的量度。 高增益表明信号衰减大。 液体中含有固体或气体、高粘度、油水混合物以及逐步老化的超声换能器都可能引起高增益。 当增益达到最大情况时(饱和)，表明没有信号传输，将产生诊断报警。

　　9 . 3 信噪比

　　信噪比是超声换能器有益信号与超声流量计声道探测到的噪声之比。 高信噪比对准确测量有益，低信噪比表明超声换能器可能存在潜在问题或工艺条件出现问题。 低信噪比可能是一个正常信号和一个由于接地不当或电子干扰产生的高噪声结合引起的。 另一方面，低信噪比也可能是由于液体中存在固体或气体、高粘度、油水混合物等产生一个低强度信号。

　　9 . 4 声道速度比

　　声道速度比是管道内平均轴向流速与每个声道速度之比。 比较这些声道速度比可以确定流速剖面变化。 不对称剖面表明可能由于过滤器或流动调整器中的碎片产生涡流。

　　9 . 5 每一声道的声速

　　每一对超声换能器之间的距离已知，测得信号在已知距离中传播所用的时间就能测量声速。

　　几种液体的典型声速值如下：

　　水：1 478 m/s ;

　　海水：1 523 m/s ;

　　卤水：1 750 m/s ;

　　成品油(含 NGL-天然凝析油)：610 m/s~1 400 m/s ;

　　原油：1 340 m/s~1 524 m/s ;

　　丙烷：610 m/s~762 m/s ;

　　异丁烷：670 m/s~854 m/s ;

　　正丁烷：945 m/s~1 128 m/s。

　　比较超声流量计测得声速和已知声速，每一声道的声速应与指定流体的理论声速值相近。 声道显

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　　示的声速变化反映了被测介质的改变，声速从高到低的变化也反映了被测流体密度的梯度变化。

　　9 . 6 湍流(声道流速的标准偏差)

　　每一声道的流速稳定度表明流体湍流强度。 由于摩擦和边界条件的影响，产生一些湍流是正常的(典型范围是 2%~4%)。上游流动调整器堵塞、或有毛刺、管壁粗糙度变化、垫片突出等都会产生更强的湍流。

　　9 . 7 每一声道接收信号的百分比

　　对每一声道进行一系列核查以便确定该声道是否可用于传播时间测量，记录批量数值中使用的可接收信号数量。

　　9 . 8 报警和故障指示

　　超声流量计在下述参数超限时，应发出或显示报警、故障指示或事件日志：

　　a) 表体温度;

　　b) 液体密度;

　　c) 流体粘度;

　　d) 计算的雷诺数;

　　e) 管道流量;

　　f) 超出设置的上下限。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　超声流量计的测量原理

　　A.1 概述

　　传播时间差法超声流量计采用能够接收和发射高频率声波脉冲的换能器。 换能器被安装在可使声波信号以对角方向穿过管道的位置上，传播时间差法原理是测量在相对方向上穿越管道的声波信号之间的时间间隔。 这种方法不同于依靠测量反射声波频移的多普勒超声技术。

　　测量方法基于以下原理，即超声信号在流动条件下沿流体流动方向(顺流方向)比相反(逆流方向)流动方向需要更短的时间。 它们之间的时间差正比于平均流速。

　　超声信号在沿流动方向(顺流)穿越管道时间，见式(A. 1) :

　　犔

　　狋 …………………………( A.1 )

　　犮+ 狏cosθ

　　超声信号在逆流动方向(逆流)穿越管道时间，见式(A. 2) :

　　犔

　　狋 …………………………( A.2 )

　　犮- 狏cosθ

　　式中：

　　犔 —声道长度，单位为米(m) ;

　　犮 —流体中的声速，单位为米每秒(m/s) ;

　　θ —声道与管道轴线之间的夹角，单位为度(°) ;

　　狏 —管道中的平均轴向速度，单位为米每秒(m/s) ;

　　狋AB —超声信号顺流传播时间，单位为秒(s) ;

　　狋BA —超声信号逆流传播时间，单位为秒(s) 。

　　因此，平均速度由式(A. 3)确定：

　　…………………………( A.3 )

　　为了获得更多流速分布(流态)信息，可以在管道横截面上使用多组换能器来创建多组声道。

　　传播时间差法超声流量计测量原理见图 A. 1 。

　　说明：

　　A、B— 超声换能器。

　　图 A.1 传播时间差法超声流量计

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　　A.2 工作原理

　　超声流量计典型的工作程序为：

　　a) 发射：信号处理单元发射一个电信号到换能器(压电晶体)，使晶体发射一个超声波脉冲进入到液体中。

　　b ) 接收：超声信号穿越管道到达相对的换能器(压电晶体)，该压电晶体接收到声波脉冲后振动产生电输出信号。

　　c) 转换：信号处理单元中的接收电路收到电信号进行转换处理。

　　d) 信号处理：信号处理单元按照制造厂家的计算方法将这些数据进行进一步处理得到 tAB和 tBA的值。

　　e) 传播时间差法：信号处理单元使用 tAB和 tBA的差值计算声道方向上的平均流体流速，通常使用上述的传播时间差法原理。

　　f) 体积流量的计算：取决于声道的数量、几何特性、制造厂家的计算方法，信号处理单元根据平均流速来计算体积流量。

　　g) 输出刷新：信号处理单元反复进行流速测量和产生各种代表测量体积流量和其他测量值或推导值的输出。 通常情况下，这些输出信号可以被用户用于编程进行比例调整、平均及滤波处理。

　　流体中的固体颗粒，气泡或水滴可能干扰声波脉冲信号，典型的干扰方式是折射、反射、衰减和失真 。在这种情况下，制造商的算法可能会舍弃该声道的测量值。 通常情况下，舍弃低数量测量数据将不会影响超声流量计的准确度，但超过特定超声流量计某一界限量值，舍弃测量的次数可能会影响超声流量计准确度，在极端的情况下可以使超声流量计停止工作。 可以设置警报功能通知使用者舍弃测量的状态。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)雷诺数性能曲线

　　B.1 雷诺数

　　雷诺数是用于量化液体流过管路发生的惯性力与粘性力之间的关系的无量纲量。 在数学上表示见式(B. 1) :

　　Re …………………………( B.1 )

　　式中：

　　D —管道直径，单位为米(m) ;

　　℃ —平均流速，单位为米每秒(m/s) ;

　　ρ —流体密度，单位为千克每立方米(kg/m3 ) ;

　　μ —流体动力粘度，单位为帕秒(Pa · s ) 。

　　注：假定液体石油典型表现为牛顿流体，即流体在流过管道时的粘度不受正比于剪切速率(速度梯度)和剪切力(内摩擦力)的影响。

　　当考虑流动截面上的速度变化，显而易见的是在管道内壁处流体流速一定为零，而与流体流速无关 。在流体流速不为零的情况下，假设不存在影响流体动力学的弯头、缩颈等几何结构，在流动形态有充足的时间达到充分发展流动条件下，在管道中心和管道内壁之间产生速度梯度，最大速度出现在中心处 。见图 B. 1 。

　　在管道内任意流层内摩擦力可以用公式表示，见式(B. 2) :

　　…………………………( B.2 )

　　式中：

　　τ —单位面积上的内摩擦力，单位为帕(Pa) ;

　　— 速度梯度，单位为每秒(s-1 ) 。

　　在任何情况下，对于给定的管道与管壁粗糙度，得到充分发展的速度分布的形状由雷诺数确定，通过数学方法证明，速度梯度呈现近乎抛物线形状，有时将这种梯度称为边界层。 根据雷诺数，边界层渐变的厚度随着管壁的粗糙度而变化。 当雷诺数较低(通常为 2 000) 时，流体中惯性力受到粘性力制约，流动截面上速度分布呈现子弹的形状。 当雷诺数高于 8 000 至 10 000 时，粘性力不足以约束惯性力，流动进入湍流状态。 在这种条件下，流动中心部分速度分布开始平坦。 平坦区域的直径随着雷诺数增加而增大，直至平坦区域与壁面间梯度层厚度接近于零。 见图 B. 2 。

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　　图 B.1 流动剖面与边界层

　　图 B.2 随雷诺数增加的边界层厚度

　　B.2 性能曲线

　　超声流量计通过超声信号在上下游传播时间差来测量沿着声道路径上平均流体速度。 这种测量方式可以达到较高准确度，然而为了确定整个超声流量计全部流通截面区域流体平均速度，须对流动速度分布进行必要的假设。 一旦确定了平均流速，在流动横截面积已知条件下，或者至少在超声流量计已被检定后，就很容易确定超声流量计流量。 在另一方面，如果超声流量计的有效横截面积发生变化，超声流量计的准确度也将受到影响。 例如，如果流体粘度在超声流量计检定后发生变化，边界层厚度也会发生变化，此时通过超声流量计的有效流动面积发生变化，超声流量计的准确度也会发生变化。 同理，如果流体速度(流量)在超声流量计检定后变化，超声流量计的准确度也发生变化。 然而有趣的事实是在当流量与粘度形成相同的雷诺数条件下，边界层的厚度是相同的，见图 B. 3 。

　　图 B. 4 表述了 DN400 多声道超声流量计流量系数与三种不同粘度油品关系。

　　图 B. 5 与图 B. 4 同样通过超声流量计系数在流动雷诺数下的曲线表述了很好相关性。

　　超声流量计系数变化至少部分解释了边界层厚度变化对有效流通面积的影响和超声流量计无法从流动速度形状正确采集真实平均流动速度的原因。

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　　如果超声流量计能够匹配流动过程的雷诺数，可以采用一个线性化或表征算法通过如图 B. 6 所示一系列粘度与流速关系表明超声流量计对于雷诺数相对不敏感性。

　　图 B.3 恒定雷诺数条件下恒定边界层厚度

　　图 B.4 不同油品 流量计系数-流量图

　　图 B.5 流量计系数-雷诺数图

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　　图 B.6 特征化的流量计系数-雷诺数图

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　超声流量计检定和计算方法

　　C.1 概述

　　管道中的湍流流场非常复杂，包含许多湍流漩涡和非轴向速度分量。

　　涡轮流量计和其他机械式流量测量仪表都是通过力学收敛对流场进行整合，不会由于流动稳定性的微小变化而产生特别的影响。 流体加速进入到转子部分借助转子部件质量产生的力学效果对流场整合 。 以涡轮流量计为例，由于测量元件固有的惯性作用“瞬间”流的出现并没有影响到流量计输出信号的分散性。 涡轮流量计的数据分散或重复性的变化，通常是由于流动的持续变化或在检定运行期间存在非线性力和惯性力的影响。

　　超声流量计沿着一个或多个声道路径对流体速度进行采样。 在采样周期内，每条声道作为采样线，根据采样频率产生时间差和瞬时速度。

　　由于受到完全随机产生湍流漩涡和局部流动变化的影响，每条声道上速度的变化是随机的。 在 一定采样周期内，每次采样得到的速度均不同于平均速度，整个速度样本将均匀分布在平均速度的附近。

　　超声流量计不仅仅“看”整体轴向速度，也包括所有的流速分量，包括在管道内由于流体的拖拉、混合产生的漩涡。

　　对流场进行实时的整合过程中包含了轴向和非轴向分量，导致不稳定的输出和固有的分散性。 然而，这种分散由于其随机性，会均匀地分布在平均流量附近。

　　C.2 超声流量计检定

　　超声流量计的检定不同于其他机械原理的流量计，由于超声流量计采用数字采样技术，具有可测量速度微小变化的能力，但也导致了更大的数据分散性。 与典型的机械式流量计相比，使用常规体积管检定超声流量计可能会使重复性的离散性更大。 没有考虑到测量数据是均匀分布在平均流量计系数周围这一特性，将会导致对流量计的错误评价。

　　API MPMS 5 . 8—2011 表 B. 1 给出了常规体积管检定液体超声流量计的方法和指标(表 C. 1) 。最保守的方法是选用一个足够大容积值的体积管来满足这一级别的重复性。 举例来说，涡轮流量计通常可以满足 5 个连续运行重复性达到 0 . 05%,这表明 0 . 027%或更好的流量计系数的不确定度处于 95%置信概率。 基于现场数据，超声流量计可能需要更大容积的体积管才能达到流量计系数不确定度同 一指标。 现场无法提供较大容积的体积管，可以采用符合 API MPMS 4 . 5[6] 要求的标准表法进行超声流量计的检定。

　　考虑到需要更大容积的体积管来检定超声流量计且达到 0 . 027%流量计不确定度，因此检定超声流量计检定运行次数可能不低于 5 次 。 由于流量计系数没有建立在必要的重复性上，5 次运行的重复性超过 0 . 05%范围并不意味超声流量计有缺陷。 可参考表 C. 1 中列出的满足 0 . 027%不确定度所相对应的重复性和检定次数。 表 C. 1 所列出的任一检定次数都可以用于检定超声流量计满足 0 . 027%不确定度 。例如，5 次运行达到 0 . 05%的重复性与 10 次运行达到 0 . 12%的重复性是相同的。 操作者应为所选容积的体积管选择适当的检定次数和重复性。 另外，可以简单地增加检定运行次数直到符合表 C. 1 重复性要求。 若要达到特定流量计系数不确定度，通常需要使用球式体积管进行不超过 10 至 12 次的检定运行，或者选用比现行涡轮流量计检定标准大 2 至 3 倍的体积管容积值。 如果使用小容积体积管则

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　　运行次数将会更多，小容积体积管容易引起流动扰动导致重复性结果变差，因此，选用小容积体积管检定超声流量计应慎重。

　　表 C.1 检定超声流量计重复性

　　平均流量计系数的不确定的计算按式(C. 1)进行：

　　U

　　式中：

　　U(MF)—平均流量计系数的不确定度，% ;

　　t(95 ,n-1) — 95%置信概率，n- 1 自 由度的 t分布系数;

　　∞(n) —某流量点下一组流量计系数中最高值减去最低值，即极差;

　　n —检定次数;

　　D(n) — 极差系数(参考 API MPMS 13 . 1) 。

　　示例 1 :

　　以 10 次运行为例，n=10;t(95,n-1) = 2.262 ; ∞(n)=0.001 2(0.12%);D(n)= 3.078。

　　示例 2 :

　　以 5 次运行为例，n=5;t(95,n-1) = 2.770 ; ∞(n)=0.000 5(0.05%);D(n)= 2.326。

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　　C.3 超声流量计检定要求

　　C.3. 1 准确度

　　API MPMS 5.8—2011 对超声流量计准确度等级的要求是 0.15 级，而 JJG 1030—2007 超声流量计

　　的准确度等级为 0 . 2 级、0 . 5 级 。

　　超声流量计计量系统中如果考虑辅助测量仪表所带来的影响，其不确定度约在 0 . 3%左右。

　　C.3.2 重复性

　　C.3.2. 1 方法概述

　　JJG 1030—2007 规定超声流量计的重复性不得超过相应准确度等级最大允许误差绝对值的 1/5。对于贸易计量使用的 0 . 2 级液体超声流量计，检定规程要求的最大重复性为 0 . 04%。 API MPMS 5 . 8 — 2011 中并没有直接对超声流量计的重复性给出范围，但在其引用标准中指出用于贸易交接的超声流量计其重复性优于 0 . 05% 。

　　JJG 1030—2007 与 API MPMS 5.8—2011 超声流量计重复性的计算公式不一样。 C.3.2.2 贝塞尔公式计算方法

　　JJG 1030—2007 中超声流量计重复性按式(C. 2)计算 ：

　　式中：

　　( Er)i—超声流量计第 i检定点的重复性，% ;

　　Eij —超声流量计第 i流量点第j 次检定的基本误差，% ;

　　Ei —超声流量计第 i流量点的基本误差平均值，% 。

　　C.3.2.3 最大值、最小值公式计算方法

　　API MPMS 5 . 8—2011 超声流量计重复性的算法是采用一组检定过程中得到的最大及最小脉冲数进行计算，见式(C. 3)或式(C. 4) 。

　　Er=(Nmax - Nmin )/Nmin × 100% …………………………( C.3 )

　　或，

　　Er=(MFmax -MFmin )/MFmin × 100% …………………………( C.4 )

　　式中：

　　Er —超声流量计重复性，% ;

　　Nmax — 检定过程中，超声流量计记录最大脉冲数;

　　Nmin — 检定过程中，超声流量计记录最小脉冲数;

　　MFmax — 超声流量计系数最大值;

　　MFmin — 超声流量计系数最小值。

　　目前国内通用的流量计重复性计算方法均采用流量计的基本误差为基本参数，然后采用不同的公式进行计算得到重复性。

　　C.3.3 超声流量计性能参数表达方式比较

　　超声流量计性能参数表达方式的比较见表 C. 2 。

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　　表 C.2 超声流量计性能参数表达方式的比较

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　　附 录 D

　　(资料性附录)

　　超声流量计脉冲滞后对检定过程的影响

　　D.1 概述

　　由于超声流量计采用电子采样的方法来计算流量，从超声流量计得到的一系列流量脉冲实际上反映的是在任何时刻已经发生的流量或通过的体积(流量脉冲产生滞后于被测流量)。为了优化流量测量和适应特有的安装影响，一些超声流量计设置成处理较大或较小的测量样本，和(或)通过电子滤波减缓流量脉冲输出的响应。 增加测量样本的数量和减缓脉冲输出的反应，都将会增加在特定时间内表征流量或体积的脉冲输出与当前通过超声流量计的流量或体积的延迟时间。

　　体积管置换器运行时会产生流量扰动，使得体积管第一检测开关触发前后的流量往往并不一致。用体积管检定超声流量计，在检测开关启/停信号之间对超声流量计的流量脉冲信号进行计数，然而由于超声流量计脉冲延迟的存在，一些参与计数的脉冲可能代表的是检测开关触发之前的流量，从而使检定出现误差，尤其在大流量时，这个问题更为严重。 超声流量计的脉冲延迟越大，检定结果对流量的稳定性越敏感。 在正常运行时，这个脉冲延迟对测量准确度几乎没有影响。 然而，在检定过程中脉冲的延迟可能导致较差的重复性和流量计系数偏差。

　　D.2 影响超声流量计性能的因素

　　D.2 . 1 影响因素

　　以下因素可导致重复性变差和超声流量计系数偏差：

　　a) 体积管运行中的流量稳定性;

　　b ) 置换器到达任意一个检测开关前流量发生的瞬间波动。

　　超声流量计检定需要收集代表两个检测开关之间实际流量的脉冲数。 当检定超声流量计时，部分累积脉冲数代表检测开关被触发以前的流量。

　　流量计产生的脉冲与实际流量之间过多的时间延迟，可使检定过程对置换器即将通过检测开关之前的流量变化更加敏感。 虽然超声流量计产生的脉冲与测量体积之间的时间滞后是固定值，但在流量不稳定的情况下体积管置换器触发体积管检测开关时的速度不一样，置换的体积也是不一样的。

　　D.2 . 2 消除措施

　　为了减少超声流量计系数偏差并获得尽可能最好的重复性，应满足以下要求：

　　a) 在到达第一个检测开关前及每次检定运行期间，流量保持稳定;

　　b ) 将实际测量流量与产生的脉冲之间的延迟时间，在符合制造厂家的建议条件下降到最低。

　　某些类型的体积管，当置换器发射或四通阀换向时可能产生流量和压力波动，可降低体积管最大流量来满足上述对保持流量稳定的描述。 增加置换器到达第一个检测开关预运行段的时间，充分保证在第一个检测开关被触发前，超声流量计由于置换器发射引起的扰动流量产生的所有脉冲已经输出，不被计数单元收集。

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　　附 录 E

　　(资料性附录)

　　用标准表法检定超声流量计

　　E.1 概述

　　本附录给出了用涡轮流量计作为标准流量计来检定超声流量计的方法。

　　如附录 C与附录 D所述，超声流量计存在测量分散性与脉冲信号延迟，使得利用体积管直接检定超声流量计变得困难。 若要消除这些不利影响，可分别采取增加体积管容积、增加体积管预运行段长度并尽可能缩小脉冲延迟等方法。 但是这些方法受各种因素限制，很多现场无法实现。

　　用标准表法检定超声流量计可以弥补用体积管检定超声流量计存在的缺陷。 使用常规流量计作为标准流量计，其脉冲信号为实时信号，不存在时间延迟，可以使用体积管对其直接进行检定。 使用标准流量计检定超声流量计时，没有体积管置换器运行引起的流量扰动，可以最大限度地保证流量稳定，还可以延长检定时间，增大流量计测量的样本数量，来减小测量的分散性。 由于涡轮流量计流量范围宽、稳定性好、准确度高，推荐使用涡轮流量计作为标准流量计。

　　E.2 检定流程及检定方法

　　如图 E. 1 所示，将超声流量计、标准流量计与体积管串联，构成检定流程。 涡轮流量计的安装、检定

　　及使用应符合 JJG 1037—2008 的要求。

　　说明：

　　1 — 截止阀; 9 — 密度计;

　　2 — 差压装置; 10 — 检定装置进出口阀;

　　3 — 过滤器/消气器; 11 — 截止阀;

　　4 — 流动调整器; 12 — 流量调节阀;

　　5 — 超声流量计; 13 — 止回阀;

　　6 — 压力变送器; 14— 标准流量计;

　　7 — 温度变送器; 15 — 体积管。

　　8 — 温度计套管;

　　注 ：图中 1 、2、3、4、9、13 为可选元素 。

　　图 E.1 典型的标准表法检定配置图

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　　首先用体积管检定标准流量计，计算标准流量计 K 系数;再启动标准表法检定程序，同步启停标准流量计与超声流量计脉冲计数，并同时采集标准流量计与超声流量计的温度、压力，计数停止后进行修正计算，得出标准流量计换算到超声流量计处状态的累积流量值，再除以超声流量计的累积流量值，得出流量计系数或计算示值误差。 检定运行时间需根据当前检定流量与涡轮、超声流量计的 K 系数计算设定，要求两个流量计在一次检定运行中收集的脉冲数均不得少于 10 000 个 。 为提高测量准确度，采用等精度法检定超声流量计，即：用体积管检定标准流量计完成以后，不切换流程，不操作阀门，以完全相同的工况条件立即检定超声流量计。

　　E.3 检定与计算

　　E.3 . 1 检定标准流量计及计算

　　按照 JJG 1037—2008,用体积管检定涡轮流量计，在选定流量点至少进行 5 次检定运行，计算标准流量计 Ks 及重复性(Er)i，(Er)i应不大于 0 . 03%,不确定度的评估方法参见附录 F。

　　E.3 . 2 检定超声流量计及计算

　　按照 JJG 1030—2007,每个流量点至少进行 6 次检定。 按式(E. 1) 计算超声流量计示值误差 E，按式(E. 2)计算超声流量计的流量计系数 MF。

　　…………………………( E.1 )

　　MF

　　式中：

　　E —超声流量计相对示值误差，% ;

　　Qm —超声流量计显示的累积流量值，单位为立方米(m3 ) ;

　　Qs —标准流量计换算到超声流量计处的累积流量值，单位为立方米(m3 ) ;

　　MF — 流量计系数;

　　Ns — 标准流量计脉冲数;

　　Nm — 超声流量计脉冲数;

　　(VCF20) s — 标准流量计处液体体积修正系数;

　　(VCF20) m — 超声流量计处液体体积修正系数;

　　Km —超声流量计 K 系数，单位为每立方米(m-3 ) ;

　　Ks —标准流量计 K 系数，单位为每立方米(m-3 ) ;

　　κ —液体在检定状态下的压缩系数，单位为每兆帕(MPa-1 ) ;

　　ps ,pm —分别为标准流量计和超声流量计处的液体压力，单位为兆帕(MPa) 。

　　E.4 示值误差和重复性

　　超声流量计示值误差、最大示值误差及重复性的计算公式参见附录 G。

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　　附 录 F

　　(资料性附录)

　　用标准表法检定超声流量计的不确定度评估

　　F.1 测量模型

　　本附录给出了用涡轮流量计作为标准流量计来检定超声流量计的方法。

　　如附录 C与附录 D所述，超声流量计存在测量分散性与脉冲信号延迟，使得利用体积管直接检定超声流量计变得困难。 若要消除这些不利影响，可分别采取增加体积管容积、增加体积管预运行段长度并尽可能缩小脉冲延迟等方法。 但是这些方法受各种因素限制，很多现场无法实现。

　　如附录 E所述，使用标准表法检定超声流量计的流量计系数数学模型见式(F. 1) 。

　　MF ( F.1 )

　　F.2 确定输入量估计值

　　使用标准表法检定超声流量计，检定结果 MF 的输入量包括：Ns , Nm ,(VCF20) s ,(VCF20) m , Km , Ks ,κ,ps及 pm 。各输入量估计值见表 F. 1 。

　　表 F.1 输入量的估计值

　　F.3 输入量的不确定度评定

　　F.3 . 1 标准流量计脉冲数

　　在检定过程中，计数器累积的标准流量计脉冲数至少在 10 000 以上，由计数器同步启停引入的最大计数误差为 ±1 个脉冲，按均匀分布，标准流量计脉冲数 Ns 引入的相对不确定度ur(Ns ) 的相对不确定度估算如下：

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　　ur(Ns ) =1/10 000/ × 100% =0.005 8%

　　灵敏系数 cr(Ns ) = 1 。

　　F.3 . 2 标准流量计 K 系数

　　标准流量计是介于体积管与超声流量计之间的传递标准，标准流量计的 K 系数不确定度的评估如下：

　　a) 标准流量计溯源引入的不确定度包括体积管的标准不确定度与标准流量计 K 系数的标准不确定度。

　　b ) 体积管标准装置的扩展不确定度已经评定为 0 . 042%,k=2,故其标准不确定度为 0 . 021% 。

　　c) 依据 JJG 1037—2008 现场检定涡轮流量计，在不调整流量、不调节相关阀门的重复性条件下进行连续检定，标准流量计 K 系数重复性不超过 0 . 03%。 检定 5 次，n= 5 。故标准流量计 K

　　系数重复性的 A类标准不确定度 uA(Ks ) 为 ：

　　uA(Ks ) =0.03%//5 × 100% =0.013%

　　d) 标准流量计 K 系数引入的相对不确定度ur(Ks ) 用下式合成：

　　ur(Ks ) = =0.024%

　　灵敏系数 cr(Ks ) = - 1 。

　　F.3 . 3 (VCF20) s与(VCF20) m估算值

　　估算标准流量计处流体的体积修正系数与超声流量计处流体的体积修正系数的比值(VCF20) s / (VCF20) m 。

　　已知原油标准密度为 838 . 0 kg/m3 , 其变化对(VCF20) s 与(VCF20) m 影响相同，故(VCF20) s 的不确定度主要由标准流量计处与超声流量计处流体温度测量的偏差引入。 温度测量使用精密温度变送器，其最大测量误差小于 0 . 1 ℃ , 测量范围均为(0~100)℃ 。故标准流量计处与超声流量计处原油温度测量最大偏差为 ±0 . 2 ℃ 。

　　在检定过程中，超声流量计处流体温度为 51 . 00 ℃ ,标准流量计处为 50 . 75 ℃ 。查 GB/T 1885 表60A得：(VCF20)m =0.972 7,(VCF20)s =0.973 0。经插值计算可知，由±0.2 ℃的温度测量偏差引入的体积修正系 数 最 大 偏 差 为 ± 0 . 000 24 。 按 均 匀 分 布，由(VCF20) s 与(VCF20) m 估 算 值 偏 差 引入 的(VCF20) s /(VCF20) m 相对不确定度 ur[(VCF20) s /(VCF20) m ] 为 ：

　　ur[(VCF20)s /(VCF20)m ] =0.000 24/(0.973 0/0.972 7)//3 × 100%

　　=0 . 014%

　　灵敏系数 cr[(VCF20) s /(VCF20) m ] = 1 。

　　F.3 . 4 压力测量

　　标准流量计与超声流量计的压力测量均采用压力变送器，准确度等级均为 0 . 2 级，量程为(0~ 2 ) MPa, 当其测量 0 . 4 MPa 的液体压力时，最大测量误差为 ±0 . 004 MPa,故 ps-pm( 即 △p)的最大测量误差为 ±0 . 008 MPa。 按照均匀分布，压力测量引入的相对测量不确定度 ur(△p)为 ：

　　u(△p)=0.008/ =0.004 6 MPa

　　由密度和温度计算得出原油压缩系数 κ 的估计值为 0 . 86 × 10 - 4 MPa- 1 ,故灵敏系数为：

　　将 u (△p)乘以灵敏系数后计算相对不确定度为：

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　　ur (Δp)=

　　Ns × × Km × 3.9 × 10- 7

　　Nm × Ks

　　Ns × ×[1+κ(ps-pm)] × Km

　　Nm × Ks

　　× 100% = 1+0.86 × 10- 4 × 0.004 6 × 100%

　　ur (Δp)=3.9 × 10- 5 %

　　F.3 . 5 液体压缩系数

　　设原油压缩系数的估计值为 κ=0 . 86 × 10 - 4 MPa- 1 ,按相对不确定度 ur(κ) =10%计算，液体压缩系数引入的不确定度 ur(κ)为 ：

　　u (κ) =0.86×10-4 /10=0.86 × 10- 5 MPa- 1

　　标准流量计与超声流量计串联运行，其压力差小于 0 . 2 MPa, 故设 Ps - Pm = 0 . 2 MPa,则灵敏系数为：

　　乘以灵敏系数后计算相对不确定度为：

　　ur (κ) =

　　Ns × × Km × 1.7 × 10- 6

　　Nm × Ks

　　Ns × × [1+κ(ps-pm)] × Km

　　Nm × Ks

　　× 100% = 1+0.86 × 10- 6 × 0.2 × 100%

　　ur (κ) = 1.7 × 10- 4 %。

　　F.3 . 6 超声流量计脉冲数

　　在检定过程中，超声流量计脉冲数至少在 600 000 以上，由于同步启停引入的计数误差为± 1 个脉冲，按均匀分布，其超声流量计脉冲数 Nm 引入的相对标准不确定度 ur(Nm ) 估算如下：

　　ur(Nm ) =1/600 000/ × 100% =0.000 1%

　　灵敏系数 cr(Nm ) = - 1

　　F.3 . 7 超声流量计仪表系数

　　超声流量计 K 系数为设定值，其 Km 引入的相对不确定度 ur(Km ) 为 0 。

　　F.4 输入量估计值的相关性评定

　　检定时液体温度的变化能够影响液体压缩系数的变化，从而导致测量结果发生变化。 然而在实际检定过程中，液体的温度比较稳定，其变化一般不超过 5 ℃ 。 在所采用的原始数据中，5 个检定流量点总的温度变化小于 1 ℃ ,故温度变化引入的压缩系数变化量小于 4 × 10 - 9 MPa- 1 ,相对变化量小于±0 . 005%。 结合前面关于压缩系数不确定度的分析得出，温度变化导致压缩系数变化引入的不确定度

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　　可忽略不计，可以不考虑温度与压缩系数之间的相关性。 其余各输入量估计值的变化，在操作范围内不会导致另一输入量估计值发生变化，因此可以视为不相关。 相关系数均为零。

　　F.5 检定超声流量计的合成标准不确定度

　　用标准流量计检定超声流量计各不确定度的来源、输入量的不确定度评估值、灵敏系数及合成标准不确定度见表 F. 2 。

　　表 F.2 各输入量不确定度

　　依据不确定度传播定律，标准装置的合成标准不确定度为：

　　cr( MF)= [(0.005 8%)2 +(0.024%)2 +(0.014%)2 +(0.000 039%)2 + (0.000 17%)2 +(0.000 1%)2 ]1/2

　　F.6 扩展不确定度计算

　　合成标准不确定度乘以包含因子得到扩展不确定度。 由合成标准不确定度 ucr(MF)=0 . 029%,取包含因子 k=2,则 ：

　　U=k ·ucr(MF)= 2 × 0 . 029% =0 . 058%

　　对于 0 . 2 级超声流量计，检定装置的不确定度应小于等于最大允许误差的 1/3,即U≤0 . 067%。

　　用标准流量计检定超声流量计，标准流量计检定重复性一般控制在 0 . 01%~0 . 03%之间，因此，用标准流量计检定超声流量计方法不确定度满足要求。

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　　附 录 G

　　(资料性附录)

　　用体积管检定超声流量计计算方法

　　G.1 概述

　　本附录推荐了用体积管检定超声流量计的计算方法。

　　用体积管检定超声流量计的方法与检定其他类型流量计类似，通过体积管检测开关的启/停信号同步采集超声流量计输出的脉冲;通过测量体积管与超声流量计处的温度、压力，对体积管材质及流体进行温度、压力修正计算，得出检定时体积管处工作状态换算到超声流量计处工作状态的累积流量值，再与超声流量计显示的累积数进行比较，得出超声流量计示值误差。

　　JJG 1030—2007 没有给出计算体积管在检定条件下测得的液体实际体积的公式，也没有给出检定用液体的体膨胀系数计算方法。 在实际检定时，通常要求给出流量计系数，以便在油量计算中进行修正计算。 参考 JJG 667—2010 液体容积式流量计检定规程，给出体积管检定超声流量计计算方法。

　　G.2 计算公式

　　G.2. 1 累积流量值Qs

　　体积管标准容积值换算到超声流量计处工作状态下的累积流量值 Qs计算公式见式(G. 1) 。

　　…………………………( G.1 )

　　式中：

　　(Qs) ij —第 i检定点第j 次检定时体积管换算到超声流量计处状态的累积流量值，单位为立

　　方米(m3 ) ;

　　Vs —体积管在标准状态下的容积值，单位为立方米(m3 ) ;

　　D —体积管内径，单位为毫米(mm) ;

　　e —体积管壁厚，单位为毫米(mm) ;

　　Es —体积管材质的弹性模量，单位为帕(Pa) ;

　　ps ,pm —分别为检定时体积管处与超声流量计处的液体压力，单位为帕(Pa) ;

　　βs —体积管材质的体膨胀系数，单位为每摄氏度(℃-1 ) ;

　　ts —检定时体积管处的液体温度，单位为摄氏度(℃) ;

　　(VCF20) s — 体积管处温度下液体的体积修正系数;

　　(VCF20) m — 超声流量计处温度下液体的体积修正系数;

　　κ —检定用液体在检定状态下的压缩系数，单位为每兆帕(Pa-1 ) 。

　　G.2.2 计算超声流量计显示的累积流量值Qm

　　超声流量计显示的累积流量值 Qm计算见式(G. 2) 。

　　ij …………………………( G.2 )

　　GB/T 36989—2018

　　式中：

　　(Qm) ij—第 i检定点第j 次检定时超声流量计显示的，单位为立方米(m3 ) ;

　　(N)ij —第 i检定点第j 次检定时采集的超声流量计脉冲数; K —流量计 K 系数，单位为每立方米(m-3 ) 。

　　G.2.3 计算流量计系数 MF 及平均流量计系数

　　流量计系数 MF 及平均流量计系数计算见式(G. 3)、式(G. 4) 。

　　ij …………………………( G.3 )

　　式中：

　　(MF)ij—第 i检定点第j 次检定流量计系数。

　　MFi MFij …………………………( G.4 )

　　式中：

　　( MF)i—第 i检定点流量计系数。

　　G.2.4 计算示值误差

　　示值误差计算见式(G. 5) 。

　　Ei …………………………( G.5 )

　　式中：

　　Ei—第 i检定点示值误差，% 。

　　G.2.5 计算超声流量计的重复性

　　超声流量计的重复性计算见式(G. 6) 。

　　i=槡

　　式中：

　　( Er)i—第 i检定点重复性，% 。

　　G.2.6 计算最大示值误差

　　最大示值误差计算见式(G. 7) 。

　　E= ± Ei max …………………………( G.7 )

　　式中：

　　E—最大示值误差，% 。

　　当超声流量计示值误差超过最大允许误差，直接使用流量计系数进行修正计算时，也可使用式(G. 8)计算最大示值误差。

　　E

　　GB/T 36989—2018

　　参 考 文 献

　　[17] 美国国家标准学会/美国机械工程师学会 MFC. 5M 在密闭管道中用传播时间超声流量计测量液体流量

　　[18] 美国机械工程师学会 B. 31 . 3 工艺管道

　　[19] 美国机械工程师学会 B. 31 . 4 液态烃和其它液体管道输送系统