能源流量計量過程控制技術的研究

　　流體計量技術主要應用于我國石油等能源尤其是流體能源的開采過程中，由于其應用的廣泛性，有必要對這種技術進行系統的分析研究。本文先是就流量計量技術的原理和相關系統的構成進行闡述，接著重點就流量計量過程控制技術中如何實現流量計量標準的短期評價進行分析，建立了流量計量過程圖并對其作用和意義進行探討。

　　《能源研究與信息》(季刊)1985年創刊，以及時報導政府在能源領域的新政策、新規劃以及當前國內外常規能源、新能源、節能技術與環境保護等有關方面的研究、開發、應用的最新動態和研究成果為宗旨，迅速反映國內外能源研究的技術動態和最新信息。

　　在石油、天然氣等能源開采過程中，對這些流體進行流量計量來了解開采量等相關指標是很關鍵的步驟。由于流體特別是多相流體具有隨機性和復雜性等特點，對流量計量的精確度要求越來越高，為使流量計量更準確、重復性更高，目前對于流量計量技術的相關研究是一個熱點。

　　一、流量計量技術的原理和相關系統的構成

　　1流量計量技術的原理

　　流量計量的原理是假設流體內部隨機干擾，當流體流過兩個傳感器時，第一個傳感器所接收的信號是延滯時間τ，計算器調整模型延滯時間，使得兩個傳感器之間的時間T和τ相等，此時延滯信號u1(t-τ)和第二個傳感器接收的信號u2(t)=(t-τ)相等。由于剛才將到的假設情況存在，這時流體會由于壓力、帶電荷量、流體速度、流體溫度、流體的導電情況、流體的粘度和波動性等等對傳感器提供一定的具有統計性質的信號，這時系統的監視器和計算器就會通過測定這個信號在兩個截面間運行的時間實現確定流體的流量的目的。

　　2流量計量系統的構成

　　2.1流動噪聲信號傳遞系統

　　流動噪聲信號傳遞系統負責為流體提供一個流動的場所，在經過這個場所時能夠將流動時產生的信號釋放出來，供流動噪聲信號檢測系統檢測。流動噪聲信號傳遞系統中最關鍵的部件是流動噪聲信號傳遞管道，流體從中流過，然后其他系統才能發揮各自的功能作用。

　　2.2流動噪聲信號檢測系統

　　該系統是由剛才提到的傳感器以及測量管段、信號的放大濾波等環節構成。主要作用是當流動噪聲信號傳遞管道中通過時，接收流動時所產生的信號，并將信號進行放大、調節以及濾波等處理，然后傳遞給檢測系統進行檢測。其中關鍵部件是流動噪聲敏感器，它能夠靈敏的捕捉到流體的波動信號，通過其他組件的配合將信號放大提取出來，以供下一個系統的處理。

　　2.3測量系統

　　測量系統的主要作用是將放大過濾的信號進行進一步處理，主要是比較流體經過第一個傳感器和第二個傳感器時，信號的相似性，從而計算出經過此管路的平均的傳遞時間，從而實現對流量的測定。測量系統其實是將被測流體的體積平均流速和流量之間建立了參數模型，然后對該模型進行一些定性和定量的分析，進而獲得所需的結果。

　　盡管流量計量技術已經相對成熟，但由于流量計量過程容易受到許多因素如溫度、操作人員的不同等的影響，導致流量測量中誤差很大，為使測量流量的過程中最大程度的將誤差值降低到最低值，研究人員制定了流量計量標準，并定期對流量計量標準器進行檢定。以下本文先就流量計量標準的定期評價進行簡單介紹，接著制定了一種流量計量標準的短期評價方法。

　　二、流量計量過程控制技術

　　1流量計量標準的定期評價

　　在流量計量標準的定期評價中，流量計量標準器的不確定度的評價是其中最為關鍵的一個指標。以下就流量計量的不確定度的評價方法進行詳細介紹。

　　1.1計量不確定度的涵義

　　計量不確定度是指在計量的檢定規程或是計量技術規范規定的條件下進行檢定時所得結果的測量不確定程度。一般可用U來表示。

　　1.2計量不確定度的評定步驟

　　1.2.1給出被測量，必要時也需給出被測量的定義以及整個測量過程的簡單描述。

　　1.2.2給出用以評定計量不確定度的數學模型，數學模型是指：被測量Y與各輸入量Xi之間的函數關系，若被測量Y的測量結果為y，輸入量Xi的估計值為xi，

　　則有：

　　y=f(x1，x2，…，xN)

　　數學模型中應包括對測量結果及其不確定度有影響的所有輸入量。例如，在量塊比較測量中，被測量塊長度L的測量結果計算公式為：

　　L=Ls+d

　　式中：Ls——標準量塊在參考溫度20℃時的長度;

　　d——由比較儀測量得到的被檢量塊和標準量塊的長度差。

　　但在測量不確定度評比中需要顧及溫度差異和線膨脹系數差異，此時數學模型為

　　L=Ls+d―Ls•θ•δα―Ls•αs•δθ

　　此數學模型是考慮了溫度和線膨脹系數對測量結果的影響，并經過數學變換而得到的近似式，這樣的數學模型是確定靈敏系數和計算合成標準不確定度的基礎。

　　1.2.3根據數學模型列出各不確定度分量的來源(即輸入量xi)，并要做到不遺漏和不重復。如果所給出的測量結果是經過修正后的結果，注意應考慮由修正值所引入的不確定度分量。

　　1.2.4評定各輸入量的標準不確定度u(xi)，并進而給出與各輸入量對應的標準不確定度分量ui(y)。根據各輸入量的標準不確定度u(xi)，并通過由數學模型得到的靈敏系數ci，可得到各標準不確定度分量ui(y)。對量xi作ni次獨立重復測量，得到測量結果為xik(k=1，2，…，ni)，則：

　　單次測量xik的標準不確定度為：

　　估計值xi的標準不確定度為：

　　1.2.5計算合成標準不確定度uc(y)。合成標準不確定度uc(y)的計算：

　　式中：xi，xj——輸入量，i≠j;

　　ci，cj——偏導數，又稱為靈敏系數;

　　u(xi)，u(xj)——分別為輸入量(xi)和(xj)的標準不確定度;

　　r(xi，xj)——輸入量xi和xj之間的相關系數估計值。

　　1.2.6確定擴展不確定度U。根據公式：U=kuc，一般k取2或3給出擴展不確定度。

　　1.2.7給出測量不確定度報告。

　　2流量計量標準的短期評價方法

　　2.1制定計量的過程控制圖

　　2.1.1針對實際情況，選擇需要檢查的計量標準器。在裝置、測量環境、測量方法及測量人員相同的情況下，進行三個月的重復試驗，而后經過計算(根據下面的公式進行計算)可得到6個樣品的標準偏差，分別是s1—s6。[!--empirenews.page--]

　　公式是:s=

　　2.1.2由于得到的s1—s6六個值必須符合公式：s≤U/5，其中U是這個計量標準器的不確定度。將六個值帶入進行驗證，看其是否符合公式，若符合證明這六個標準偏差符合最基本的實驗結果要求，即可進行下一步的計算。

　　2.1.3然后進行合并樣品的標準偏差Sp的計算，公式是：

　　Sp=

　　式中，k——檢查次數。

　　標準偏差的值是必須經過上一步的公式驗證的，否則沒有意義。求Sp主要是為了確定下一步的控制圖的上下限3Sp。

　　2.1.4制定流量計量的過程控制圖

　　控制圖應以3Sp為上下控制限，這是因為只有控制界限在兩個極限差范圍內，出差錯的可能性才小，而極限差=3Sp。制定得到的圖如下，其中X軸代表了取樣時間，Y軸代表質量特性。

　　流量計量過程控制圖

　　在測試時，將測量得到的值的絕對誤差Δx描在控制圖中。這是應該設法找到改變的因素，使計量的過程恢復正常。這種方法可以實現計量過程的控制。

　　2.2流量計量控制圖在實際中的應用

　　為了驗證流量計量控制圖在計量的控制過程中的作用，將舉一實例對其過程和作用進行說明。

　　對某一石油勘探隊的石油量進行流量計量標準器的試驗，半月進行一次試驗，實驗三個月后測得的數據經過公式s=的計算得到了六個值，分別為：s1=0.0014L，s2=0.0016L，s3=0.0017L，s4=0.0015L，s5=0.0014L，s6=0.0015L。根據計量標準器的不確定度0.025L。將這六個值分別代入公式s≤U/5中，驗證以上數據均符合要求。此時根據公式Sp=，計算出Sp=0.00152L。所以該計量過程圖的上下限3Sp=0.005L。然后繪制計量控制圖為：

　　石油計量標準器計量過程控制圖

　　2.3結果討論

　　2.3.1流量計量的過程可以通過合并樣品的標準偏差來達到控制的目的。

　　2.3.2計量過程的重復性驗證時可以直接引用合并的樣品標準偏差即Sp。

　　2.3.3采用合并樣品標準偏差進行流量計量過程的控制是一種簡便而且可行的方法，經驗證效果良好。

　　2.3.4這種方法的重復性和穩定性良好，因此在考核計量過程是否受控時也可使用，只是前提是使用時流量計量標準器應該處于檢驗周期之內。

　　2.3.5合并樣品標準偏差來控制流量的計量過程可以成為流量計量標準的短期評價指標，用于完善現有的流量計量標準，希望能夠引起有關部門的注意。

　　2.3.6這種方法的原理適用范圍廣，可以成為對其他的計量標準器流量測量時的過程控制方法。