气体流量计的远程校准技术

       美国每天消耗价值约为22亿美元的天然气。这些天然气从气井到工业或民间的用户一般须经过5到7次气体流量计的计量。为了交易的公平，必须对使用的气体流量计进行定期的校准。目前，位于华盛顿的nist流量组对气体流量计可提供的校准服务的流量上限为5100m3/h，校准的扩展不确定度不大于示值的0.2%，而美国工业界实际使用的气体流量上限达6000000m3/h。这就是说，nist现有标准与需求相比尚差1000多倍。如果再考虑到气体的种类和压力范围，nist的现有标准就相差更远。由于受建筑面积、气体流量传感器等的限制，在可以预见的将来，nist也没有可能在其本部所在地建造可以覆盖所有量程、气种和压力范围的气体流量标准。与此同时，位于美国科罗拉多州努恩的科罗拉多工程实验室（ceesi）已经具有一套量程为16200m3/h的气体流量标准。该标准在ceesi内部被称为“a基准”。该标准中，被校气体流量计的上游是口径大小按8421排列、相互并联的音速喷嘴组合，被校气体流量计的下游则是基于pvt法的流量收集与测定装置。据ceesi报告，用该标准进行校准的扩展不确定度不大于示值的0.14%。这一不确定度居然比nistzui大气体流量标准的不确定度还要小，对此，nist流量组是颇有看法的。但不管怎么说，该装置的量程是nist现有zui大装置量程的3倍。不仅如此，ceesi在科州埃沃瓦兴建中的另一套校准设备其量程将高达2580000m3/h。该设备一旦建成，据称将是世界zui大的，其校准能力达nist现有标准的500倍。

　　nist*步计划通过远程校准技术首先将ceesi现有的、位于努恩的zui大流量标准，即所谓的“a基准”（量程为16200m3/h），纳入美国*校准体系。在成功的基础上，下一步再将ceesi在埃沃瓦兴建中的、量程为2580000m3/h的流量标准用同样的方法纳入nist的校准体系。从技术路线看，nist并不拆除ceesi的“a基准”现有的数据采集和数据处理设备。而是与设备上现有的压力、温度、时间等传感器相并列，再安装一套（冗余的）属nist所有、归ceesi长期借用的同类传感器。这套新装的传感器将定期地溯源至nist相应的zui高标准。新旧两套传感器一起接至以令牌环方式工作的现场数据采集系，然后连至ceesi的t1端子。而该t1端子又可连至离ceesi约35英里的高速广域网结点。nist认为，除了对数据和控制信息的远程传输外，对设备的运行情况进行实时的声像监视也非常重要。异地的操作者应该能实时观察到设备的运行，与现场操作者对话，同时按需要读取数据，或改变设备的参数设置。

　　要实现气体流量计远程校准的另一个关键因素是必须确切知道进入被校气体流量计的流体的速度剖面。因为大多数气体流量计的计量特性将因速度剖面的不同而改变。光靠信息传输与控制系统显然无法解决这一问题。为此，nist与得克萨斯州的daniel公司合作，正在开发一种可以测量流体速度剖面的多声道超声波气体流量计。这一超声波气体流量计将被安装在被校气体流量计的上游。它一方面可以测量进入被校气体流量计的速度剖面，从而为评估流量实验段的品质提供参考，为研究下游被校气体流量计在不同速度剖面情况下的计量特性提供依据;另一方面，通过对速度分布的面积分，同时也就准确地测出了流过被校气体流量计的体积流率，从而为被校气体流量计的测量不确定度分析提供了某种基准值。这种超声波气体流量计具有11对以上的声道，利用时差法分别测量速度剖面上不同部位的流速。其中有4对以上的声道测量管道截面中x轴上不同部位的速度分布（轴向速度），同时有4对以上的声道测量管道截面中y轴上不同部位的速度分布（轴向速度），另有两对以上的声道测量管道截面中的可能存在的径向速度，还有一对声道测量管道截面中可能存在的旋转速度。由于超声波探头输出的信号实际上仅仅反映了声音传输通道上的一种积分效应，一般的做法是采用类似层面照相术的技术通过解积分方程得到整个剖面上的二维速度分布。这种算法耗时多，速度慢，并对噪声或干扰相当敏感。结果一方面将因耗时过多而无法实时跟踪速度剖面的变化，另一方面十几个通道的信息还远远无法保证算法的收敛：经常是要么得不到任何结果，要么得出的结果不*。为了解决这一问题，nist的流量组拟采用一种半经验的模式识别算法。具体做法是：首先用类似信号处理中付立叶分析的方法，将流体可能的速度分布（主要指轴向速度的分布）分解为若干种基本的速度分布的线性组合。这样，算法就简化为依靠十几个通道的超声波探头信息，根据zui小二乘原理，在预先建立的流体速度的可能分布表亦即数据库中查找出zui有可能的那个速度分布，或更准确地说，查找出zui有可能的那种速度分布的组合来。也可以将这种算法理解为是一种映射或一种变换，即把输入集（超声波信息的各种组合），按某种预定的规则，映射或变换到输出集（流速分布的各种组合）中去。由于这是一种开环的算法，它有两个明显的优点：（1）速度快。因为查找过程的耗时是很短的。它将足以实时跟踪速度剖面的任何变化。（2）算法永远收敛。因为终归可以找到某种速度分布，它比其它速度分布相对而言更有可能一些，即根据预定的规则其合成误差相对而言更小一些。至于流体速度的可能分布表或数据库，可以用计算机仿真和经验估计相结合的方法来建立。映射算法则要根据超声波探头对的具体布置方案来产生，并经某种实际的“训练”后才能zui后优化确定。这里的所谓“训练”是指让映射算法首先能从已知的输入得出已知的输出，然后逐步能从未知的输入得出合理的输出的算法优化过程。nist认为，用这样的软硬件结合的方法制造出来的多声道超声波气体流量计事实上是一种“便携式基准”。因为它不再会因速度剖面的不同而影响测量不确定度。

　　远程校准在促进计量的发展，降低校准成本，扩大计量量程等方面的确带来了许多新的变化。