1 摘要

现在，用于天然气计量的超声流量计的校准尽可能在流量校准装置上进行。既然几乎所有的这些装置使用天然气流过管线，在通常情况下，就不可能改变影响声速的参数，比如温度、压力、气体组成。当超声流量计使用时这些参数如果相异于校准情况下的数值，校准还能起到作用吗？

为了定量地描述这些参数的变化对超声流量计校准的影响，进行了一系列的仔细控制的校准实验。第一步的实验包括在西南研究院（ SwRI ）的高压回路中使用压力 2.8MPa （ 400psi ）的天然气介质校准一台 200mm （ 8inch ）和一台 300mm （ 12inch ）的超声流量计。作为附加的参考， 200mm 和 300mm 的涡轮流量计也应用于回路中。然后把流体介质改为氮气，声速变化了 16% ，数值上等效于天然气 4.6 MPa （ 677psi ）的压力。

为了进一步试验压力对超声流量计校准的影响，在压力从 1.4MPa （ 200psi ）到 7MPa （ 1000psi ）的范围内，使用氮气对口径 300mm 的流量计进行了一系列的统计声速测量。测量值表明在这个压力范围内声速的变化在计算值的 0.03% 以内。

此外，对温度和流体介质的变化导致的声速的变化，进行了进一步的实验。用天然气在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 10 ℃（ 50 ℉ ）进行校准实验，用氮气在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 32 ℃（ 90 ℉ ）下进行。对每一系列的校准，对比平均校准曲线，得出变化对校准的影响。在满足期望的装置和流量计再现性条件下，超声流量计的校准对声速的变化、温度和压力的变化都没有反应。当用于校准的流体介质从天然气变化到氮气时，观察到的微小的变化是由于对这两种气体使用的状态方程不同。

这些测试结果证明如果超声流量计在一套条件下的校准程序是可行的，在另外的条件下使用也可以，包括用不同的气体介质。

2 引言

用于关联交易的天然气计量用超声流量计的原理是通过测量气体的超声波传播时间。超声波在与流体流向一致时，传播时间要小于逆流时的情况。两种状态下的传播时间差用于计算气体流动的平均速率。实际的体积流量可用下式表示：

这里 K= 流量计的仪表系数，△ T= 传播时间差，T1= 顺流时的传播时间，T2= 逆流时的传播时间

由于这个流量方程式中只包括了流量计的物理学结构尺寸和传播时间，它独立于流动气体中的声速（ SOS ）。因此，就可以作出假设：气体流速的测定独立于影响气体中声速的因素，比如温度、压力和气体组成。如果这个假设不正确，超声流量计在不同于现场运行条件下的校准的有效性就值得考虑。

首先，对超声流量计气体速度的测定独立于声速，但可能由于下列原因还有一些次要的影响。

• 声阻改变了信号对气体的耦合；
• 雷诺数的变化。雷诺数正比于特定的重力（ SG ）与粘度的比值；
• 信号的波长（ WL ）随气体组成变化而变化。

在不同的介质下留意这些参数是饶有兴趣的。下列的表格是针对标准条件，注意对一给定的管径大小和流速，雷诺数几乎是个常数。

表1 气体性质

当从天然气改变为空气或者氮气，许多气体性质会变化，比如声速、特定的重力和粘度。然而，由于它们也随温度和压力变化，超声流量计在操作条件的范围内在气体性质上就有可以想象得到的交迭，表明偏离标准条件不是那么重要。

3 研究目标

本文中所阐述的研究目标是确定温度、压力和流体介质变化对气体超声流量计的影响。除了检验超声流量计技术外，该套程序还有支持这些天然气流量计用氮气或空气校准的作用。

现在，在北美只有两套设备可用以在超出流量范围的情况下校准口径大于 200mm 的超声流量计。这些流量计的安装以每年超过 10% 的速度在增长。在将来，校准设备将会变的有很大的局限性。这些校准装置可能在使用不到几年的情况下就需要重新校准。

如果超声流量计的校准只限于天然气装置，建造新装置的可能性会由于位置和费用而被局限。然而，如果可以证明用其它介质校准是等效的，建造新装置的可能性就大大提高了。用空气校准天然气流量计就不单单针对超声流量计。几乎所有用于天然气计量的涡轮流量计和住宅用煤气表都可以用空气校准。

4 流量回路校准

为了实现该程序的目标，在零流量和其它流量条件下进行实验。零流量的实现用来确定压力对校准的可能影响。

4.1 流量回路实验

既然现在没有加压的流量校准装置在同一测试回路中既能用天然气校准也能用空气校准，最好的选择是用惰性气体氮气，它有与空气接近的性质（空气含 78% 的氮气）。西南研究院拥有一套循环系统（不是气体管线的一部分），它是北美唯一的可以用同一套仪器在相同的回路中既适用于氮气也适用于天然气测试的装置。尽管音速喷嘴装置是用称重系统确定质量流率的校准装置，音速喷嘴流率计算需要气体组成和状态方程来确定气体性质。同时决定在回路中使用参考涡轮流量计来对比两种体积计量的流量计（比如涡轮和超声流量计）。这种参考表法相比较流量计与音速喷嘴对比的方法对气体组成的以来要小。

在西南研究院的高压回路中用氮气和天然气作为试验流体进行了一系列的标准校准。此外，改变温度相应改变声速。在这些校准实验中，包括仪器仪表、管线布置和数据采集系统在内的测试装置不发生变化。