寬量程比差壓流量計的研究

戴建剛,沈創(chuàng)謙,紀(jì)波峰,紀(jì)綱

(1. 江蘇利電能源有限公司,江蘇 無錫 214431;2. 深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司,廣東 深圳 518109;3. 上海同欣自動化儀表有限公司,上海 200070)

差壓式流量計是歷史最悠久、積累資料最豐富、使用范圍最廣的流量計之一。幾十年來,新型流量計已多達(dá)幾十種,由于差壓式流量計的眾多優(yōu)點,在很多應(yīng)用方面仍具有突出的優(yōu)勢。該類型流量計的特性包括[1]: 優(yōu)異的穩(wěn)定性、可靠性和抗振動能力;適用于高溫、高壓、低靜壓、低流速、低密度流體;通徑從小到大,系列齊全;變更量程方便;按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、制造、檢驗、安裝和使用后,無需實流標(biāo)定,采用幾何檢定法檢定標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置,就能獲得規(guī)定的準(zhǔn)確度,為用戶帶來方便。但是,該類流量計也存在測量量程范圍窄的問題,尤其是對測量范圍要求高的測量對象。因此,寬量程比差壓式流量計應(yīng)用一直受到關(guān)注。

1 寬量程比差壓式流量計的演變

1.1 早期實現(xiàn)寬量程采取的措施

1.1.1更換孔板流量計擴(kuò)大量程比

20世紀(jì)70年代之前,標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計已被廣泛使用和認(rèn)可,但是其量程比只能達(dá)到3∶1,要想擴(kuò)大量程比,簡單而可靠的方法就是更換標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計。因此,在不變更差壓測量方式的情況下,在同1根管道上更換多塊量程不同的標(biāo)準(zhǔn)孔板,從而實現(xiàn)量程比擴(kuò)大幾十倍甚至上百倍。該方法的優(yōu)點是簡單可靠,但需經(jīng)常更換孔板,勞動強(qiáng)度高,效率低。

1.1.2量程不同的多套流量計并聯(lián)使用

多套流量計并聯(lián)后通過閥門切換使用,流量小時開小量程流量計并關(guān)閉大量程流量計前的閥門,流量大時開大量程流量計并關(guān)閉小量程流量計前的閥門,小量程、大量程流量計也可同時使用。該方法的優(yōu)點是簡單可靠可以將量程比擴(kuò)大到任意值,但投資大幅增加且易發(fā)生切換不及時的問題。

1.1.3多臺差壓式流量計切換使用

20世紀(jì)70年代,出現(xiàn)了2臺測量上限不同的差壓式流量計合用1臺標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計,通過閥門切換實現(xiàn)擴(kuò)大量程比的案例,該時期使用的差壓式流量計是不允許量程過范圍使用的,采用人工切換的方法實為不得已而為之。該方法較經(jīng)濟(jì),但存在切換不及時和操作麻煩的缺點。

1.1.4可變量程差壓變送器方法

1981年,上海溶劑廠儀表人員受多臺差壓式流量計切換使用方法的啟發(fā),將DDZ-Ⅱ型差壓變送器改造成雙量程差壓變送器,并用動圈指示報警儀實現(xiàn)量程自動切換和流量顯示,實現(xiàn)了量程比的擴(kuò)大[2]。

雙量程差壓變送器是在原有的反饋動圈上并聯(lián)1個用銅導(dǎo)線繞成的分流電阻實現(xiàn)。分流電阻接入時,負(fù)反饋作用減弱,差壓量程減小,分流電阻由動圈指示報警儀的輸出接點SWH和SWL切換。變送器輸出的電流值經(jīng)開平方運算后傳輸至該指示報警儀,分流電阻斷開時,指示為高量程(FSH),當(dāng)示值小于30%FSH時SWL接點被觸發(fā),經(jīng)邏輯運算器將分流電阻接通,切入低量程(FSL)狀態(tài);當(dāng)電流相應(yīng)增大,示值大于95%FSL時,SWH接點被觸發(fā),經(jīng)邏輯運算器將分流電阻斷開,切回FSH狀態(tài)。邏輯電路可驅(qū)動2個指示燈,告知動圈指示儀當(dāng)前的量程范圍。

1.2 現(xiàn)階段實現(xiàn)寬量程采用的新技術(shù)

1.2.1多臺差壓變送器實現(xiàn)自動切換

21世紀(jì)初,隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展,國際上出現(xiàn)了智能差壓變送器,不僅準(zhǔn)確度大幅提高,可靠性大幅提升,而且能承受單向靜壓,為差壓式流量計量程比進(jìn)一步拓寬,性能進(jìn)一步提高創(chuàng)造了條件。于是出現(xiàn)了多臺變送器可自動切換,雷諾數(shù)、可膨脹性系數(shù)可自動補(bǔ)償?shù)碾p量程差壓式流量計[3-4]。2003年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO 5167: 2003Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull,進(jìn)一步優(yōu)化了標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計的數(shù)學(xué)模型,使流量不確定度得到進(jìn)一步改善[5-6]。用4～20 mA信號傳輸?shù)碾p量程差壓式流量計測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 用4～20 mA信號傳輸?shù)碾p量程差壓式流量計測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2.2 用數(shù)字通信方法傳輸信號的精確度

如果來自變送器的信號全部用模擬信號傳送,大約要損失0.10%FS的準(zhǔn)確度;改進(jìn)的方法是用HART通信傳送該類信號,做到完全不損失精確度,所以變相地增加了量程范圍。用HART通信方法傳輸?shù)碾p量程差壓式流量計測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用數(shù)字通信方式,相應(yīng)的流量不確定度也得到進(jìn)一步改善,在30∶1量程比范圍內(nèi),流量不確定度可達(dá)1.0%[7-8]。

圖2 用HART通信方法傳輸?shù)碾p量程差壓式流量計測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2.3特殊寬量程比的實現(xiàn)方法

30∶1量程比的雙量程差壓式流量計能滿足絕大多數(shù)測量需要,但對個別特殊對象,量程不夠。例如某特種設(shè)備安全檢驗檢測研究院的安全閥型式試驗裝置中,配有多套標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計用于測量空氣流量和蒸汽流量,由于試驗的安全閥試驗壓力不同,排放流量大小懸殊,所以要求流量計具有125∶1的量程比,為此采用了高、中、低三檔量程。高量程差壓上限達(dá)到390 kPa。由于GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》[9]規(guī)定,在標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓裝置檢定合格的情況下,只要雷諾數(shù)不小于4.0×103,流出系數(shù)就能保證0.5%的不確定度,所以標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的流出系數(shù)不確定度與量程無關(guān),在滿足要求的測量范圍內(nèi),能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度。

2 差壓變送器量程過范圍問題討論

2.1 低量程差壓變送器過范圍工況現(xiàn)狀

在由多臺差壓變送器組成的寬量程差壓式流量計中,差壓裝置輸出的差壓信號同時送入不同測量上限的差壓變送器,由于差壓Δpmax信號會在0～100%甚至更大的范圍內(nèi)變化,所以變送器承受過范圍信號無法回避,尤其是差壓上限最低的1臺,過范圍成為常態(tài)化。

2.2 過范圍對差壓變送器技術(shù)性能的影響

差壓變送器在承受過范圍信號后,對其技術(shù)性能總是有一定影響。在儀表的性能指標(biāo)中,屬影響量影響,具體指標(biāo)由儀表制造廠做出規(guī)定,但在大多數(shù)儀表產(chǎn)品樣本中并未列出,然而也有列出者。例如橫河公司在其產(chǎn)品樣本中以膜盒M為例,給出了變送器正負(fù)壓信號輸入口交替單向承受額定靜壓14 MPa后零點漂移曲線如圖3所示,長期過壓后的零點漂移誤差曲線如圖4所示。

圖3 過壓引起的零點漂移曲線示意(量程為0～10 kPa)

圖4 長期過壓后的零點漂移誤差曲線示意(量程為0～10 kPa)

2.3 過范圍影響試驗

過范圍影響試驗的目的是確定儀表由于輸入過范圍信號后,造成儀表在施加正常輸入時的輸出變化。

GB/T 17614.2—2015《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用變送器 第2部分: 檢查和例行試驗方法》[10]規(guī)定,在試驗前,應(yīng)測量輸入值為0和100%時的輸出值,然后將輸入增大到制造廠規(guī)定的最大過范圍值,施加過范圍值1 min后,輸入降低到公稱范圍下限值,再施加過范圍值5 min后,利用與前述相同的輸入確定觀測到的輸出變化。同時規(guī)定差壓變送器應(yīng)在兩個方向上進(jìn)行過范圍試驗。

2.4 長時間過范圍影響試驗

從2.2節(jié)的描述可知,文獻(xiàn)[10]規(guī)定的過范圍屬于短時過范圍。儀表制造廠一般承諾,被試表在經(jīng)過短時過范圍后,輸出變化不大于基本允許誤差。但是,如果過范圍的時間很長,輸出變化會是怎樣呢?在寬量程差壓式流量計中,低量程差壓變送器所承受的就是這種過范圍。為此,筆者做了既包含短時過范圍又包含長間過范圍的試驗,樣機(jī)為橫河公司的EJA110A-DLS5A變送器,量程為0～3 kPa,過范圍時間為24 h,過范圍輸入為100 kPa,這與儀表的正常使用條件相似。短時間和長時間過范圍試驗測量數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 短時間和長時間過范圍試驗測量數(shù)據(jù)

由表1可知,樣機(jī)短時過范圍后輸出變化最大為-0.02%;長時間過范圍16 h后觀測,輸出變化為-0.09%。

2.5 過范圍對差壓流量計準(zhǔn)確度的影響

過范圍影響屬于影響量影響,不屬于基本允許誤差考核范圍。長時間過范圍后,零位輸出雖然變化到-0.09%,但對于整套流量計1.0%準(zhǔn)確度來說,在允許范圍內(nèi)。

3 流量計的檢定

寬量程差壓流量計所配用的差壓裝置大多為標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴和文丘里管,適用的檢定規(guī)程為JJG 640—2016《差壓式流量計檢定規(guī)程》[11]。

文獻(xiàn)[11]介紹的檢定方法有幾何檢定法、流量系數(shù)檢定法和示值誤差檢定法。其中幾何檢定法最簡單,成本最低,因此應(yīng)用最多。采用該方法檢定時,除了對差壓裝置進(jìn)行檢定外,還必須對配套的差壓變送器、壓力變送器、溫度傳感器和流量計算機(jī)進(jìn)行檢定。其中,流量計算機(jī)所依據(jù)的規(guī)程為JJG 1003—2016《流量積算儀》[12]和GB 50039—2013《自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》[13],高量程和低量程需分別做檢測。

文獻(xiàn)[11]規(guī)定,采用示值誤差檢定法檢定,檢定點一般不少于5個,分別為qmmax, 0.75qmmax, 0.5qmmax, 0.25qmmax,qmmin。所以,如果制造廠承諾量程比為30∶1,則最小檢定點就為0.033qmmax。

4 流量計的安裝

流量計的正確安裝是保證流量測量準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。1套品質(zhì)合格的流量計,如果檢定合格,但在現(xiàn)場安裝不合格,就會引入額外的誤差,甚至完全無法正常測量[14]。

GB/T 26801—2011《封閉管道中流體流量的測量一次裝置和二次裝置之間壓力信號傳送的連接法》對差壓裝置與差壓變送器之間壓力信號傳遞的連接法做了詳細(xì)的規(guī)定[15]。例如測量蒸汽流量時,差壓取壓口應(yīng)位于差壓裝置水平中心線上,這時導(dǎo)壓管內(nèi)的流體是蒸汽冷凝而成的液體,導(dǎo)壓管向下傾斜連接到差壓變送器,推薦的差壓取壓口方位如圖5所示。

圖5推薦的方法中,根部閥手柄置于水平方位,有利于防止導(dǎo)壓管內(nèi)汽液交換引起的差壓信號脈動[16]。根部閥需選用直通閥[9],2個冷凝罐的高度必須保持一致,防止變送器接收到的差壓信號與差壓裝置輸出的差壓信號不相等。

以該蒸汽安全閥型式試驗裝置為例,其中一路DN150蒸汽管上配有1套標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計,測量安全閥的排放流量。由于該試驗裝置試驗的安全閥,通徑大小懸殊,試驗壓力在0.6～2.4 MPa不等,故流量計量程比要求高達(dá)125∶1,造成流量測量困難。配置的1套標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量質(zhì)量流量范圍為0～50 t/h,差壓范圍為0～390 kPa,儀表投入運行后,流量降到1.5 t/h以下時顯示值為0。儀表生產(chǎn)商經(jīng)設(shè)計計算后決定采用三量程孔板流量計提高量程比的方案,并用數(shù)字通信的方法確保系統(tǒng)準(zhǔn)確度,即流量計算機(jī)以HART通信方式讀取高、中、低3臺智能差壓變送器和1臺壓力變送器的差壓值和壓力值,做到信號的無誤差傳輸與演算,并在流量計算機(jī)中實現(xiàn)密度、雷諾數(shù)和可膨脹性系數(shù)的自動補(bǔ)償。流量計重新投運后,實現(xiàn)了小流量測量,但在與流量計串聯(lián)的閥門關(guān)閉后,仍有150 kg/h流量顯示,此時壓力約為0.6 MPa,顯然與要求相差甚遠(yuǎn)。經(jīng)反復(fù)檢查后確認(rèn)相關(guān)儀表都工作正常,但發(fā)現(xiàn)低量程和中量程差壓變送器都有50 Pa的差壓輸出,于是使用水平尺檢查2個冷凝罐的高度,發(fā)現(xiàn)負(fù)壓冷凝罐與正壓冷凝罐高度相差5 mm,采取措施,使2個罐等高后,該問題得到解決。

5 流量測量準(zhǔn)確度的現(xiàn)場驗證

流量測量儀表投入運行,需進(jìn)行測量準(zhǔn)確度的現(xiàn)場驗證,流量測量準(zhǔn)確度是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo),要由工藝、管理專業(yè)或業(yè)主代表認(rèn)可。流量測量項目不管是大是小,總是包含設(shè)計選型環(huán)節(jié)、儀表制造和質(zhì)檢環(huán)節(jié)、計量檢定環(huán)節(jié)以及安裝調(diào)試環(huán)節(jié)等,任何一個環(huán)節(jié)存在瑕疵或考慮不周都會影響測量準(zhǔn)確度。關(guān)于準(zhǔn)確度驗證問題,已經(jīng)有多篇文獻(xiàn)做過專題討論,此文不再一一敘述[16-17]。

6 結(jié)束語

標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計有許多優(yōu)點,但存在量程比不夠?qū)挼娜秉c。擴(kuò)大量程比的方法有不同的發(fā)展階段,都是與差壓測量儀表的發(fā)展水平相對應(yīng)的。最新型的智能差壓變送器能達(dá)到±0.04%準(zhǔn)確度,允許單向承受額定靜壓,將該差壓信號用HART通信的方法不經(jīng)過A/D或D/A轉(zhuǎn)換,不損失精度地傳送到流量計算機(jī),并按國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雷諾數(shù)和可膨脹性系數(shù)的自動補(bǔ)償,能得到1.0%流量不確定度。其中,雙量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計能做到30∶1量程比,三量程流量計能做到125∶1量程比,已投入現(xiàn)場實現(xiàn)了長周期使用。

在雙量程差壓流量計中,低量程差壓變送器有可能長時間承受過范圍差壓,通過測試結(jié)果表明,短時間過范圍引起的輸出變化可忽略不計;長時間過范圍引起的輸出變化,對于整套儀表的1.0%不確定度來說,還在允許范圍之內(nèi)。該類型流量計可采用JJG 640—2016檢定規(guī)程予以檢定。

流量計的安裝應(yīng)遵守相應(yīng)的規(guī)程,最不起眼的細(xì)節(jié)都有可能導(dǎo)致差壓信號的傳遞失真,導(dǎo)致測量誤差。流量測量準(zhǔn)確度的驗證是流量測量工程的重要環(huán)節(jié),一旦發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果超差,即需要會同有關(guān)專業(yè)查找原因,直至驗收合格。