微小流量測(cè)量準(zhǔn)確度的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)與驗(yàn)證

王增根，路超，陳志成，紀(jì)波峰

1.江蘇阿爾法藥業(yè)有限公司，江蘇宿遷 223800；2.江蘇福瑞康泰藥業(yè)有限公司，江蘇宿遷 223800；3.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070

內(nèi)藏孔板流量計(jì)、小孔板流量計(jì)，以其顯著的特點(diǎn)使其在制藥等精細(xì)化工行業(yè)、化工小試驗(yàn)裝置以及輕工行業(yè)的添加劑流量測(cè)量中，得到廣泛應(yīng)用。是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)往微小流量方向的延伸。

但因其測(cè)量準(zhǔn)確度不是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)保證的[1-2]，所以初次使用者往往有些不夠放心。好在這種流量計(jì)的實(shí)測(cè)流量一般都很小，可以根據(jù)工藝流程的特點(diǎn)，例如用流程中的切斷閥和放凈閥或自控專業(yè)預(yù)設(shè)的校驗(yàn)口，實(shí)現(xiàn)測(cè)量示值準(zhǔn)確度的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

在開(kāi)展此項(xiàng)工作時(shí)，如果所用的標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量結(jié)果的不確定度不大于被校流量計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值1/3時(shí)，稱為校準(zhǔn)，否則只能稱比對(duì)。在不用標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，屬于驗(yàn)證。

這種校準(zhǔn)的結(jié)果因?yàn)橐寻黧w密度、黏度、等熵指數(shù)等物性與設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的偏離，也包含了溫度、壓力等工況參數(shù)的偏離的影響。還包含了使用環(huán)境偏離參比條件的影響，以及安裝情況對(duì)測(cè)量誤差的影響，所校準(zhǔn)得到的結(jié)果更具有實(shí)際意義。

1 微小流量的驗(yàn)證

1.1 流量測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證的難點(diǎn)

在化工、石化等生產(chǎn)過(guò)程中，安裝有大量的過(guò)程變量測(cè)量?jī)x表，其中溫度、壓力、流量、液位測(cè)量?jī)x表數(shù)量巨大，種類也極其繁多。但是它們卻有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是測(cè)量結(jié)果的使用者對(duì)儀表示值準(zhǔn)確度產(chǎn)生懷疑時(shí)，都要想盡辦法予以驗(yàn)證，搞清楚關(guān)鍵儀表的測(cè)量結(jié)果究竟是否準(zhǔn)確。所以驗(yàn)證問(wèn)題不只存在于流量之中，在溫度，壓力、液位的測(cè)量中，同樣存在，只是流量之外的要容易和簡(jiǎn)單得多。例如溫度測(cè)量，對(duì)于特別重要的測(cè)量點(diǎn)，常選用雙支鉑熱電阻、雙支熱電偶，或在溫度傳感器旁邊，開(kāi)設(shè)一個(gè)可以插入標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的校驗(yàn)口，增加的投資也微不足道。再比如壓力測(cè)量，在壓力變送器附近增設(shè)一個(gè)彈簧管壓力表用于對(duì)照，也只需舉手之勞。而液位測(cè)量結(jié)果的校對(duì)也不困難，因?yàn)榇蠖鄶?shù)配有液位測(cè)量?jī)x表的設(shè)備上，大多同時(shí)配有玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)或其他原理的液位計(jì)。例如在工業(yè)鍋爐汽包液位的測(cè)量中，一般都裝有3～4套不同原理的液位測(cè)量手段，以便相互對(duì)照，確保安全。與此相似的例子在流量測(cè)量中是不多見(jiàn)的。

圖1所示是冗余設(shè)置的雙檢測(cè)器渦街流量傳感器[3]。美國(guó)洛克威爾公司有一項(xiàng)科研成果，即一臺(tái)渦輪流量計(jì)中配有兩個(gè)傾角不同的渦輪，其中傾角大的渦輪轉(zhuǎn)速高，準(zhǔn)確度高，但壽命短，而傾角小的一個(gè)渦輪恰巧相反，取其壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)作為判斷主渦輪失準(zhǔn)的手段。兩個(gè)渦輪的電磁檢測(cè)器輸出的頻率保持一定的比例，并由微電子電路判斷，一旦頻率差超過(guò)設(shè)定的區(qū)間，即判主渦輪失準(zhǔn)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 4070F型雙測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 4070F Dual measurement system

在大型發(fā)電機(jī)組的配套鍋爐上，進(jìn)水流量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，往往一副差壓孔板上配有三對(duì)取壓口和相互獨(dú)立的三臺(tái)差壓變送器，其中一臺(tái)用于控制，一臺(tái)用于計(jì)量，而聯(lián)鎖輸出則由三臺(tái)變送器按三取二表決結(jié)果決定，從而確保安全[4]。

這種多重冗余并用三取二表決的方法確保流量測(cè)量結(jié)果安全可靠的做法，在大型石化裝置中也經(jīng)常采用。但要付出相應(yīng)的代價(jià)。

1.2 流量測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證的一般方法

在文獻(xiàn) [5]中，闡述了這種驗(yàn)證的常用方法：

（1）基于質(zhì)量守恒定律的方法；

（2）基于熱量平衡關(guān)系的方法[6]；

（3）基于設(shè)備能力估算的方法[7]。

其中方法（1）用得最多。在文獻(xiàn) [8]中列舉了9個(gè)實(shí)際例子。例如用于貿(mào)易交接計(jì)量的表計(jì)，大多采用一根管道兩套表的配置，其中上游表計(jì)歸供方所有，下游表計(jì)歸需方所有[9]。

在油庫(kù)的油品發(fā)貨計(jì)量站，若干臺(tái)發(fā)貨用的流量計(jì)定期用準(zhǔn)確度足夠高的基地式標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)校準(zhǔn)。在天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)的計(jì)量站場(chǎng)，也普遍采用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)若干臺(tái)發(fā)貨計(jì)量表計(jì)，經(jīng)閥門(mén)切換的方法實(shí)現(xiàn)就地校準(zhǔn)。這種儀表配置方法在貿(mào)易交接中廣泛應(yīng)用，但在過(guò)程控制中卻極少采用，原因之一是投資太高，其次是對(duì)準(zhǔn)確度的要求也沒(méi)有那么高。而是采用經(jīng)濟(jì)而且簡(jiǎn)單易行的方法。例如各分表流量示值之和與總表相等的關(guān)系。鍋爐發(fā)汽流量應(yīng)等于進(jìn)水流量與排污流量之差的關(guān)系。經(jīng)蒸汽流量計(jì)計(jì)量的蒸汽，全部凝結(jié)后應(yīng)得到質(zhì)量相等的凝結(jié)水的關(guān)系。在用流量批量控制儀定量裝車的流程中，裝車完畢，一般均需地中衡復(fù)測(cè)，這也是一個(gè)計(jì)量準(zhǔn)確度驗(yàn)證的過(guò)程。便攜式超聲流量計(jì)在液體流量測(cè)量的比對(duì)和維修中，扮演著重要角色。這種流量計(jì)準(zhǔn)確度不夠高，談不上校準(zhǔn)，但如果被懷疑的流量計(jì)的確誤差較大，用它來(lái)比對(duì)，還是能夠做出結(jié)論的。

2 微小流量測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

微小流量測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度校準(zhǔn)、驗(yàn)證的特點(diǎn)在于“微小”，像1～10 kg/h測(cè)量范圍的內(nèi)藏孔板流量計(jì)[10]，只要一個(gè)量筒就能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。一支微型浮子式氣體流量計(jì)，用幾十元錢(qián)一支的皂膜流量計(jì)就能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。而適用于大流量測(cè)量?jī)x表驗(yàn)證的方法或設(shè)備，在微小流量中，有時(shí)卻不合用。

2.1 液體微小流量測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

液體微小流量測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度大多可用稱重法進(jìn)行驗(yàn)證。典型的例子如圖2所示。

圖2 稱量法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)管路連接圖Fig.2 Pipeline connection diagram for on-site calibration of weighing method

有時(shí)流量計(jì)并不安裝在調(diào)節(jié)回路中，這時(shí)就需在流量計(jì)下游管道上找到切斷閥和放凈閥或?qū)ｉT(mén)設(shè)置的校驗(yàn)口，如圖3所示。

圖3 流量計(jì)下游的切斷閥放凈閥Fig.3 Shutoff and drain valve downstream of flowmeter

在圖3中，將切斷閥V1關(guān)斷，就可對(duì)流量計(jì)零位進(jìn)行檢查，打開(kāi)放凈閥V2就可將液體導(dǎo)出放入容器稱重。通?？筛淖僔2開(kāi)度使FIQ的瞬時(shí)流量qm為常用值，并經(jīng)軟管導(dǎo)入容器，而且要注意軟管中液體滯留量對(duì)校準(zhǔn)、比對(duì)結(jié)果的影響。

用這種方法實(shí)施校準(zhǔn)、比對(duì)，不僅適用于內(nèi)藏孔板流量計(jì)、小孔板流量計(jì)，也適用于微小口徑電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)及浮子流量計(jì)等。

2.2 流量零位的檢查與校驗(yàn)

關(guān)斷切斷閥對(duì)流量零位示值進(jìn)行檢查和校驗(yàn)是流量示值驗(yàn)證的首要任務(wù)。這是因?yàn)榱髁坑?jì)零位如果不準(zhǔn)，將對(duì)量程范圍內(nèi)的各點(diǎn)示值都產(chǎn)生影響。在作零位檢查和校驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

（1）確認(rèn)測(cè)量管內(nèi)的流體已停止流動(dòng)，而且儀表處于正常測(cè)量狀態(tài)。當(dāng)然確保安全萬(wàn)無(wú)一失是首要的。

（2）排除小信號(hào)切除對(duì)校零工作的干擾。

在模擬輸出的流量計(jì)中，一般均有小信號(hào)切除功能。這是因?yàn)槟M電路總會(huì)有一定幅值的漂移。這種漂移往往導(dǎo)致實(shí)際上流體已停止流動(dòng)，儀表卻有小流量指示，為了避免這種令人不快的事情出現(xiàn)，于是就設(shè)計(jì)了小信號(hào)切除功能[11]，例如電磁流量計(jì)，一般取滿量程流量的2%為切除點(diǎn)，即在實(shí)際流量小于2% FS時(shí)，儀表統(tǒng)統(tǒng)顯示零流量。于是問(wèn)題得到解決。但是又產(chǎn)生新的問(wèn)題，即在實(shí)際流量小于2% FS甚至存在反向流動(dòng)時(shí)，儀表一概顯示零流量，從而產(chǎn)生一個(gè)假象。所以在校零時(shí)，應(yīng)將小信號(hào)切除功能暫時(shí)撤銷。

差壓式流量計(jì)都避不開(kāi)開(kāi)平方運(yùn)算這一環(huán)節(jié)。這一運(yùn)算人們喜歡交由差壓變送器去完成。這樣，相對(duì)流量較小時(shí)能獲得較大的電流輸出，從而使得將差壓信號(hào)傳送到后續(xù)儀表必不可少的D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換引入的誤差予以削弱。

在差壓式流量計(jì)中，小信號(hào)切除的作用更加突出，因?yàn)殚_(kāi)平方運(yùn)算的關(guān)系，使得流量在零點(diǎn)附近，運(yùn)算模塊具有非常大的增益。例如差壓有+0.04% FS的漂移，開(kāi)平方之后就有2% FS的輸出。所以小流量信號(hào)切除點(diǎn)一般定得比較高。橫河公司的EJA110E型差壓變送器出廠設(shè)置定在滿量程差壓的1%，對(duì)應(yīng)滿量程流量的10%。這樣一來(lái)使流量顯示的死區(qū)變得更大。如果小信號(hào)切除模式指定為“切到0”，則流量小于10.0% FS的所有各點(diǎn)，儀表都顯示零。以至在調(diào)零操作時(shí)，外部調(diào)零螺釘順時(shí)針或反時(shí)針旋轉(zhuǎn)很多圈，輸出都無(wú)動(dòng)于衷。好在橫河公司設(shè)計(jì)了一個(gè)“切到線性”的功能，從而使死區(qū)不死，即流量小于指定值后，輸出與輸入之間呈線性關(guān)系，甚至在差壓為負(fù)值時(shí)，仍有對(duì)應(yīng)的變化值，從而使調(diào)整更方便。這樣信號(hào)切除的關(guān)系如圖4所示。

圖4 小信號(hào)切除的模式Fig.4 Low cut mode

（3）流量零點(diǎn)與差壓零點(diǎn)的差異

差壓式流量計(jì)在做校零操作時(shí)，習(xí)慣性動(dòng)作是將三閥組中的負(fù)壓閥關(guān)閉，然后打開(kāi)平衡閥，如果變送器輸出不為4 mA，則作相應(yīng)調(diào)整。調(diào)校完畢將流量計(jì)投入運(yùn)行，這時(shí)如果將與流量計(jì)串聯(lián)的切斷閥關(guān)斷，流體停止流動(dòng)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)流量示值并不為零，甚至?xí)胸?fù)的差壓顯示。這多半是因儀表的安裝有缺陷，流動(dòng)雖已停止，節(jié)流件前后差壓已為零，但因差壓信號(hào)傳遞失真，使得變送器接收到的差壓信號(hào)并不為零。因此，差壓變送器零點(diǎn)準(zhǔn)確并不等于流量零點(diǎn)準(zhǔn)確。需要在變送器完成校零后，關(guān)斷切斷閥，流量示值仍為零。因此需排除安裝缺陷。

2.3 流量示值現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的操作

流量計(jì)示值準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，一般不能采取實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)所用的方法。按照計(jì)量檢定規(guī)程，流量計(jì)在作實(shí)流校準(zhǔn)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，同時(shí)讀取被校表示值和標(biāo)準(zhǔn)表示值N次，然后取平均值并計(jì)算該校驗(yàn)點(diǎn)本次校驗(yàn)示值誤差。

式中Ei——示值誤差，%；

qmi——被校表示值，kg/h；

qsi——標(biāo)準(zhǔn)表示值，kg/h。

一個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)相同的校驗(yàn)進(jìn)行三次，得到三個(gè)誤差值，然后計(jì)算該校驗(yàn)點(diǎn)平均誤差和重復(fù)性。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)所用的方法，從原理來(lái)看與式（1）是相同的，但操作方法有明顯的差異?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、比對(duì)中，式（1）中的qmi用累積值的增量Qm代替，qsi用稱量結(jié)果代替，校準(zhǔn)點(diǎn)為常用流量。因此要簡(jiǎn)單得多。

2.4 精餾塔各路流量的驗(yàn)證

液相進(jìn)料頂?shù)撞沙龅木s塔在制藥廠用得很多，而且多配有流量計(jì)，由于精餾塔塔頂采出量D、塔底采出量B與進(jìn)料量F之間有下面的關(guān)系

所以可用這個(gè)關(guān)系對(duì)相關(guān)的三路流量進(jìn)行分析判斷。

2.5 氣體微小流量測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

氣體微小流量測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、比對(duì)，同液體流量計(jì)不同，因?yàn)閺牧鞒讨袑?dǎo)出的氣體無(wú)法被收集并用稱重的方法得到其質(zhì)量，只能用另一臺(tái)流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

在石化、化工行業(yè)的分析室，分析人員用皂膜流量計(jì)對(duì)氣相色譜儀上的微型浮子流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。類似的情況，這種標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)也可用來(lái)對(duì)流程中的微小氣體流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，在這種流量計(jì)中，不同規(guī)格的玻璃管對(duì)應(yīng)的流量范圍也不同，最大可測(cè)量60 L/ min的流量，準(zhǔn)確度可達(dá)1.0%，其外形如圖5所示。

圖5 智能皂膜流量計(jì)外形Fig.5 Figure of smart soap film flowmeter

濕式氣體流量計(jì)是一種典型的容積式流量計(jì)，不確定度可達(dá)0.5%，也適合作為標(biāo)準(zhǔn)器，流量測(cè)量上限可達(dá)3 000 L/h，其工作原理如圖6所示。

圖6 濕式氣體流量計(jì)工作原理Fig.6 Wet gas flow meters working principle

上述兩種可作標(biāo)準(zhǔn)表使用的氣體流量計(jì)，顯示的都是當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫l件下當(dāng)時(shí)氣體溫度條件下的體積流量，如果要得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，則需用式（3）進(jìn)行換算。

式中Qn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，Nm3；

PA——當(dāng)前大氣壓，kPa A；

Tf——?dú)怏w溫度，℃；

Qf——未經(jīng)補(bǔ)償?shù)捏w積流量，m3。

如果要得到質(zhì)量流量，則需再乘上氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度ρn。

當(dāng)需要校準(zhǔn)的流量值更大時(shí)，則可選用玻璃浮子流量計(jì)，只是準(zhǔn)確度較低，只能用作比對(duì)。

有些被校對(duì)象氣體靜壓較高，而且現(xiàn)場(chǎng)有容積已知的容器，也可應(yīng)用PVTt法實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)、比對(duì)或驗(yàn)證[8]。

2.6 蒸汽微小流量測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

上述用于驗(yàn)證氣體流量計(jì)的三種標(biāo)準(zhǔn)表都不適合測(cè)量蒸汽流量，但仍可用稱重法予以校準(zhǔn)，例如從校驗(yàn)口導(dǎo)出的微小流量蒸汽，可以經(jīng)軟管送到裝有冰屑與水的混合物的容器底部，將其變成凝結(jié)水，然后稱重，再計(jì)算示值誤差。

2.7 保證校準(zhǔn)品質(zhì)的措施

（1）被校表所給出的累積流量應(yīng)具有足夠高的分辨力，參與計(jì)算誤差的流量示值有效數(shù)應(yīng)在4～5位之間。合理設(shè)置流量計(jì)的積算速率，就能滿足這一要求。

（2）收集導(dǎo)出液的容器應(yīng)足夠大，每次測(cè)量時(shí)間一般不短于1 min。

（3）稱重用的衡器，準(zhǔn)確度應(yīng)足夠高。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）在很多行業(yè)都使用著大量測(cè)量微小流量的流量計(jì)。如果某一臺(tái)流量計(jì)的示值準(zhǔn)確度受到懷疑，就有必要用簡(jiǎn)單易行的方法對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)、比對(duì)，或通過(guò)質(zhì)量守恒關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，以消除疑慮。

（2）測(cè)量液體微小流量的流量計(jì)，宜利用現(xiàn)場(chǎng)的切斷閥和放凈閥，將液體導(dǎo)出、收集、稱重，然后計(jì)算誤差。

（3）測(cè)量氣體微小流量的流量計(jì)，宜采用皂膜流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)等作標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)或比對(duì)。

（4）測(cè)量蒸汽微小流量的流量計(jì)，宜將蒸汽從校驗(yàn)口導(dǎo)出，經(jīng)軟管送到裝有冰屑與水的混合物的容器底部，將其變成凝結(jié)水，然后稱重用于誤差計(jì)算。

（5）這種現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、比對(duì)得到的結(jié)果不僅包含器具本身的誤差，而且包含流體密度、黏度、等熵指數(shù)等物性數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算的偏離引入的影響，溫度、壓力等工況參數(shù)偏離所產(chǎn)生的影響。還包含了安裝情況對(duì)測(cè)量誤差的影響以及使用環(huán)境偏離參比條件的影響，所以，校準(zhǔn)、比對(duì)、驗(yàn)證的結(jié)果更具有實(shí)際意義。但若物料有毒易燃或因生產(chǎn)的連續(xù)性不允許物料導(dǎo)出，則應(yīng)以安全為重，不宜采用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)這一方法。

上述校準(zhǔn)方法符合有關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程[12]，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中獲得良好效果。