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。

      高压回路中已经包括了两台DaNIel300mm多声道超声流量计，并在参考部分安装了一台Daniel300mm的气体涡轮流量计。一台Daniel200mm多声道流量计紧跟一台Daniel200mm涡轮流量计安装在回路中的测试部分。200mm流量计安装在高压回路中的测试部分，防止太阳直射。在300mm管径和200mm管径变径处下游5D处安装一台流量调节器（DanielProfile）。在两台流量计之间至少有5D的距离，在流量调节器和超声流量计之间留出长至24D的长度。200mm的涡轮流量计安装在200mm管径部分，并且与200mm到300mm管径变径处保持至少5D长度。

      全部的校准包括7个流量点，在每点重复6次。用天然气在200mm流量计上流量点分1.68、3.35、6.71、10.1、13.4、16.8和20m/s（5.5、11、22、33、44、55和66ft/sec），在300流量计上对应有小流量显示。这些流率用音速喷嘴测得，分别用天然气和氮气测试。这些校准的回路分布图示于图1中。

图1 西南研究院的高压校准回路

      校准的顺序如下：

      （1）用天然气在2.8MPa，21℃校准；
      （2）温度变至10℃，重新校准。温度的变化降低了天然气中的声速，这使得它跟在氮气中的声速很接近；
      （3）介质从天然气变至氮气。氮气中在2.8MPa，21℃校准。注意为了使用相同的音速喷嘴，两种声速比中流率值降低，大约为0.84；
      （4）温度变化至32℃。温度的变化增大了氮气中的声速。这使得它跟在天然气中的声速很接近。

      在每个流量点收集了上面5块表的下列数据：

      ◆ 超声流量计的Chord声速和平均声速；
      ◆ 气体平均流率；
      ◆ 校验流率；
      ◆ 校验声速（由西南研究院计算）；
      ◆ 西南研究院的温度和压力。

      4.2 数据分析

      进行了天然气测试结果和氮气测试结果的曲线对比。对下列项目进行天—天，温度—温度校准数据分析：

      ◆ 流量校准数据（流量计对音速喷嘴）；
      ◆ 流量校准数据（超声流量计对涡轮流量计）；
      ◆ Chord声速数据（基于AGA-8号报告和气体组成分析的Chord声速对计算出的声速）。

      西南研究院提出在95%置信水平下校准流量计总不确定度约为0.25%。比对两个校准结果就会给出0.35%的总不确定度。然而，在这种情况下，进行比对的两个校准之间的唯一差别是测试流体。音速喷嘴、涡轮流量计、管线布置、数据采集和超声流量计都是相同的。通过比较同一流量计不同的校准之间的差异，对体系的大部分偏见可以消除。氮气和天然气状态方程中的不确定度经计算均为0.1%。在不同的日子，不同的环境条件下，系统运行的随意不确定度经计算为0.14%。对相同的流量计，相同的音速喷嘴，在相同的管线布置下，用天然气和氮气校准可以达到期望的总不确定度。

      4.3 结果

      5台流量计(2台涡轮流量计和3台超声流量计)中的每一台都校准了8次。

      ◆ 2天内在2个温度点21℃和10℃用天然气校准4次；
      ◆ 2天内在2个温度点21℃和32℃用氮气校准4次。

      最初的天然气在21℃的校准用来作为每一台流量计的参考。另一序号的多项式添加到数据分析中产生校准系数，这些系数在后面的校准中使用。校准曲线的符号如下：

      ◆ NG10.14=2001年8月14日用天然气在10℃测试；
      ◆ N221.17=2001年8月17日用氮气在21℃测试。

图2 200mm（8inch）超声流量计用天然气和氮气校准的曲线

      图2显示了在回路测试部分200mm超声流量计8次校准的结果。下列的观测资料可以从校准运行的曲线上得到。

      ◆ 两种气体中天-天校准数据再现性非常好，平均大约0.1%；
      ◆ 10℃和21℃两个校准之间的差别，甚至比两种气体中天-天校准数据变化更小，平均小于0.1%；
      ◆ 天然气和氮气两种校准曲线之间的差异平均小于0.2%，与4.3部分中预计的一样。氮气校准曲线平铺在天然气校准曲线的下部。

      比较用两种气体对200mm涡轮流量计的校准也是颇有趣味的。这些都示于图3中。32℃是用氮气在11.3m/s流量点上校准结果的偏差被确信是由于仪器产生的误差。对于给定的气体，校准的重复性非常好。再次地，用氮气校准的曲线位于天然气校准曲线的下部。在这些压力条件下，由于涡轮流量计在许多前面的测试中没有表现出密度影响，那么气体组成影响最可能用来解释两种气体校准曲线的可以察觉的差异。

图3 200mm（8inch）涡轮流量计用天然气和氮气校准的曲线

      如果涡轮流量计用来作为参考表，显示于图2中的校准曲线现在变成了如图4。在这种情况下，两种气体中运行的校准曲线互相交迭。对于200mm流量计，在高压回路中天然气可以达到的最大流率为20m/s。在用氮气校准的实验中，为了使用同一个音速喷嘴，这个流率被减小到16.8m/s。

图4 200mm（8inch）超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
（用涡轮流量计作参考）

      从300mm流量计得到的校准数据给出了相似的结果。但是由于测试流量点在流量计满量程33%以下操作，并且校准过程在日光照射下进行，所以校准数据在低流量下稍微有些分散。对300mm超声流量计和300mm涡轮流量计的校准数据表示于图5和图6中。图7显示了用涡轮流量计作参考的超声流量计校准曲线，天然气和氮气的校准曲线交迭。200mm流量计也是如此。

图5 300mm（12inch）超声流量计用天然气和氮气校准的曲线

图6 300mm（12inch）涡轮流量计用天然气和氮气校准的曲线

图7 300mm（12inch）超声流量计用天然气和氮气校准的曲线
（用涡轮流量计作参考）

      在所有超声流量计的校准过程中，声速都被记录下来。西南研究院使用在线DanielDanalyzer气相色谱仪得到气体组成数据，并用其与温度、压力和AGANO8报告中提出的状态方程一起，从理论上计算出声速值，平均差异在0.04%以内。