氣體流量計的遠程校準技術

       美國每天消耗價值約為22億美元的天然氣。這些天然氣從氣井到工業或民間的用戶一般須經過5到7次氣體流量計的計量。為了交易的公平，必須對使用的氣體流量計進行定期的校準。目前，位于華盛頓的nist流量組對氣體流量計可提供的校準服務的流量上限為5100m3/h，校準的擴展不確定度不大于示值的0.2%，而美國工業界實際使用的氣體流量上限達6000000m3/h。這就是說，nist現有標準與需求相比尚差1000多倍。如果再考慮到氣體的種類和壓力范圍，nist的現有標準就相差更遠。由于受建筑面積、氣體流量傳感器等的限制，在可以預見的將來，nist也沒有可能在其本部所在地建造可以覆蓋所有量程、氣種和壓力范圍的氣體流量標準。與此同時，位于美國科羅拉多州努恩的科羅拉多工程實驗室（ceesi）已經具有一套量程為16200m3/h的氣體流量標準。該標準在ceesi內部被稱為“a基準”。該標準中，被校氣體流量計的上游是口徑大小按8421排列、相互并聯的音速噴嘴組合，被校氣體流量計的下游則是基于pvt法的流量收集與測定裝置。據ceesi報告，用該標準進行校準的擴展不確定度不大于示值的0.14%。這一不確定度居然比nistzui大氣體流量標準的不確定度還要小，對此，nist流量組是頗有看法的。但不管怎么說，該裝置的量程是nist現有zui大裝置量程的3倍。不僅如此，ceesi在科州埃沃瓦興建中的另一套校準設備其量程將高達2580000m3/h。該設備一旦建成，據稱將是世界zui大的，其校準能力達nist現有標準的500倍。

　　nist*步計劃通過遠程校準技術首先將ceesi現有的、位于努恩的zui大流量標準，即所謂的“a基準”（量程為16200m3/h），納入美國*校準體系。在成功的基礎上，下一步再將ceesi在埃沃瓦興建中的、量程為2580000m3/h的流量標準用同樣的方法納入nist的校準體系。從技術路線看，nist并不拆除ceesi的“a基準”現有的數據采集和數據處理設備。而是與設備上現有的壓力、溫度、時間等傳感器相并列，再安裝一套（冗余的）屬nist所有、歸ceesi長期借用的同類傳感器。這套新裝的傳感器將定期地溯源至nist相應的zui高標準。新舊兩套傳感器一起接至以令牌環方式工作的現場數據采集系，然后連至ceesi的t1端子。而該t1端子又可連至離ceesi約35英里的高速廣域網結點。nist認為，除了對數據和控制信息的遠程傳輸外，對設備的運行情況進行實時的聲像監視也非常重要。異地的操作者應該能實時觀察到設備的運行，與現場操作者對話，同時按需要讀取數據，或改變設備的參數設置。

　　要實現氣體流量計遠程校準的另一個關鍵因素是必須確切知道進入被校氣體流量計的流體的速度剖面。因為大多數氣體流量計的計量特性將因速度剖面的不同而改變。光靠信息傳輸與控制系統顯然無法解決這一問題。為此，nist與得克薩斯州的daniel公司合作，正在開發一種可以測量流體速度剖面的多聲道超聲波氣體流量計。這一超聲波氣體流量計將被安裝在被校氣體流量計的上游。它一方面可以測量進入被校氣體流量計的速度剖面，從而為評估流量實驗段的品質提供參考，為研究下游被校氣體流量計在不同速度剖面情況下的計量特性提供依據;另一方面，通過對速度分布的面積分，同時也就準確地測出了流過被校氣體流量計的體積流率，從而為被校氣體流量計的測量不確定度分析提供了某種基準值。這種超聲波氣體流量計具有11對以上的聲道，利用時差法分別測量速度剖面上不同部位的流速。其中有4對以上的聲道測量管道截面中x軸上不同部位的速度分布（軸向速度），同時有4對以上的聲道測量管道截面中y軸上不同部位的速度分布（軸向速度），另有兩對以上的聲道測量管道截面中的可能存在的徑向速度，還有一對聲道測量管道截面中可能存在的旋轉速度。由于超聲波探頭輸出的信號實際上僅僅反映了聲音傳輸通道上的一種積分效應，一般的做法是采用類似層面照相術的技術通過解積分方程得到整個剖面上的二維速度分布。這種算法耗時多，速度慢，并對噪聲或干擾相當敏感。結果一方面將因耗時過多而無法實時跟蹤速度剖面的變化，另一方面十幾個通道的信息還遠遠無法保證算法的收斂：經常是要么得不到任何結果，要么得出的結果不*。為了解決這一問題，nist的流量組擬采用一種半經驗的模式識別算法。具體做法是：首先用類似信號處理中付立葉分析的方法，將流體可能的速度分布（主要指軸向速度的分布）分解為若干種基本的速度分布的線性組合。這樣，算法就簡化為依靠十幾個通道的超聲波探頭信息，根據zui小二乘原理，在預先建立的流體速度的可能分布表亦即數據庫中查找出zui有可能的那個速度分布，或更準確地說，查找出zui有可能的那種速度分布的組合來。也可以將這種算法理解為是一種映射或一種變換，即把輸入集（超聲波信息的各種組合），按某種預定的規則，映射或變換到輸出集（流速分布的各種組合）中去。由于這是一種開環的算法，它有兩個明顯的優點：（1）速度快。因為查找過程的耗時是很短的。它將足以實時跟蹤速度剖面的任何變化。（2）算法永遠收斂。因為終歸可以找到某種速度分布，它比其它速度分布相對而言更有可能一些，即根據預定的規則其合成誤差相對而言更小一些。至于流體速度的可能分布表或數據庫，可以用計算機仿真和經驗估計相結合的方法來建立。映射算法則要根據超聲波探頭對的具體布置方案來產生，并經某種實際的“訓練”后才能zui后優化確定。這里的所謂“訓練”是指讓映射算法首先能從已知的輸入得出已知的輸出，然后逐步能從未知的輸入得出合理的輸出的算法優化過程。nist認為，用這樣的軟硬件結合的方法制造出來的多聲道超聲波氣體流量計事實上是一種“便攜式基準”。因為它不再會因速度剖面的不同而影響測量不確定度。

　　遠程校準在促進計量的發展，降低校準成本，擴大計量量程等方面的確帶來了許多新的變化。