验证一次和二次流量测量性能

当主要流量测量被用于对交易产品进行计费时，使用次要流量测量(验证仪表)来验证主要流量测量(托管转移仪表)的性能是一种常见的行业实践。使用高精度和可重复的仪器进行一次流量测量，使用精度较低但可重复的仪器进行二次流量测量也是常见的工业实践。

本文讨论了一种分离重复性和精度(偏差偏移)来分析一次流量和二次流量测量性能的新方法。这种新方法旨在帮助了解一次流量测量(PM)和二次流量测量(SM)的性能，而不必假设PM总是准确和可重复的，并确定问题是PM还是SM。当PM和SM之间存在差异时，它消除了校准SM的需要。

背景

对于初次流量测量，工业使用精确且可重复的流量计，通过压力、温度、密度/气相色谱仪等进行补偿，以获得标准单位的流量测量。大多数初级流量测量都需要定期对流量计进行验证，并校准用于补偿流量计读数的其他仪器，以获得标准单位的流量测量。

对于二次流量测量，工业使用精度较低但可重复的流量计，可以通过压力、温度、密度/气相色谱仪等进行补偿，以获得标准单位的流量测量。二次流量测量的目的不是要有一个高度精确的流量计。因此，二次流量测量通常没有定期流量计证明，用于补偿二次流量计的仪器校准频率较低。

应该注意的是，仪器的精度取决于仪器的测量原理、设计、安装和维护。然而，仪器的重复性是所使用的测量技术的固有特征。可重复性定义为绝对恒定流量。然而，在过程工业中，可变流量是常见的。

如果二次流测量的精度(偏差偏移)发生变化，则无需更换、重新校准或重新验证二次流测量，因为乘法器可以使SM读数更接近真实值。然而，如果重复性发生变化，则需要更换二次流量测量，因为这表明SM仪器性能下降。

一般工业惯例是接受液体二次流量测量的重复性为1%，气体二次流量测量的重复性为2%。

当前流量测量方法

过程工业通常使用两种方法来验证流量测量的性能:有时间戳的比较和选定的恒定流量样本。在这两种方法中，都假定主流量测量是准确和可重复的，而二次流量测量的准确性和可重复性正在验证中。这违背了安装二次流量测量的初衷，安装二次流量测量是为了验证一次流量测量，而不是相反。

现将使用现行方法的核查过程说明如下:

带时间戳的比较:

• PM和SM之间的差值是根据时间戳测量值计算出来的。
• SM的可重复性计算方法为PM与SM之差除以SM平均值的标准偏差。

当流量保持在绝对常数或流量变化可以忽略不计时，这种方法效果较好。然而，由于过程工业中的流程可能有中等到显著的变化，这种方法通常指出SM表现不佳。这种方法不会识别PM故障，任何故障都被错误地识别为SM故障。

所选恒流样品:

• 最小和最大流量是从PM时间戳值获得的。
• PM最小至最大流量数据进一步细分为更小的流量范围(箱)。所选的箱子数量应该足够多，这样所选的箱子就包含了代表相当稳定的数据流的数据。在本文所示的示例中，PM最小到最大流量数据被划分为200个箱子。较小的流量范围尺寸(料仓尺寸)的计算方法为最大流量与最小流量之差除以料仓尺寸。
• 确定每个箱子中的计数数量。
• 选择计数最大的容器，因为此容器表示恒定流量周期。每月计费周期的每小时数据——总共720个样本(24小时x 30个日历天)——是可用的。
• 为相同的时间戳提取此bin的SM值。
• 计算这个箱子的SM平均值和标准偏差。
• SM的可重复性是标准差除以SM平均值。

这种方法的缺陷是可重复性验证可能使用更小的样本量，并不能反映整个计费周期二次流量测量的可重复性。这种方法不会识别PM中的故障，任何故障都被识别为SM故障，因为最小流量，最大流量，较小的流量范围，最大计数，都是基于PM值。

以下部分将演示这两种当前方法如何报告恒定流量、中等流量变化和显著流量变化计费周期的流量测量性能。值得注意的是，这两种方法对于恒定流量可以提供相同的结果，但所选的恒定流量样本方法将具有较小的样本量。对于中等流量变化和较大流量变化，两种方法得出的结果可能相互矛盾。所选的恒流样本方法学可能使用一个月720个样本中非常小的样本量。

恒流

图1显示了典型每月计费周期的主要和次要流量测量。调整显示范围后(考虑到不同的工程单位)，可以观察到如下:

• 相当稳定的流量。
• 一次流量和二次流量之间的差异在大多数情况下是一致的。
• 排除偏置差异，一次流量和二次流量测量是相互跟踪的。

表1显示了使用时间戳比较方法对图1所示的同一时期进行测量验证。采用时间戳比较法进行测量验证，二次流量测量重复性为1.28%。根据这一结果，可以得出二次流量测量的重复性在行业公认的气体测量重复性2%以内。

表1:相当恒定流量的时间戳比较

表2显示了采用图1所示的同一时间段的恒流采样方法进行的测量验证。采用所选恒流样品法进行测量验证，二次流测量的重复性为0.64%。基于这一结果，可以得出二次流量测量的重复性在工业公认的气体测量的重复性2%之内。

表2:选取流量相当恒定的恒流量样品

所选的恒流样本方法学使用了720个样本中的28个。时间戳比较方法适用于恒定流量或变化可以忽略不计的流量。这演示了以下内容:

• 假定总理表现良好。

流量变化适中

图2显示了典型每月计费周期的主要和次要流量测量。调整显示范围后(考虑到不同的工程单位)，可以观察到如下:

• 流量变化适中。
• 主流量和二次流量之间的差异在大多数时候是一致的。
• 排除偏置差异，一次流量和二次流量的测量紧密地相互跟踪。

表3显示了使用时间戳比较法对图2所示的同期进行测量验证。采用时间戳比较法进行测量验证，二次流量测量重复性为2.91%。基于这一结果，一些公司可能会对二次流量测量进行维护，因为其重复性大于行业公认的气体测量的2%重复性。

表3:时间戳比较(流量变化适中)

表4显示了采用图2所示的同一时间段的恒流采样方法进行的测量验证。采用所选恒流样品法进行测量验证，二次流测量重复性为1.11%。根据这一结果，可以得出二次流量测量的重复性在行业公认的气体测量重复性2%以内。

表4:所选恒流样品方法结果

这两种方法产生了相互矛盾的结果。时间标记比较方法表明，SM的性能不在行业可接受的2%范围内，而选定的恒定流量样本方法表明，SM的性能在行业可接受的2%范围内，基于720个样本中的18个。这演示了以下内容:

• 假定总理表现良好。

显著的流量变化

图3显示了典型每月计费周期的主要和次要流量测量。调整显示范围后(考虑到不同的工程单位)，可以观察到如下:

• 显著的流量变化。
• 一次流量和二次流量之间的差异在大多数情况下是一致的。
• 排除偏置差异，一次流量和二次流量测量大部分时间是相互跟踪的。

表5显示了使用时间戳比较方法对图3所示的同一时期进行测量验证。采用时间戳比较法进行测量验证，二次流量测量重复性为6.65%。基于这一结果，一些公司可能会对二次流量测量进行维护，因为其重复性大于行业接受的气体测量的2%的重复性。

表5:显著流量变化的时间戳比较

表6显示了采用图3所示的同一时间段的恒流采样方法进行的测量验证。采用所选恒流样品法进行测量验证，二次流测量重复性为4.55%。基于这一结果，一些公司可能会开始对二次流量测量进行维护，因为重复性大于行业接受的气体测量的2%的重复性。

表6:选取流量变化显著的恒定流量样本

虽然PM和SM相互跟踪，但时间戳比较方法表明SM的性能不在行业公认的2%之内。此外，所选择的恒流样品方法，使用720个样品中的15个，得出的结论是SM的重复性不在行业接受的2%之内。这演示了以下内容:

• 对于流程变化很大的应用程序，有两种方法不够健壮。
• 假定总理表现良好。

假设PM表现良好，只验证SM与使用二次流量测量来验证一次流量测量的初衷相反。有一种看法认为，由于初级流量测量更准确，因为它经历了周期性的流量计验证和其他补偿仪器的校准。因此，我们最终验证了二次流测量。

所面临的挑战

除了重要的流量变化应用，面临的挑战还有:

• 一次流量和二次流量测量可以使用不同的技术来测量产品。
• 主要和次要流量测量由不同的公司管理。
• 一次流量和二次流量的测量距离可以相当远。
• 业内常用的方法是验证性能的一致性，需要经常维护二次流量测量。
• 时间和资源都花在分析一次和二次流量测量的数据上，证明二次流量测量和一次流量测量一样好，或者实际问题出在一次流量测量上。

用新方法验证PM和SM

为了便于讨论，假设二次流量测量与一次流量测量完全相同。那就是:

• 二次流量测量采用与一次流量测量相同的类型/方式。
• 二次流量测量具有一次流量测量用于补偿/校正流量测量的所有仪器。
• 二次流量测量采用与一次流量测量相同的型号/制作仪表。
• 二次流量测量的证明频率与一次流量测量的证明频率相同。

在这种理想情况下，人们可以推导出，对于给定的计费周期，主流量测量的平均值将等于二次流量测量的平均值，主流量测量的标准差将等于二次流量测量的标准差。

对于绝对恒定流量，一次流量测量和二次流量测量的平均值将是流量本身，一次流量测量和二次流量测量的标准差将等于零。

然而，对于计费周期中流量变化的情况，主流量测量的平均值(µ)将等于二次流量测量的平均值，主流量测量的标准差(σ)将等于二次流量测量的标准差。

也就是说,

σPM = σSM(公式1)

而且

µPM =µSM(公式2)

结合方程1和方程2得到，

(σPM /µPM)% = (σSM /µSM)%(式3)

也就是说,

(σPM /µPM)% - (σSM /µSM)% = 0(式4)

在实际的工艺装置场景中，二次流量测量不会重复一次流量测量。

因此，对式4进行修改是安全的，为:

(σpm /µpm)% - (σsm /µsm)%<X，(公式5:新方法方程)

X在哪里=+1%或+2%(取决于被测流体是液体还是气体)

主要流量测量具有非常高的重复性，主要为0.1 ~ 0.2%。因此，有一个+1%或+公式5中的2%(取决于被测流体是液体还是气体)对于工业来说应该是可以接受的。

公式5的结果被称为“新方法差”。这种差异有助于更好地分析一次和二次流量测量的性能。

目前的方法是取带有时间戳的一次流量测量值和二次流量测量值的差值，然后根据差值计算标准差和平均值。该方法分别计算一次流量测量和二次流量测量的标准差和平均值。计算了新方法的差异，分析了计费周期的一次流量测量和二次流量测量的性能。

新方法优势

在新方法中，我们比较了一次和二次流量测量的单独计算值。

该方法的优点是:

• 使用整个计费周期的完整数据样本。
• 无偏差的假设，主要流量测量是绝对准确和可重复的。
• 进行一次流量测量是否接近二次流量测量在可接受的公差范围内(+1%或+2%，取决于被测流体是液体还是气体)。
• 用于一次流量测量和二次流量测量的工程单位不需要相同。

概念证明

1.采用图3所示的新方法差分(方程5)对同期的测量验证如表7所示。新方法的差异为-0.21%。由于流程有显著的变化，PM和SM是用来捕捉过程的真实值的。这种方法消除了PM是准确和可重复的偏差。基于此方法，二次流量测量无需维护。这个例子说明了如何通过对整个计费周期使用新方法的差异，得出的结论是，没有必要维持二次流量测量，而目前的行业方法得出的结论是，维持二次流量测量。

表7:新方法差异-显著流量变化

2.另一个例子是，目前所选的恒流样品方法的二次流测量重复性为13.05%。新方法的差异为8.24%，远远大于公认的差异+2%。新方法结果如表8A所示。

表8A:新方法差异> + 2% - PM测量不良数据

PM和SM的非常高的SD/Avg %(通常大于35%)表明一次或二次流量测量存在问题。在回顾过程趋势(图4)时，注意到主要流量测量信号丢失了一些时期。对主要流量测量公司的进一步调查表明，他们的一个用于补偿流量测量的仪器存在问题。
图4:流程趋势表明主要流量测量失败。提供:Syncrude Canada Ltd。

决定在消除初次流量测量数据不佳的持续时间后，使用新方法差异重新计算结果。剔除不良数据后，新方法的一次流量与二次流量的差值为-0.25%，远小于公认值+2%。新方法结果如表8B所示。

表8B:剔除一次流量测量不良数据后的新方法差异

基于该方法，二次流量测量无需维护。此外，该新方法揭示了问题是PM和SM的问题，需要进一步分析以确定哪个测量偏离了真正的阀门。对趋势的进一步审查得出的结论是，问题出在PM，而不是SM。

3.另一个计费周期被选择，其中当前所选的恒流样品方法的二次流量测量重复性为4.94%。应该指出的是，该设备具有非常好的重复性历史(<+2%)，因为该设施的流量相当稳定。新方法的差值为33.99%，大大高于目前所选恒流样品方法的重复性4.94%。新方法结果如表9A所示。

表9A:新方法差异-一次流量测量零流量

表9B:消除初级流量测量零流量后的新方法

图5:工艺趋势表明主要流量测量信号丢失。提供:辛克鲁德加拿大有限公司[/标题]

在消除主流量测量读数为零流量和主流量测量有振荡的持续时间后，决定使用新方法重新计算结果。新方法的差异结果如表9B所示。

剔除一次流量测量读数为零的持续时间和剔除一次流量测量有明显振荡的持续时间，新方法表明一次流量和二次流量测量之间的差值为0.79%，远小于公认值+2%。基于此方法，二次流量测量无需维护。此外，该方法还揭示了问题的根源在于PM或SM。对趋势的进一步审查得出的结论是，问题出在PM，而不是SM。

基于新方法的应用差异

基于对历史月份数据进行的人工计算，决定构建一个应用程序，包括主要流量测量和二次流量测量计算之间的新方法差异，以检查测量的个人性能。对于新方法差异，我们选择了3天的滚动周期，而不是一个月的整个计费周期来进行纠正措施，例如:

• 验证二次流量测量的校准/配置参数
• 与主要流量测量主管进行检查，以验证用于补偿流量的所有仪表的性能。

软件实现

开发了一次流量和二次流量测量计算软件。实时流量计数据被捕获并存储在实时数据历史记录中。软件的调度组件每5分钟运行一次计算，以更新流量测量值。计算聚合的逻辑完全相同。因此，为所有位置编写了一段代码，它在多个上下文中作为带有输入和输出标记的独立线程运行单个进程。

图6显示了计算框架，它在定义为框架属性的一部分的特定时期之后运行。计算输出被写入输出标签，其中包含每个位置的平均值、标准偏差、百分比标准偏差和百分比标准偏差之差等聚合值，并存储在数据历史记录中。

然而，新方法差异的3天滚动周期内，只要3天滚动周期内流量变化显著，就会出现虚警。进一步分析了流量变化，采用7天滚动周期代替3天滚动周期，消除了误报。

行业使用

图7显示了波动最小且没有数据丢失的一个月的示例。新方法的不同之处在于+2%，忽略了一次流量和二次流量测量之间的偏差偏移。由于新方法的不同并没有超越+2%，没有收到警报，推断PM和SM的跟踪很接近。没有进行进一步的审查。

下面的图8显示了一个新方法差异超出可接受范围的示例+2%，应用程序给出警告。新方法的差异表明PM和SM都是漂移的。它上升并在7天左右保持在高位。

在审查这一趋势时，注意到下列情况:

• 一天，项目经理偏离SM 25%，一天，项目经理偏离SM 25%。
• 此外，还有三个PM振荡明显的周期(右三个圈)。
• 当PM漂移和振荡消失后，新方法的差值又回到了可接受的范围内+2%。

结果表明，SM值与下游的其他测量值一致，确认问题出在PM上。

图9显示了新方法差异超出可接受范围的另一个示例+2%，应用程序给出警告。新方法的差异表明PM和SM是漂移的。

在审查这一趋势时，注意到下列情况:

• 有三个不同的时期，PM与SM的偏差约为25%，每个周期都超过2天。
• 虽然PM和SM在第一个峰值后立即开始相互跟踪，但由于随后的两个峰值，新方法的差异仍然很大。
• 在第二次峰值1.5天后，第三次PM漂移也被注意到，并持续了1.5天。
• 当PM漂移消失后，新方法的差值又回到了可接受的范围内+2%。

结果表明，SM值与下游的其他测量值相匹配，确认问题出在PM上。

最终的想法

新方法的差异应用有助于:

• 使用完整的计费周期数据进行验证，而不考虑流程变化。
• 根据从应用程序接收到的警告，有效地确定PM或SM发生漂移的时间段。这使得有限的资源能够将审查重点放在特定的漂移持续时间上(而不是整个计费周期)。
• 理解一次流量测量和二次流量测量的性能，而不假设一次流量测量是准确和重复的。
• 确保在绝对需要时进行二次流量测量维护。
• 在内部验证二次流量测量的性能后，自信地与主要流量测量提供商进行跟踪。

约瑟夫Amalraj是高级技术专家，以及巴巴Shehzad是系统顾问。两人都为辛克鲁德加拿大有限公司内容经理杰克·史密斯编辑，控制工程， CFE传媒，jsmith@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:流量测量，流量计

关键概念

对于初选来说流量测量，工业使用高精度和可重复的流量计，通常由压力、温度和密度/气相色谱仪补偿。

对于二级流量测量，工业使用精度较低但可重复的流量计。

仪器的精度取决于仪器的测量原理、设计、安装和维护，而仪器的可重复性是所使用的测量技术的固有特征。

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