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氣體流量計(jì)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)

       美國(guó)每天消耗價(jià)值約為22億美元的天然氣。這些天然氣從氣井到工業(yè)或民間的用戶一般須經(jīng)過(guò)5到7次氣體流量計(jì)的計(jì)量。為了交易的公平，必須對(duì)使用的氣體流量計(jì)進(jìn)行定期的校準(zhǔn)。目前，位于華盛頓的nist流量組對(duì)氣體流量計(jì)可提供的校準(zhǔn)服務(wù)的流量上限為5100m3/h，校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度不大于示值的0.2%，而美國(guó)工業(yè)界實(shí)際使用的氣體流量上限達(dá)6000000m3/h。這就是說(shuō)，nist現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與需求相比尚差1000多倍。如果再考慮到氣體的種類(lèi)和壓力范圍，nist的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)就相差更遠(yuǎn)。由于受建筑面積、氣體流量傳感器等的限制，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，nist也沒(méi)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(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，位于美國(guó)科羅拉多州努恩的科羅拉多工程實(shí)驗(yàn)室（ceesi）已經(jīng)具有一套量程為16200m3/h的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在ceesi內(nèi)部被稱(chēng)為“a基準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)中，被校氣體流量計(jì)的上游是口徑大小按8421排列、相互并聯(lián)的音速?lài)娮旖M合，被校氣體流量計(jì)的下游則是基于pvt法的流量收集與測(cè)定裝置。據(jù)ceesi報(bào)告，用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)的不確定度還要小，對(duì)此，nist流量組是頗有看法的。但不管怎么說(shuō)，該裝置的量程是nist現(xiàn)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(zhǔn)設(shè)備其量程將高達(dá)2580000m3/h。該設(shè)備一旦建成，據(jù)稱(chēng)將是世界zui大的，其校準(zhǔn)能力達(dá)nist現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的500倍。

　　nist*步計(jì)劃通過(guò)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)首先將ceesi現(xiàn)有的、位于努恩的zui大流量標(biāo)準(zhǔn)，即所謂的“a基準(zhǔn)”（量程為16200m3/h），納入美國(guó)*校準(zhǔn)體系。在成功的基礎(chǔ)上，下一步再將ceesi在埃沃瓦興建中的、量程為2580000m3/h的流量標(biāo)準(zhǔn)用同樣的方法納入nist的校準(zhǔn)體系。從技術(shù)路線看，nist并不拆除ceesi的“a基準(zhǔn)”現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。而是與設(shè)備上現(xiàn)有的壓力、溫度、時(shí)間等傳感器相并列，再安裝一套（冗余的）屬nist所有、歸ceesi長(zhǎng)期借用的同類(lèi)傳感器。這套新裝的傳感器將定期地溯源至nist相應(yīng)的zui高標(biāo)準(zhǔn)。新舊兩套傳感器一起接至以令牌環(huán)方式工作的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)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?gòu)V域網(wǎng)結(jié)點(diǎn)。nist認(rèn)為，除了對(duì)數(shù)據(jù)和控制信息的遠(yuǎn)程傳輸外，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的聲像監(jiān)視也非常重要。異地的操作者應(yīng)該能實(shí)時(shí)觀察到設(shè)備的運(yùn)行，與現(xiàn)場(chǎng)操作者對(duì)話，同時(shí)按需要讀取數(shù)據(jù)，或改變?cè)O(shè)備的參數(shù)設(shè)置。

　　要實(shí)現(xiàn)氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的另一個(gè)關(guān)鍵因素是必須確切知道進(jìn)入被校氣體流量計(jì)的流體的速度剖面。因?yàn)榇蠖鄶?shù)氣體流量計(jì)的計(jì)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(tǒng)顯然無(wú)法解決這一問(wèn)題。為此，nist與得克薩斯州的daniel公司合作，正在開(kāi)發(fā)一種可以測(cè)量流體速度剖面的多聲道超聲波氣體流量計(jì)。這一超聲波氣體流量計(jì)將被安裝在被校氣體流量計(jì)的上游。它一方面可以測(cè)量進(jìn)入被校氣體流量計(jì)的速度剖面，從而為評(píng)估流量實(shí)驗(yàn)段的品質(zhì)提供參考，為研究下游被校氣體流量計(jì)在不同速度剖面情況下的計(jì)量特性提供依據(jù);另一方面，通過(guò)對(duì)速度分布的面積分，同時(shí)也就準(zhǔn)確地測(cè)出了流過(guò)被校氣體流量計(jì)的體積流率，從而為被校氣體流量計(jì)的測(cè)量不確定度分析提供了某種基準(zhǔn)值。這種超聲波氣體流量計(jì)具有11對(duì)以上的聲道，利用時(shí)差法分別測(cè)量速度剖面上不同部位的流速。其中有4對(duì)以上的聲道測(cè)量管道截面中x軸上不同部位的速度分布（軸向速度），同時(shí)有4對(duì)以上的聲道測(cè)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(duì)以上的聲道測(cè)量管道截面中的可能存在的徑向速度，還有一對(duì)聲道測(cè)量管道截面中可能存在的旋轉(zhuǎn)速度。由于超聲波探頭輸出的信號(hào)實(shí)際上僅僅反映了聲音傳輸通道上的一種積分效應(yīng)，一般的做法是采用類(lèi)似層面照相術(shù)的技術(shù)通過(guò)解積分方程得到整個(gè)剖面上的二維速度分布。這種算法耗時(shí)多，速度慢，并對(duì)噪聲或干擾相當(dāng)敏感。結(jié)果一方面將因耗時(shí)過(guò)多而無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤速度剖面的變化，另一方面十幾個(gè)通道的信息還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法保證算法的收斂：經(jīng)常是要么得不到任何結(jié)果，要么得出的結(jié)果不*。為了解決這一問(wèn)題，nist的流量組擬采用一種半經(jīng)驗(yàn)的模式識(shí)別算法。具體做法是：首先用類(lèi)似信號(hào)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(jiǎn)化為依靠十幾個(gè)通道的超聲波探頭信息，根據(jù)zui小二乘原理，在預(yù)先建立的流體速度的可能分布表亦即數(shù)據(jù)庫(kù)中查找出zui有可能的那個(gè)速度分布，或更準(zhǔn)確地說(shuō)，查找出zui有可能的那種速度分布的組合來(lái)。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(yù)定的規(guī)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(kāi)環(huán)的算法，它有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）速度快。因?yàn)椴檎疫^(guò)程的耗時(shí)是很短的。它將足以實(shí)時(shí)跟蹤速度剖面的任何變化。（2）算法永遠(yuǎn)收斂。因?yàn)榻K歸可以找到某種速度分布，它比其它速度分布相對(duì)而言更有可能一些，即根據(jù)預(yù)定的規(guī)則其合成誤差相對(duì)而言更小一些。至于流體速度的可能分布表或數(shù)據(jù)庫(kù)，可以用計(jì)算機(jī)仿真和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)相結(jié)合的方法來(lái)建立。映射算法則要根據(jù)超聲波探頭對(duì)的具體布置方案來(lái)產(chǎn)生，并經(jīng)某種實(shí)際的“訓(xùn)練”后才能zui后優(yōu)化確定。這里的所謂“訓(xùn)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(yōu)化過(guò)程。nist認(rèn)為，用這樣的軟硬件結(jié)合的方法制造出來(lái)的多聲道超聲波氣體流量計(jì)事實(shí)上是一種“便攜式基準(zhǔn)”。因?yàn)樗辉贂?huì)因速度剖面的不同而影響測(cè)量不確定度。

　　遠(yuǎn)程校準(zhǔn)在促進(jìn)計(jì)量的發(fā)展，降低校準(zhǔn)成本，擴(kuò)大計(jì)量量程等方面的確帶來(lái)了許多新的變化。