加氣站流量計校準(zhǔn)方法與精度提升研究

【摘要】本文利用MEMS傳感器獲取加氣站流量計中大量的數(shù)據(jù)，建立流量計校準(zhǔn)模型，結(jié)合多元線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法擬合海量數(shù)據(jù)，以提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，另外明確了傳感器的安裝位置和安裝條件。結(jié)果表明，采用MEMS傳感器獲取流量計數(shù)據(jù)并結(jié)合高效的建模方法，是一種可行的流量計校準(zhǔn)方案。

【關(guān)鍵詞】流量計；體積法；質(zhì)量法；MEMS傳感器；校準(zhǔn)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.067

Research on Calibration Methods and Accuracy Improvement of Gas Station Flowmeters

CHEN Jinhu

（Jinzhong Comprehensive Inspection and Testing Center， Jinzhong 030600， China）

Abstract： This article utilizes MEMS sensors to obtain a large amount of data from flowmeters in gas stations， establishes a flowmeter calibration model， and combines multiple linear regression， neural networks， and other methods to fit the massive data to improve the accuracy of calibration. In addition， the installation location and installation conditions of the sensors are clarified. The results show that using MEMS sensors to obtain flowmeter data and combining with efficient modeling methods is a feasible flowmeter calibration scheme.

Key words： flow meter； volume method； quality law； MEMS sensors； calibration

1加氣站流量計現(xiàn)有校準(zhǔn)方法

1.1體積法校準(zhǔn)

體積法校準(zhǔn)是通過測量流體通過流量計的時間和流速從而計算體積的方法[1]。該方法的基本原理是，通過一個標(biāo)準(zhǔn)容器收集一定時間內(nèi)的天然氣，并記錄流量計的讀數(shù)，然后對比兩者的數(shù)據(jù)，計算出流量計的準(zhǔn)確讀數(shù)。使用體積法校準(zhǔn)首先要確定標(biāo)準(zhǔn)容器的體積，并確保其密閉；其次要將流量計安裝在相應(yīng)的管道上，讓天然氣流過流量計，同時記錄流量計的讀數(shù)和校準(zhǔn)容器中天然氣的體積；最后通過對比實際流過流量計的氣體體積和流量計讀數(shù)，計算出流量計的誤差。

體積法校準(zhǔn)是一種相對簡便和直觀的校準(zhǔn)方法，且不依賴于被測介質(zhì)的性質(zhì)，適用于各類氣體流量計的校準(zhǔn)。同時體積法校準(zhǔn)能夠全面考察流量計在實際工作條件下的性能。然而，體積法校準(zhǔn)是利用標(biāo)準(zhǔn)容器的體積進行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)容器本身的精度和密閉性會直接影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。體積法校準(zhǔn)還需要使用較為復(fù)雜的設(shè)備，且操作時間較長，相比于其他校準(zhǔn)方法可能會耗費更多的資源和成本。另外，體積法校準(zhǔn)的周期較長，難以實現(xiàn)對流量計實時性能的監(jiān)測。

1.2質(zhì)量法校準(zhǔn)

質(zhì)量法校準(zhǔn)是通過測量流經(jīng)流量計氣體的質(zhì)量，評估流量計的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[2]。與體積法校準(zhǔn)相比，質(zhì)量法校準(zhǔn)更加直接，適用于各種氣體流量計，且能夠在相對短的時間內(nèi)完成[3]。使用質(zhì)量法校準(zhǔn)首先需要選擇合適的質(zhì)量流量計或者引入標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計量設(shè)備；其次將被測流量計安裝在流體管道上，讓天然氣流經(jīng)流量計，通過質(zhì)量流量計測量流經(jīng)氣體的質(zhì)量；最后通過對比流量計的讀數(shù)和質(zhì)量流量計的測量結(jié)果，計算出流量計的校準(zhǔn)誤差。

質(zhì)量法校準(zhǔn)的優(yōu)勢之一是其適用于對不同類型的氣體流量計進行校準(zhǔn)，操作相對簡單，且具有較高的實時性，有助于及時了解流量計的性能狀況。使用質(zhì)量法校準(zhǔn)時要選擇適用的質(zhì)量流量計，其精度和范圍要滿足被測流量計的要求。另外，質(zhì)量流量計的校準(zhǔn)周期相對較短，需要進行更頻繁的校準(zhǔn)以確保其測量的準(zhǔn)確性。這種頻繁的校準(zhǔn)操作對加氣站的日常運營管理提出了額外的要求，

2利用微機電傳感器提升流量計精度

2.1建立流量計校準(zhǔn)模型

隨著科技的不斷發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS傳感器）逐漸應(yīng)用于流量計領(lǐng)域。MEMS傳感器的引入為提升流量計的測量精度提供了新的可能性。作為高靈敏度、微型化的傳感器，MEMS傳感器能夠更精細地感知流體流過的變化，但其輸出受到多種因素的影響，如溫度、壓力等[4]。因此，亟須建立校準(zhǔn)模型，以消除這些外部因素對傳感器輸出的干擾，從而保障流量計測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。常用的建模方法包括多元線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這些方法能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)與流量計的真實值關(guān)聯(lián)起來，充分考慮各種影響因素的復(fù)雜交互作用。通過精心選擇模型參數(shù)，使得模型更好地擬合實驗數(shù)據(jù)，提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。驗證和調(diào)整模型是建模過程中的關(guān)鍵步驟。將新的實驗數(shù)據(jù)輸入已建立的模型中，對比模型輸出結(jié)果和實際測量值，評估模型的性能。如果存在較大的誤差，需要調(diào)整模型參數(shù)，甚至重新選擇建模方法，這一迭代過程直至獲得滿意的校準(zhǔn)模型。

2.2傳感器的安裝和校準(zhǔn)

傳感器的安裝和校準(zhǔn)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響流量計測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。傳感器通常被安裝在流體管道的特定位置，確保其能夠準(zhǔn)確測量氣體流量。安裝位置的選擇應(yīng)綜合考慮流體的流動特性、傳感器響應(yīng)時間以及流量計的實際工作條件。一般而言，安裝在介質(zhì)流速較高的位置可以更準(zhǔn)確地反映氣體的流動情況，但也需要注意避免局部湍流和其他因素的影響。傳感器的校準(zhǔn)是確保流量計精度的重要步驟。校準(zhǔn)過程旨在調(diào)整傳感器的輸出，使其與實際氣體流量相匹配。校準(zhǔn)需要在實驗室或者標(biāo)準(zhǔn)流量管道中進行，通過與已知流量值進行比對，逐步調(diào)整傳感器的輸出。這一過程不僅需要高精度的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，還需要仔細記錄和分析校準(zhǔn)結(jié)果，以保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可追溯性。在傳感器校準(zhǔn)中，溫度和壓力的變化是需要特別考慮的因素。氣體的密度會隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生變化，進而對傳感器的輸出產(chǎn)生影響。因此，在校準(zhǔn)過程中需要模擬不同的溫度和壓力條件，確保傳感器在各種工況下都能夠提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

2.3工作流程

建立流量計校準(zhǔn)模型并對其優(yōu)化，然后進行實地校準(zhǔn)驗證。選擇代表性的加氣站作為測試點，按照先前明確的傳感器安裝條件，在實際工作環(huán)境中進行校準(zhǔn)。通過實地校準(zhǔn)可以驗證所提出的方法在真實場景中是否適用及測量是否準(zhǔn)確。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果分析和效果評估，對校準(zhǔn)模型和方法進行優(yōu)化調(diào)整，通過不斷優(yōu)化，提高校準(zhǔn)模型的適應(yīng)性和通用性，以適應(yīng)不同型號和規(guī)格的加氣站流量計。在驗證了改進后的校準(zhǔn)方法的有效性和實用性后，將研究成果推廣應(yīng)用到其他加氣站的流量計校準(zhǔn)實踐中。另外，還要通過培訓(xùn)和技術(shù)支持，確保新方法能夠在實際應(yīng)用中得到廣泛采用，推動加氣站流量計校準(zhǔn)領(lǐng)域的技術(shù)升級和改進。

3加氣站流量計校準(zhǔn)方法與精度提升結(jié)果分析

3.1測量精度分析

在標(biāo)準(zhǔn)的流量計校準(zhǔn)實驗室進行校準(zhǔn)時，在確保溫度和壓力等環(huán)境條件穩(wěn)定的前提下，采用先進的MEMS傳感器進行流量計的校準(zhǔn)。實驗設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)流量計、待校準(zhǔn)流量計、MEMS傳感器、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)。在測量精度分析中，采用兩種對比方法，即傳統(tǒng)體積法和新型質(zhì)量法。傳統(tǒng)體積法校準(zhǔn)是流量計校準(zhǔn)的常規(guī)方法，其通過測量氣體流經(jīng)流量計的體積來進行校準(zhǔn)。而新型質(zhì)量法校準(zhǔn)則是利用質(zhì)量流量計測量氣體的質(zhì)量，并與流量計的讀數(shù)進行比較，以提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

表1為測量精度結(jié)果分析。在實驗次數(shù)為1時，體積法校準(zhǔn)結(jié)果為50.2 m3，誤差為-0.2%。在這個實驗中，體積法校準(zhǔn)表現(xiàn)較為準(zhǔn)確，誤差較小。在實驗次數(shù)為6時，體積法校準(zhǔn)結(jié)果為50.1 m3，誤差為-0.8%。這個實驗中體積法校準(zhǔn)誤差較大，可能受到外部環(huán)境因素的影響。在實驗次數(shù)為3時，流量計讀數(shù)為50.1 m3，體積法校準(zhǔn)結(jié)果為50.5 m3，質(zhì)量法校準(zhǔn)結(jié)果為50.2 m3。在這個實驗中，質(zhì)量法校準(zhǔn)結(jié)果更接近實際流量計讀數(shù)，相對體積法校準(zhǔn)更為準(zhǔn)確。在多數(shù)實驗中，質(zhì)量法校準(zhǔn)的誤差相對較小，表現(xiàn)更為穩(wěn)定。由于質(zhì)量法對環(huán)境因素的響應(yīng)較為平穩(wěn)，有助于提高流量計的測量準(zhǔn)確性。在某些實驗中，體積法校準(zhǔn)的誤差較大，受到環(huán)境因素的影響，如溫度和壓力的變化可能導(dǎo)致體積法校準(zhǔn)的不穩(wěn)定性。流量計的讀數(shù)與質(zhì)量法校準(zhǔn)結(jié)果更為接近，說明質(zhì)量法校準(zhǔn)對于提高流量計讀數(shù)的準(zhǔn)確性具有優(yōu)勢。

3.2響應(yīng)時間分析

選擇具有高靈敏度和較快響應(yīng)時間的MEMS傳感器，確保其能夠準(zhǔn)確地捕捉流量計變化。在實驗期間，確保實驗室環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)保持穩(wěn)定，同時確保加氣站流量計在實驗前處于正常工作狀態(tài)，以獲得準(zhǔn)確的響應(yīng)時間數(shù)據(jù)。采集實驗過程中的數(shù)據(jù)，對比體積法校準(zhǔn)和質(zhì)量法校準(zhǔn)，并關(guān)注MEMS傳感器的響應(yīng)時間，如表2所示。在第1次實驗時，體積法校準(zhǔn)響應(yīng)時間為20.2 ms，相對較長，質(zhì)量法校準(zhǔn)響應(yīng)時間為18.5 ms，相對較短。質(zhì)量法校準(zhǔn)在實驗次數(shù)為1時表現(xiàn)出更短的響應(yīng)時間，由于其對流量變化的靈敏度更高，能夠更迅速地捕捉到變化。在第5次實驗時，體積法校準(zhǔn)響應(yīng)時間為20.3 ms，仍然相對較長，質(zhì)量法校準(zhǔn)響應(yīng)時間為18.2 ms，相對較短。質(zhì)量法校準(zhǔn)在實驗次數(shù)為5時依然顯示出較短的響應(yīng)時間，進一步強調(diào)了質(zhì)量法校準(zhǔn)的快速響應(yīng)特性。而在第8次實驗時，體積法校準(zhǔn)響應(yīng)時間為20.4 ms，保持在較長的水平。質(zhì)量法校準(zhǔn)響應(yīng)時間為18.6 ms，相對較短。質(zhì)量法校準(zhǔn)在實驗次數(shù)為8時依然呈現(xiàn)出較短的響應(yīng)時間，進一步驗證了質(zhì)量法校準(zhǔn)在瞬時流量變化中的效果。體積法校準(zhǔn)響應(yīng)時間整體較長，波動較大，這是由于其測量流量變化所需的復(fù)雜計算過程導(dǎo)致的。質(zhì)量法校準(zhǔn)響應(yīng)時間相對較短，表現(xiàn)出更好的實時性和穩(wěn)定性。

通過多次實驗數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量法校準(zhǔn)在響應(yīng)時間方面表現(xiàn)出更短、更為穩(wěn)定的特性，適用于需要快速捕捉流量變化的場景。體積法校準(zhǔn)所需的測量時間相對較長，主要是因為測量計算過程相對復(fù)雜，這限制了其在實時性上的表現(xiàn)。本次實驗為加氣站流量計校準(zhǔn)選擇合適的方法提供了實證支持。

4結(jié)束語

為了全面提升加氣站流量計校準(zhǔn)的效率和準(zhǔn)確性，為工業(yè)和能源領(lǐng)域提供更為可靠的流量測量解決方案。本文通過對比體積法校準(zhǔn)和質(zhì)量法校準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量法校準(zhǔn)在提高流量計精度方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。質(zhì)量法校準(zhǔn)不僅能夠更準(zhǔn)確地捕捉流量變化，還具有更小的誤差波動，表明其在實際應(yīng)用中更為可靠。另外，質(zhì)量法校準(zhǔn)在響應(yīng)時間上表現(xiàn)更為迅速，對于需要快速響應(yīng)流量變化的實際應(yīng)用場景具有重要意義。未來通過實地驗證和推廣應(yīng)用，可將研究成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，為行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

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【作者簡介】

陳金虎，男，1975年出生，高級工程師，研究方向為計量檢測技術(shù)。

（編輯：李加鵬）