关于流量计量过程控制技术的研究

　　摘要：流体计量技术主要应用于我国石油等能源尤其是流体能源的开采过程中，由于其应用的广泛性，有必要对这种技术进行系统的分析研究。本文先是就流量计量技术的原理和相关系统的构成进行阐述，接着重点就流量计量过程控制技术中如何实现流量计量标准的短期评价进行分析，建立了流量计量过程图并对其作用和意义进行探讨。
　　关键词：流量计量；过程控制；研究
　　在石油、天然气等能源开采过程中，对这些流体进行流量计量来了解开采量等相关指标是很关键的步骤。由于流体特别是多相流体具有随机性和复杂性等特点，对流量计量的精确度要求越来越高，为使流量计量更准确、重复性更高，目前对于流量计量技术的相关研究是一个热点。
　　一、流量计量技术的原理和相关系统的构成
　　1流量计量技术的原理
　　流量计量的原理是假设流体内部随机干扰，当流体流过两个传感器时，第一个传感器所接收的信号是延滞时间τ，计算器调整模型延滞时间，使得两个传感器之间的时间T和τ相等，此时延滞信号u1（t-τ）和第二个传感器接收的信号u2（t）=（t-τ）相等。由于刚才将到的假设情况存在，这时流体会由于压力、带电荷量、流体速度、流体温度、流体的导电情况、流体的粘度和波动性等等对传感器提供一定的具有统计性质的信号，这时系统的监视器和计算器就会通过测定这个信号在两个截面间运行的时间实现确定流体的流量的目的。
　　2流量计量系统的构成
　　2.1流动噪声信号传递系统
　　流动噪声信号传递系统负责为流体提供一个流动的场所，在经过这个场所时能够将流动时产生的信号释放出来，供流动噪声信号检测系统检测。流动噪声信号传递系统中最关键的部件是流动噪声信号传递管道，流体从中流过，然后其他系统才能发挥各自的功能作用。
　　2.2流动噪声信号检测系统
　　该系统是由刚才提到的传感器以及测量管段、信号的放大滤波等环节构成。主要作用是当流动噪声信号传递管道中通过时，接收流动时所产生的信号，并将信号进行放大、调节以及滤波等处理，然后传递给检测系统进行检测。其中关键部件是流动噪声敏感器，它能够灵敏的捕捉到流体的波动信号，通过其他组件的配合将信号放大提取出来，以供下一个系统的处理。
　　2.3测量系统
　　测量系统的主要作用是将放大过滤的信号进行进一步处理，主要是比较流体经过第一个传感器和第二个传感器时，信号的相似性，从而计算出经过此管路的平均的传递时间，从而实现对流量的测定。测量系统其实是将被测流体的体积平均流速和流量之间建立了参数模型，然后对该模型进行一些定性和定量的分析，进而获得所需的结果。
　　尽管流量计量技术已经相对成熟，但由于流量计量过程容易受到许多因素如温度、操作人员的不同等的影响，导致流量测量中误差很大，为使测量流量的过程中最大程度的将误差值降低到最低值，研究人员制定了流量计量标准，并定期对流量计量标准器进行检定。以下本文先就流量计量标准的定期评价进行简单介绍，接着制定了一种流量计量标准的短期评价方法。
　　二、流量计量过程控制技术
　　1流量计量标准的定期评价
　　在流量计量标准的定期评价中，流量计量标准器的不确定度的评价是其中最为关键的一个指标。以下就流量计量的不确定度的评价方法进行详细介绍。
　　1.1计量不确定度的涵义
　　计量不确定度是指在计量的检定规程或是计量技术规范规定的条件下进行检定时所得结果的测量不确定程度。一般可用U来表示。
　　1.2计量不确定度的评定步骤
　　1.2.1给出被测量，必要时也需给出被测量的定义以及整个测量过程的简单描述。
　　1.2.2给出用以评定计量不确定度的数学模型，数学模型是指：被测量Y与各输入量Xi之间的函数关系，若被测量Y的测量结果为y，输入量Xi的估计值为xi，
　　则有：
　　y=f（x1，x2，…，xN）
　　数学模型中应包括对测量结果及其不确定度有影响的所有输入量。例如，在量块比较测量中，被测量块长度L的测量结果计算公式为：
　　L=Ls+d
　　式中：Ls——标准量块在参考温度20℃时的长度；
　　d——由比较仪测量得到的被检量块和标准量块的长度差。
　　但在测量不确定度评比中需要顾及温度差异和线膨胀系数差异，此时数学模型为
　　L=Ls+d―Ls•θ•δα―Ls•αs•δθ
　　此数学模型是考虑了温度和线膨胀系数对测量结果的影响，并经过数学变换而得到的近似式，这样的数学模型是确定灵敏系数和计算合成标准不确定度的基础。
　　1.2.3根据数学模型列出各不确定度分量的来源（即输入量xi），并要做到不遗漏和不重复。如果所给出的测量结果是经过修正后的结果，注意应考虑由修正值所引入的不确定度分量。
　　1.2.4评定各输入量的标准不确定度u（xi），并进而给出与各输入量对应的标准不确定度分量ui（y）。根据各输入量的标准不确定度u（xi），并通过由数学模型得到的灵敏系数ci，可得到各标准不确定度分量ui（y）。对量xi作ni次独立重复测量，得到测量结果为xik（k=1，2，…，ni），则：
　　
　　
　　单次测量xik的标准不确定度为：
　　
　　估计值xi的标准不确定度为：
　　
　　
　　1.2.5计算合成标准不确定度uc（y）。合成标准不确定度uc（y）的计算：
　　
　　式中：xi，xj——输入量，i≠j；
　　ci，cj——偏导数，又称为灵敏系数；
　　u（xi），u（xj）——分别为输入量（xi）和（xj）的标准不确定度；
　　r（xi，xj）——输入量xi和xj之间的相关系数估计值。
　　
　　1.2.6确定扩展不确定度U。根据公式：U=kuc，一般k取2或3给出扩展不确定度。
　　1.2.7给出测量不确定度报告。
　　2流量计量标准的短期评价方法
　　2.1制定计量的过程控制图
　　2.1.1针对实际情况，选择需要检查的计量标准器。在装置、测量环境、测量方法及测量人员相同的情况下，进行三个月的重复试验，而后经过计算（根据下面的公式进行计算）可得到6个样品的标准偏差，分别是s1—s6。[!--empirenews.page--]
　　公式是:s=
　　2.1.2由于得到的s1—s6六个值必须符合公式：s≤U/5，其中U是这个计量标准器的不确定度。将六个值带入进行验证，看其是否符合公式，若符合证明这六个标准偏差符合最基本的实验结果要求，即可进行下一步的计算。
　　2.1.3然后进行合并样品的标准偏差Sp的计算，公式是：
　　Sp= 
　　式中，k——检查次数。
　　标准偏差的值是必须经过上一步的公式验证的，否则没有意义。求Sp主要是为了确定下一步的控制图的上下限3Sp。
　　2.1.4制定流量计量的过程控制图
　　控制图应以3Sp为上下控制限，这是因为只有控制界限在两个极限差范围内，出差错的可能性才小，而极限差=3Sp。制定得到的图如下，其中X轴代表了取样时间，Y轴代表质量特性。
　　
　　流量计量过程控制图
　　在测试时，将测量得到的值的绝对误差Δx描在控制图中。这是应该设法找到改变的因素，使计量的过程恢复正常。这种方法可以实现计量过程的控制。
　　2.2流量计量控制图在实际中的应用
　　为了验证流量计量控制图在计量的控制过程中的作用，将举一实例对其过程和作用进行说明。
　　对某一石油勘探队的石油量进行流量计量标准器的试验，半月进行一次试验，实验三个月后测得的数据经过公式s=的计算得到了六个值，分别为：s1=0.0014L，s2=0.0016L，s3=0.0017L，s4=0.0015L，s5=0.0014L，s6=0.0015L。根据计量标准器的不确定度0.025L。将这六个值分别代入公式s≤U/5中，验证以上数据均符合要求。此时根据公式Sp=，计算出Sp=0.00152L。所以该计量过程图的上下限3Sp=0.005L。然后绘制计量控制图为：
　　
　　 
　　石油计量标准器计量过程控制图
　　2.3结果讨论
　　2.3.1流量计量的过程可以通过合并样品的标准偏差来达到控制的目的。
　　2.3.2计量过程的重复性验证时可以直接引用合并的样品标准偏差即Sp。
　　2.3.3采用合并样品标准偏差进行流量计量过程的控制是一种简便而且可行的方法，经验证效果良好。
　　2.3.4这种方法的重复性和稳定性良好，因此在考核计量过程是否受控时也可使用，只是前提是使用时流量计量标准器应该处于检验周期之内。
　　2.3.5合并样品标准偏差来控制流量的计量过程可以成为流量计量标准的短期评价指标，用于完善现有的流量计量标准，希望能够引起有关部门的注意。
　　2.3.6这种方法的原理适用范围广，可以成为对其他的计量标准器流量测量时的过程控制方法。
　　参考文献：
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　　[4]马希金，邵莲.相关流量计量技术综述[J].流体传动与控制，2008，（01）.

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