CN107300404A - 天然气流量计检定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气流量计检定系统，包括数据采集处理系统、快速总线控制器、检定服务器、检定管理工作站、检定操作员工作站和打印机。本发明提供的集检定管理、计算、控制为一身的现代化大流量计量站流量计检定软件，具有高精度脉冲信号采集、快速总线数据读取、标准装置n阶多项式修正等技术，并且成为能够进行检定级别的次级临界文丘里喷嘴流量计算的系统。

Description

天然气流量计检定系统

技术领域

本发明属于自动化控制与信息技术领域，特别涉及一种天然气流量计检定系统。

背景技术

在天然气流量计检定方面，欧美国家也一直处于领先地位，近几年,国外天然气流量计的检定从重视干标法逐步过渡到实流检定，并且相继出现许多实流检定实验室,如荷兰国家计量研究院(NMI)、加拿大输气校准公司(TCC)、德国(Pigsar)公司、美国科罗拉多工程实验室(CEESI)、美国西南研究院(SWRI)的气体研究所等。

为了完善计量体系建设，开展中国天然气大流量实流检定业务，国内也相继建立了国家石油天然气大流量计量站华阳分站、国家石油天然气大流量计量站南京分站。然而，各实流检定站的标准装置和检定系统均由美国CEESI、Emerson以及德国Elster等国外公司垄断，国内一直未能掌握检定系统核心技术和知识产权。

随着天然气等清洁能源的开发，我国油气产业的“黄金发展期”到来，我国天然气使用量不断攀升，贸易交接用流量计的实流检定需求数量也迅速增长。为了满足国内的市场需求，打破天然气大流量计量站检定系统的国外垄断局面，同时开辟公司市场新的增长点，经公司研究讨论，决定自主研发一套以实流检定算法为核心，集成检定流程管理和流量辅助控制为一体的，具有国内自主知识产权的流量计检定系统。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供的集检定管理、计算、控制为一身的现代化大流量计量站流量计检定软件，在高精度脉冲信号采集、快速总线数据读取、标准装置n阶多项式修正等技术方向，已经达到国际先进水平，并且成为国内唯一能够进行检定级别的次级临界文丘里喷嘴流量计算的系统，在近五年来国内新建的天然气大流量计量站的占有率超过80％。

本发明提供的流量计检定系统与其他产品相比，支持多种被检天然气流量计类型(超声、涡轮、差压、质量型、容积式、旋进漩涡等6种)，支持高速频率(10kHz×400s)的累计脉冲采集；系统的次级临界文丘里喷嘴天然气流量计算软件能够根据ISO9300:2005规定的方法，完成喷嘴的瞬时流量计算；并创新采用了国际先进的n阶多项式修正法，代替传统的线性修正方式，协助业主通过了国家计量行政主管部门计量标准考核，次级标准装置不确定度优于0.25％，工作级标准装置不确定度优于0.33％。总线信号采集周期为达到0.5s以内，内置对标准表、被检表、变送器的多种修正方式，并且对于流量压力有自动调节功能，能在5分钟内达到设定值，稳态精度达到1％。

天然气流量计检定软件具有以下特点：

支持多种被检流量计

国内现有系统通常只能支持超声流量计和涡轮流量计，无法完成其他类型的被检流量计的检定工作，但本发明提供的产品支持多种被检天然气流量计类型，包括超声、涡轮、差压、质量型、容积式、旋进漩涡等6种类型的流量计的采集与计算，最终完成其检定工作。

总线数据读取

现场工作级标准装置和检定台位所有计算用压力和温度变送器均通过FF总线协议接入检定系统，在检定过程中数据采集系统每0.5s对数据进行一次采集存储，远高于现有计量站的4.8s一次。检定软件中针对压力或者温度变送器带多达10点的多点修正功能以确保测量精度(需业主提供相关变送器检定数据)，每个变送器的实时报警状态显示在屏幕上。

脉冲/频率采集

现场工作级标准装置中的涡轮和超声流量计，以及检定台位被检流量计脉冲/频率信号由计时计数器采集，脉冲/频率的采集不确定度不低于0.01％，频率采集范围能覆盖0.1～10kHz，数据更新周期0.5秒；而目前国内计量站检定系统最大检定频率只能达到5kHz，数据更新周期为2秒以上，并且通常只具有脉冲累积量采集功能，无法进行频率信号采集。

支持次级临界文丘里喷嘴流量计算

对于临界流文丘里喷嘴(这是一种检定中的装置，所以对于它要有相应的计量算法，称之为临界文丘里喷嘴流量计算)，当满足上下游压差达到一定时，喉部流速会达到最大流速，此时如果保持喷嘴入口压力不变，下游压力的变化不会改变流速，因此称为临界流。临界流文丘里喷嘴的精度高，并广泛应用于航空、汽车、能源和计量等行业。

检定回路流量调节

产品具有压力流量自动调节功能，调节时间小于5分钟，稳态精度达到0.5％，并且具有检定流程网络流转和证书自动打印功能，能够简化实际的流量计检定工作，提高检定综合效率35％以上。同时，系统的核查表在线诊断功能和变送器多点修正功能，可以有效降低标准器和变送器的送检频率。电流信号

标准器修正方式

对于检定系统标准装置，系统支持流量计、温度变送器、压力变送器的多种修正方式选择：普通线性修正、二维线性修正、多项式修正有三种方式来减小整个装置的不确定度，保证整个标准装置的不确定度在0.32％以内。

附图说明

图1为计量检定系统拓扑结构图；

图2为脉冲同步采集系统拓扑图；

图3为脉冲修正系统拓扑图；

图4为标准器检定校准脉冲型流量计计算流程图解；

图5为标准器检定校准电流型流量计(4-20mA流量)计算流程图解；

图6为标准器检定校准485流量计计算流程图解；

图7为标准器检定校准孔板流量计计算流程图解；

图8为标准器检定校准质量流量计计算流程图解；

图9为次级临街文丘里喷嘴的流量计算流程图解；

图10为检定系统软件结构图；

图11为检定系统数据流向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的天然气流量计检定方法采用的硬件环境，如图1所示，主要包括数据采集处理系统、FF总线控制器、检定服务器、检定管理工作站、检定操作员工作站、打印机等。现场仪表数据通过总线控制器及采集处理系统将数据采集上传至检定服务器，检定操作员工作站和检定管理工作站分别从检定服务器获取采集数据，并分别在检定操作员工作站完成检定操作，在检定管理工作站完成管理流程操作，并最终通过检定管理连接打印机，出具检定证书。

本发明实施例提供的系统各项实现的技术方案将如下详细说明。

1、高频脉冲多路同步累计采集

为了保证同步性，系统采用硬件触发方式完成脉冲信号采集，以保证多路脉冲采集的同步性，在系统各个采集卡的第一个数字量输入通道，输入高电平触发多个采集卡同时开始信号采集，采集完成后，输入低电平同时结束各路脉冲信号采集，硬触发方式可保证脉冲信号采集同步性达到20ms以内。

脉冲信号采集完成后，系统采用非整脉冲修正方式，通过已采集到的第一台标准装置的整脉冲数及整脉冲时间，计算得出在此时间内其他标准装置及被检流量计的非整脉冲数，用于最终的检定结果计算，使得脉冲采集精度达到0.01％以内，从而提高整个系统精度。

关于脉冲同步采集方案，脉冲信号采集采用硬件方式控制采集闸门，使用高速脉冲采集卡(本实施例中采用PXI-6238采集卡)的DO信号作为每个PXIe-6612脉冲采集卡的硬件触发信号，各脉冲采集卡收到触发信号的上升沿时，同时开始对现场所有使用的脉冲信号进行采集，收到触发信号的下降沿时停止采集。

图2为从PXI-6238采集卡接出的DO通道，该通到输出为5V电平信号，将该通道输出的5V电压信号同时接入其他15块脉冲采集的的PFI0/P0.0电平检测通道，创建采集任务时各脉冲采集通道检测到各自脉冲采集卡的PFI 0/P0.0由低电平变为高电平时开始采集任务，当各脉冲采集卡收到高电平转为低电平时停止采集，这样可以保证所有脉冲采集卡同时开始和同时结束脉冲采集。

关于脉冲修正方案，数据采集系统控制脉冲采集卡在硬件触发设定的时间(T_trigger)内采集流量计发出的脉冲信号，不仅包括标准流量计的脉冲输出信号，也包括被检流量计的脉冲输出信号。以脉冲采集为例(见图3)，脉冲信号的上升沿触发脉冲采集卡开始时间(t1)，并且开始累积经过的脉冲，在采样时间结束以后，脉冲采集卡由最后一个脉冲的上升沿触发测量得到一个结束时间(t2)并且得到采样时间内的累积脉冲总和(N)，以及整脉冲时间(T1)。通过修正后脉冲数，可以估算出所采集流量信号的脉冲数的非整部分，保证所有路脉冲采集的累积时间相同，提高脉冲采集的精确度。

关于模拟量信号采集方案，通常模拟量信号比较容易受到干扰，为了提高模拟量数据采集的可靠性方案采用数字滤波的方式减小干扰带来的误差，PXI-6238采集卡最大采样频率为250KS/s，即每个通道每秒可以完成250,000个采样。为了保证测量精度，方案采用在一个采集周期内进行1000次采样(0.5s)，通过加权平均滤波的方式，得出本周期的采样值，然后每次检定的多个采样值按照标准《GB/T 4883-2008数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理》规定的方法，采用格拉布斯检验法依次进行数据异常值剔除，去除不合理的模拟量点，减小干扰给检定计算带来的影响。

2、流量计的修正模型的确定

对于检定系统标准装置(计量标准的要求)，系统采用国际先进n阶多项式修正法，代替传统的线性修正方式，通过对标准装置K-Re参数的修正，使用最小二乘法完成多项式系数计算，并带入多项式后计算得出标准装置在不同工况下的K系数，用于实际检定过程中标准装置的流量计算，保证整个标准装置的不确定度在0.32％以内。

3、算法实现及精度确定

检定算法分别与国家石油天然气大流量计量站南京分站检定系统、Pigsar计算数据分别做比对，误差均在0.05％以内，并且每一步计算都经过了行业内专家的逐步验算确定了系统的准确度。

在次级算法的实现上，根据临界流文丘里喷嘴的计算标准(ISO9300、GB/T 21188-2007)，计算过程涉及流体滞止条件、天然气声速、临界流系(函)数、等熵指数、喉部温度等计算，算法复杂，目前国内正式运行的次级检定(检定中分为原级、次级、工作级三个级别的检定，精度不同)系统，均为国外公司完成。本软件在广州实施的次级检定系统，攻克了临界流喷嘴计算的难点，是国内首个完全自主研发的次级检定系统。通过与南京站次级检定系统的对比，计算结果相吻合，验证了本系统计算结果的可靠性。

关于检定校准流量计的计算流程的实现，如图4-9所示。以下各公式中的符号意义说明：

N为脉冲数

f为频率

N’为修正后脉冲数

K为流量计系数

q为瞬时流量

Q为累积流量

Z为压缩因子

E为误差

F为被检表流量

F₀为标准表流量

下标：f为被检表、n为标准表。

其中：

图4为标准器检定校准脉冲型流量计计算流程图解；

图5为标准器检定校准电流型流量计(4-20mA流量)计算流程图解；

图6为标准器检定校准485流量计计算流程图解；

图7为标准器检定校准孔板流量计计算流程图解；

图8为标准器检定校准质量流量计计算流程图解；

图9为次级临界文丘里喷嘴的流量计算流程图解，次级标准装置临界流喷嘴的瞬时流量计算完全按照《GBT 21188-2007用临界流文丘里喷嘴测量气体流量》规定的方法计算。临界流文丘里喷嘴俗称音速喷嘴，又称临界流喷嘴。主要应用于流量标准的传递、气体流量测量和流量系统最大流量的限制。气流流经文丘里喷嘴时，当气流处于亚音速，文丘里喷嘴喉部的气体流速将随上下游的压力差(即文丘里喷嘴入口压力P0与文丘里喷嘴出口压力P1之差)的增大而增大。当上下游的压力差增加到一定值时，文丘里喷嘴喉部流速达到最大流速——当地音速，即达到临界流，此时，如果P0不变，再减小P1流速将保持不变，也就是说，流速不再受下游压力的影响。此时的文丘利喷嘴称为临界流文丘利喷嘴，又称音速喷嘴，此时的P0称为滞止压力，P1与P0的比值称为临界压力比。

关于核查表对标准表的核查，在同一测试点执行标准表和核查表之间的体积对比。由于超声波流量计的稳定性比涡轮流量计相比波动较大，在短时间测量的有一定的核查误差是可能存在的，所以在此将核查误差值设定为0.5％，即标准表与核查表的流量误差超过0.5％则提示报警。流量点的每一次检定完成后，检定计算软件将核查超声流量计的流量转换到标准涡轮流量计的工况条件进行流量比对，若偏离预设定值则弹出报警信息告知操作人员核查偏差较大。

关于非脉冲流量计的流量计算，对于485输出型的流量计通常需要直接利用瞬时流量并把其作为初级测量。在这种情况下，根据以下公式计算流量：

q_mi Single flow rate transferred by the meter

l_mc Number of transferred flow rates by the meter during the measuringcycle

对于485输出型流量计数据采集系统可以处理多种常用的协议例如Elster、SICK、RMG、DANIL，支持常用的接口类型例如RS485、RS422以及RS232。

对于电流输出型流量计通过电流采集卡进行采集，每个采集周期(0.5s)进行1000个采样并进行加权求均值，然后对每个流量点的每次检定的所有采集点按照标准《GB/T4883-2008数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理》规定的方法，采用格拉布斯检验法依次对异常值进行数据剔除。用下式计算电流输出性流量计的流量：

mA为每次检定采集的平均电流值

q_max为流量计输出20mA时的流量

q_min为流量计输出4mA时的流量

关于次级临界流文丘里喷嘴流量计算，本发明还包括以下几个方面：

1)流体滞止条件的计算

在计算喉部声速时，需要用到流体滞止条件下的温度、压力。目前国内通常的做法是在喷嘴上游增加联通装置，用联通装置的温度压力代替，或者直接取喷嘴上游的压力或温度作为滞止条件，从而影响计算不确定度。而在标准(ISO 9300、GB/T 21188-2007)中也未给出滞止条件的计算方法，本系统则是根据(ASME MFC-7M-1987，Measurement of GasFlow by Means of Critical Flow Venturi Nozzles),通过迭代计算出滞止条件。

2)天然气声速、临界流系(函)数、等熵指数计算

该部分计算依据的标准是AGA10，其计算过程复杂，本系统根据AGA10报告实现的计算程序，计算结果与AGA10给出的验证例子完全吻合。

3)流出系数计算

目前南京站次级检定系统中，流出系数的计算采用的是线性插值方法，而本系统除提供了现行标准(ISO 9300、GB/T 21188-2007)规定的abn方法外，还提供了多项式插值方法，保证标准装置整体的不确定度在0.2％以内，提高系统检定精度。

同时，针对次级标准喷嘴，系统提供Cd-Re的二维线性差值和n阶多项式两种可选的修正方式，保证标准装置整体的不确定度在0.2％以内，提高系统检定精度。

经过在各检定站点的应用，本系统也在不断调整优化已经趋于成熟。随着国内天然气产业的进一步发展，天然气应用越来越广泛，用于贸易交接的天然气流量计数量也会增多，造成流量计检定需求不断增加。天然气计量站的建立可提高我国对高压、大口径天然气流量计的检测能力，为高压、大口径天然气流量计的检测、贸易交接天然气的准确计量提供物质保证和技术支撑。同时也能够降低各地天然气因组分差异导致的计量误差，节省流量计使用单位送检费用，缩短溯源过程的时间。所以大流量检定系统的应用前景非常广阔。

此外，目前天然气流量计的实流检定代替空气干标法已经是趋势，各省计量院、油田也在着手建立相应的实流检定站和实验室，例如西气东输武汉检定点、中石油长庆油田计量站以及各省计量院的大流量计量站也已经在筹备建设中，本发明的检定系统凭借强大的功能、优越的性能，以及良好性价比等特点，必定能够继续推广到各个实流检定站点，为国家天然气计量事业做出贡献。

目前国内同类产品功能单一，技术水平还停留在国外90年代水平，自动化程度较低，并且只能支持工作级检定，无法完成次级喷嘴流量计算。本发明的产品与国内其他公司产品比较，具有以下特点：

表1.产品特性表

天然气流量计检定软件所能达到的效果：

第一：对公司的贡献，流量计检定系统经过多年来的不断完善，已经形成成熟度高、可组态配置、方便实施的模块化产品。从2011年至今，为公司带来了超过2500万元的效益，开辟了公司该业务领域市场的新的增长点，也为后期的其它类似项目的开展打下了坚实的基础。随着大量天然气计量检定站点陆续新建，将给公司带来更多的合同额，创造更多的利润。同时，对公司也是一种技术累积更新。

第二：提高检定效率，本软件具有压力流量自动调节功能、检定流程网络流转功能、证书自动打印功能，能够简化实际的流量计检定工作，将计量站流量计日均检定数量从3.1台提升到4.2台，每年检定台数增加300台以上，综合检定效率提高35％。

第三：降低运营成本，检定系统的核查表在线诊断功能和变送器多点修正功能，可以有效降低标准器和变送器的送检频率，每年能为每个计量站节省约9万元检定费用，五年来，累计为各大天然气计量站节省成本近100万元。

第四：减少建设投资，检定系统国产化之后，计量站的系统建设投资能够降低40％以上，系统成本从原来进口的每套1000多万降低到目前的600万左右，能够为国内的大流量天然气计量站工程节省大量的投资成本。

本发明所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。计算机可读介质可包括非暂态计算机可读介质(例如，有形介质)。另外，在一些方面，计算机可读介质可包括暂态计算机可读介质(例如，信号)。上述的组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，无需付出创造性劳动所作出的修改或替换，均涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围以权利要求的范围为准。

Claims (5)

1.一种天然气流量计检定系统，其特征在于，包括数据采集处理系统、快速总线控制器、检定服务器、检定管理工作站、检定操作员工作站和打印机，现场仪表数据通过总线控制器及采集处理系统将数据采集上传至检定服务器，检定操作员工作站和检定管理工作站分别从检定服务器获取采集数据，并分别在检定操作员工作站完成检定操作，在检定管理工作站完成管理流程操作，并最终通过检定管理连接打印机，出具检定证书。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述快速总线控制器包括的压力变送器和温度变送器均通过FF总线协议接入检定系统，并支持多点修正。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述数据采集处理系统采用硬件触发方式完成脉冲信号采集，并于脉冲信号采集完成后，采用非整脉冲修正方式计算修正脉冲精度。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述数据采集处理系统采用n阶多项式修正法进行修正。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述流量计类型包括超声、涡轮、差压、质量型、容积式、旋进漩涡式。