加气站流量计校准方法与精度提升研究

加气站流量计校准方法与精度提升研究作者：***
来源：《品牌与标准化》2024年第03期
【摘要】本文利用MEMS传感器获取加气站流量计中大量的数据，建立流量计校准模型，结合多元线性回归、神经网络等方法拟合海量数据，以提高校准的准确性，另外明确了传感器的安装位置和安装条件。

结果表明，采用MEMS传感器获取流量计数据并结合高效的建模方法，是一种可行的流量计校准方案。

【关键词】流量计；体积法；质量法；MEMS传感器；校准
【DOI编码】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
1.1体积法校准
体积法校准是通过測量流体通过流量计的时间和流速从而计算体积的方法[1]。

该方法的基本原理是，通过一个标准容器收集一定时间内的天然气，并记录流量计的读数，然后对比两者的数据，计算出流量计的准确读数。

使用体积法校准首先要确定标准容器的体积，并确保其密闭；其次要将流量计安装在相应的管道上，让天然气流过流量计，同时记录流量计的读数和校准容器中天然气的体积；最后通过对比实际流过流量计的气体体积和流量计读数，计算出流量计的误差。

体积法校准是一种相对简便和直观的校准方法，且不依赖于被测介质的性质，适用于各类气体流量计的校准。

同时体积法校准能够全面考察流量计在实际工作条件下的性能。

然而，体积法校准是利用标准容器的体积进行校准。

标准容器本身的精度和密闭性会直接影响校准结果的准确性。

体积法校准还需要使用较为复杂的设备，且操作时间较长，相比于其他校准方法可能会耗费更多的资源和成本。

另外，体积法校准的周期较长，难以实现对流量计实时性能的监测。

1.2质量法校准
质量法校准是通过测量流经流量计气体的质量，评估流量计的准确性和稳定性[2]。

与体积法校准相比，质量法校准更加直接，适用于各种气体流量计，且能够在相对短的时间内完成[3]。

使用质量法校准首先需要选择合适的质量流量计或者引入标准质量计量设备；其次将被测流量计安装在流体管道上，让天然气流经流量计，通过质量流量计测量流经气体的质量；最后通过对比流量计的读数和质量流量计的测量结果，计算出流量计的校准误差。

质量法校准的优势之一是其适用于对不同类型的气体流量计进行校准，操作相对简单，且具有较高的实时性，有助于及时了解流量计的性能状况。

使用质量法校准时要选择适用的质量流量计，其精度和范围要满足被测流量计的要求。

另外，质量流量计的校准周期相对较短，需要进行更频繁的校准以确保其测量的准确性。

这种频繁的校准操作对加气站的日常运营管理提出了额外的要求，
2.1建立流量计校准模型
随着科技的不断发展，微机电系统（MEMS传感器）逐渐应用于流量计领域。

MEMS传感器的引入为提升流量计的测量精度提供了新的可能性。

作为高灵敏度、微型化的传感器，MEMS传感器能够更精细地感知流体流过的变化，但其输出受到多种因素的影响，如温度、压力等[4]。

因此，亟须建立校准模型，以消除这些外部因素对传感器输出的干扰，从而保障流量计测量结果的准确性和可靠性。

常用的建模方法包括多元线性回归、神经网络等。

这些方
法能够将实验数据与流量计的真实值关联起来，充分考虑各种影响因素的复杂交互作用。

通过精心选择模型参数，使得模型更好地拟合实验数据，提高校准的准确性。

验证和调整模型是建模过程中的关键步骤。

将新的实验数据输入已建立的模型中，对比模型输出结果和实际测量值，评估模型的性能。

如果存在较大的误差，需要调整模型参数，甚至重新选择建模方法，这一迭代过程直至获得满意的校准模型。

2.2传感器的安装和校准
传感器的安装和校准是关键环节，直接影响流量计测量的准确性和稳定性。

传感器通常被安装在流体管道的特定位置，确保其能够准确测量气体流量。

安装位置的选择应综合考虑流体的流动特性、传感器响应时间以及流量计的实际工作条件。

一般而言，安装在介质流速较高的位置可以更准确地反映气体的流动情况，但也需要注意避免局部湍流和其他因素的影响。

传感器的校准是确保流量计精度的重要步骤。

校准过程旨在调整传感器的输出，使其与实际气体流量相匹配。

校准需要在实验室或者标准流量管道中进行，通过与已知流量值进行比对，逐步调整传感器的输出。

这一过程不仅需要高精度的标准设备，还需要仔细记录和分析校准结果，以保证校准结果的准确性和可追溯性。

在传感器校准中，温度和压力的变化是需要特别考虑的因素。

气体的密度会随着温度和压力的变化而发生变化，进而对传感器的输出产生影响。

因此，在校准过程中需要模拟不同的温度和压力条件，确保传感器在各种工况下都能够提供准确的测量结果。

2.3工作流程
建立流量计校准模型并对其优化，然后进行实地校准验证。

选择代表性的加气站作为测试点，按照先前明确的传感器安装条件，在实际工作环境中进行校准。

通过实地校准可以验证所提出的方法在真实场景中是否适用及测量是否准确。

根据实验数据的结果分析和效果评估，对校准模型和方法进行优化调整，通过不断优化，提高校准模型的适应性和通用性，以适应不同型号和规格的加气站流量计。

在验证了改进后的校准方法的有效性和实用性后，将研究成果推广应用到其他加气站的流量计校准实践中。

另外，还要通过培训和技术支持，确保新方法能够在实际应用中得到广泛采用，推动加气站流量计校准领域的技术升级和改进。

3.1测量精度分析
在标准的流量计校准实验室进行校准时，在确保温度和压力等环境条件稳定的前提下，采用先进的MEMS传感器进行流量计的校准。

实验设备包括标准流量计、待校准流量计、MEMS传感器、温度控制系统和压力控制系统。

在测量精度分析中，采用两种对比方法，即传统体积法和新型质量法。

传统体积法校准是流量计校准的常规方法，其通过测量气体流经流量计的体积来进行校准。

而新型质量法校准则是利用质量流量计测量气体的质量，并与流量计的读数进行比较，以提高校准的准确性。

表1为测量精度结果分析。

在实验次数为1时，体积法校准结果为50.2 m3，误差为-
0.2%。

在这个实验中，体积法校准表现较为准确，误差较小。

在实验次数为6时，体积法校准结果为50.1 m3，误差为-0.8%。

这个实验中体积法校准误差较大，可能受到外部环境因素的影响。

在实验次数为3时，流量计读数为50.1 m3，体积法校准结果为50.5 m3，质量法校准结果为50.2 m3。

在这个实验中，质量法校准结果更接近实际流量计读数，相对体积法校准更为准确。

在多数实验中，质量法校准的误差相对较小，表现更为稳定。

由于质量法对环境因素的响应较为平稳，有助于提高流量计的测量准确性。

在某些实验中，体积法校准的误差较大，受到环境因素的影响，如温度和压力的变化可能导致体积法校准的不稳定性。

流量计的读数与质量法校准结果更为接近，说明质量法校准对于提高流量计读数的准确性具有优势。

3.2响应时间分析
选择具有高灵敏度和较快响应时间的MEMS传感器，确保其能够准确地捕捉流量计变化。

在实验期间，确保实验室环境的温度、湿度等参数保持稳定，同时确保加气站流量计在实验前处于正常工作状态，以获得准确的响应时间数据。

采集实验过程中的数据，对比体积法校准和质量法校准，并关注MEMS传感器的响应时间，如表2所示。

在第1次实验时，体积法校准响应时间为20.2 ms，相对较长，质量法校准响应时间为18.5 ms，相对较短。

质量法校准在实验次数为1时表现出更短的响应时间，由于其对流量变化的灵敏度更高，能够更迅速地捕捉到变化。

在第5次实验时，体积法校准响应时间为20.3 ms，仍然相对较长，质量法校准响应时间为18.2 ms，相对较短。

质量法校准在实验次数为5时依然显示出较短的响应时间，进
一步强调了质量法校准的快速响应特性。

而在第8次实验时，体积法校准响应时间为20.4 ms，保持在较长的水平。

质量法校准响应时间为18.6 ms，相对较短。

质量法校准在实验次数为8时依然呈现出较短的响应时间，进一步验证了质量法校準在瞬时流量变化中的效果。

体积法校准响应时间整体较长，波动较大，这是由于其测量流量变化所需的复杂计算过程导致的。

质量法校准响应时间相对较短，表现出更好的实时性和稳定性。

通过多次实验数据对比可以发现，质量法校准在响应时间方面表现出更短、更为稳定的特性，适用于需要快速捕捉流量变化的场景。

体积法校准所需的测量时间相对较长，主要是因为测量计算过程相对复杂，这限制了其在实时性上的表现。

本次实验为加气站流量计校准选择合适的方法提供了实证支持。

为了全面提升加气站流量计校准的效率和准确性，为工业和能源领域提供更为可靠的流量测量解决方案。

本文通过对比体积法校准和质量法校准的实验数据，发现质量法校准在提高流量计精度方面表现更为优越。

质量法校准不仅能够更准确地捕捉流量变化，还具有更小的误差波动，表明其在实际应用中更为可靠。

另外，质量法校准在响应时间上表现更为迅速，对于需要快速响应流量变化的实际应用场景具有重要意义。

未来通过实地验证和推广应用，可将研究成果转化为实际生产力，为行业的可持续发展贡献力量。

【参考文献】
[1]葛秀杰，高雅，李德兴，等.等温滴定量热仪的校准方法与程序实现[J].仪器仪表学报，2021，42（2）：1-9.
[2]黄敏，任佳，陈密.质量时间法标准装置技术改进与初步性能测试[J].石油与天然气化工，2023，52（4）：110-115，121.
[3]潘旭东，赵伟国，章圣意，等.基于高精度时差法的气体超声流量计研究[J].传感技术学报，2023，36（3）：490-496.
[4]彭时秋，朱赛宁.MEMS微压压力传感器的灵敏度优化[J].光学精密工程，2022，30（13）：1582-1590.
【作者简介】
陈金虎，男，1975年出生，高级工程师，研究方向为计量检测技术。

（编辑：李加鹏）。