雙量程差壓流量計不確定度和量程比的驗證

魏崢，謝林，紀波峰，陳杰，紀綱

(1. 鹽城熱電有限責任公司，江蘇 鹽城 224006；2. 上海電力公司 電力科學研究院，上海 200437；3. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

儀器儀表

雙量程差壓流量計不確定度和量程比的驗證

魏崢1，謝林2，紀波峰3，陳杰3，紀綱3

(1. 鹽城熱電有限責任公司，江蘇 鹽城 224006；2. 上海電力公司 電力科學研究院，上海 200437；3. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

用差壓法測量流體流量，由于流量與差壓信號之間的平方根特性，其量程比不夠大。在雙量程標準差壓流量計中，增設了1臺低量程差壓變送器，使量程低段的差壓測量精確度提高了33倍(典型值)，從而使量程低段的流量測量精確度得到提高。按國際標準和國家標準所提供的不確定度公式計算，測量液體時不確定度達到1.0%，測量蒸汽和組分穩定的氣體時不確定度達到1.5%，量程比達到100∶1。經DN80和DN200共6套雙量程差壓流量計在水流量標準裝置上的數據驗證，得到的誤差比計算結果略小，優于技術指標，并在現場使用中得到證實。

雙量程 差壓流量計 不確定度 量程比 驗證

1 不確定度與量程比的關系

1.1范圍度的定義

國際標準化組織(ISO)于1998年頒發國際標準ISO 11631《流體流量測量——規定流量儀表性能的方法》，對范圍度作了重新定義[1]： 1) 范圍度是測量范圍的最大流量與最小流量的比值；2) 上限(值)范圍度是范圍最大上限值與最小上限值的比值。

重新定義適應了流量測量技術發展的需要。范圍度也稱量程比，老式的流量計只有一檔量程，以前用英文rangeability并無歧義，但現在有很多流量計，測量范圍可以根據使用需要設定，于是術語rangeability被定義為測量上限可調比。另外，范圍度或量程比指的是保證精確度的最大流量與最小流量之比。某些流量計，在百分比流量很小時仍可測量，但精確度保證不了，例如渦街流量計，在Re≥5×103后有穩定的旋渦產生，但當Re≥2×104后才能保證精確度，因此計算量程比中的最小流量只能取Re=2×104所對應的流量值[2]。

1.2關于分界流量

在JJG 1030—2007中，分界流量(transition flowrate)指在最大流量和最小流量之間的流量值，它將流量范圍分割成允許誤差不同的兩個區，即“高區”和“低區”[3-4]。例如外夾式超聲流量計用來測量液體流量時，在分界流量到最大流量之間，精確度確定為1%，而在最小流量到分界流量之間，精確度確定為2%，從而解決了在整個測量范圍內不同精確度的描述問題。因為百分比流量很小時，能夠達到的精確度比百分比流量大的高區要低一些，而流量計的使用者對“低區”的精確度也很關注。“低區”的精確度除了用示值誤差表示之外，有的也可用引用誤差來描述；“高區”和“低區”的分界大多用百分比流量表示，有的也可用流速表示。

1.3不確定度和量程比的關系

GB/T 17611—1998中，精確度被定義為被測量的測量結果與(約定)真值間的一致程度，其定量表示應采用不確定度。好的精確度意味著小的隨機誤差和系統誤差。在同一標準中，系統不確定度的定義是與系統誤差有關的不確定度分量，它對平均值的影響不能通過多次測量來減小。

不確定度與量程比有著密切關系。同一臺儀表如果確定的精確度等級較高，只能在較低的量程比條件下得到；如果想得到較大的量程比，則必須降低精確度等級。因此，在確定一臺流量計不確定度時，同時要給出量程比數據。

將1臺新型差壓裝置與差壓變送器組成的流量測量系統放在流量標準裝置上標定，發現量程比為3∶1時，能得到0.3%的線性度，同時又確定該流量計的量程比為10∶1，但未驗證在10∶1量程比條件下是否仍能達到0.3%的精確度，也未做不確定度分析計算，這是有誤的。殊不知，在滿量程流量10%處，差壓只有滿量程差壓的1%，0.065%精確度等級的差壓變送器，此時的不確定度只能達到4.3%[5]，僅此一項就與所承諾的0.3%的精確度相去甚遠。

2 標準差壓流量計精確度等級的確定

2.1精確度等級的確定

流量計不確定度的確定是儀表制造廠對用戶所做的承諾，要有充分而可靠的理論依據和實驗數據來支持。

某儀表公司的差壓流量計用1臺高精度差壓變送器來測量天然氣流量，精確度等級1.5級，量程比可達65倍。殊不知在滿量程流量1/65處，差壓只有滿量程差壓的1/4225，且忽略氣體溫度壓力等因素對系統不確定度的影響，僅差壓測量不確定度的影響就相當大，即使采用當今世界上精確度等級最高的0.04%差壓變送器，在差壓為0.024%FS點，差壓變送器輸出為0～0.064%FS都有可能，毫無精確度可言。

2.2被測流體為液體時的不確定度

GB/T 2624—2006和ISO 5167： 2003(E)規定，標準孔板不確定度可達到0.5%[6-7]，在此基礎上，引入差壓測量不確定度。當被測流體為水時，系統不確定度可達到1%MV(1%不是引用誤差)。從不確定度估算來看，能夠達到1%系統不確定度的量程比不大，約6∶1，因為當流量為16.7%FS時，差壓為2.78%FS，該點的差壓測量不確定度為1.56%。按照差壓不確定度與流量測量不確定度的關系可知，差壓測量不確定度引入的流量測量不確定度最多為0.78%[8-9]，按系統不確定度合成公式計算[8]，系統不確定度可優于1%。

在水流量標準裝置上對標準孔板流量計系統(配0.065級差壓變送器)進行檢定時，如果系統進行了雷諾數自動補償，量程比一般能達到10∶1，即在10%FS的流量檢定點，仍能通過1%FS精確度的檢定，是因為該檢定點對應的差壓只有1%FS，已經接近零點，而在流量檢定操作過程中，都有一項校零操作，即閥門關閉、測量管內流體流速為零時，將流量計示值調到零，所以此時的差壓測量實際不確定度比計算公式給出的結果要小一些。

2.3被測流體為蒸汽時的不確定度

被測流體為蒸汽和組分穩定的氣體時，能夠達到的不確定度要比測量液體時大，這是因為絕大多數液體密度較穩定，當溫度穩定時，其密度是一個常數，在溫度變化時，其密度也只有微小的變化，只要進行溫度補償就可忽略密度影響。但是蒸汽和氣體的密度測量較復雜，對流量測量的影響很大。氣體流量測量的另一個難點是其可膨脹性[10]，在測量液體時，液體可以認為是不可壓縮流體，ε恒為1，所以在系統不確定度分析中，無可膨脹性影響。

引入密度測量不確定度影響和可膨脹性影響后，被測流體為蒸汽和組分穩定的氣體時，系統不確定度只能達到1.5%，能滿足國家標準GB 17167—2006的要求[11]，量程比也能達到6∶1。

2.4雙量程差壓流量計的量程比

雙量程差壓流量計在原有差壓變送器的基礎上增設了1臺低量程差壓變送器，從而使低量程段的差壓測量精確度得到了提高，進而提高系統精確度[12]。在保證精確度的基礎上，量程比得到大幅度提高。其系統不確定度和量程比如下：

1) 被測流體為液體時，(1%～3%)FS區間，系統不確定度為低量程上限的±1.0%；(3%～100%)FS區間，系統不確定度為流量示值的±1.0%。

2) 被測流體為蒸汽和組分穩定的氣體時，(1%～3%)FS區間，系統不確定度為低量程上限的±1.5%；(3%～100%)FS區間，系統不確定度為流量示值的±1.5%。從量程比的定義來看，上述指標對應的量程比為100∶1。

實際上，保證示值誤差1.0%和1.5%的量程比僅有33∶1，其中，高量程差壓變送器覆蓋的量程比僅有5.77∶1，低量程差壓變送器覆蓋的量程比也僅有5.77∶1，由于5.77<6，所以不確定度估算的結果精確度是有保證的。雙量程差壓流量計不確定與量程比的完整分析詳見文獻[13]。

3 不確定度與量程比的驗證

3.1驗證方法

差壓式流量計現行檢定規程JJG 640—1994，該規程規定，不管流量計測量的介質是什么，都可以放在水流量標準裝置上實流檢定，但該規程只對組成系統的各單元進行單表檢定[14]，沒有系統檢定，因此根據JJG 897—95《質量流量計檢定規程》[15]，將1套差壓式流量計當作1臺質量流量計檢定。不同流體的差壓流量計檢定的理論基礎是動力學相似，即同一套流量計測量不同的流體，流體的性質不同，但只要有相同雷諾數就有相同的流出系數，因此，用水檢定合格的差壓流量計，測量其他流體也是合格的。

3.2驗證結果

具體在水流量標準裝置上檢定的流量計共6臺，其中DN80有2臺，DN200有4臺，各臺表驗證的結果見表1～6所列。誤差曲線如圖1～6所示。

表1 檢定結果(被檢表編號： FE-3201-1)

表2 檢定結果(被檢表編號： FE-3201-2)

表3 檢定結果(被檢表編號： FE-2781-1)

表4 檢定結果(被檢表編號： FE-2781-2)

表5 檢定結果(被檢表編號： FE-2881-1)

表6 檢定結果(被檢表編號： FE-2881-2)

圖1 誤差曲線(被檢表編號： FE-3201-1)

圖2 誤差曲線(被檢表編號： FE-3201-2)

圖3 誤差曲線(被檢表編號： FE-2781-1)

圖4 誤差曲線(被檢表編號： FE-2781-2)

圖5 誤差曲線(被檢表編號： FE-2881-1)

圖6 誤差曲線(被檢表編號： FE-2881-2)

3.3檢定數據的利用

檢定數據是一個資源，合理地利用能使系統精確度進一步提高，但在大多數情況下，這些數據只作為判定儀表是否合格的依據。從圖1～圖6誤差隨流量變化的關系曲線可以看出，曲線比較平滑，如果將各檢定點的示值乘上一個合適的誤差校正系數，可將各點誤差校正掉，這種校正可以在流量二次表中用10段折線予以實現。經誤差校正的流量計如果在流量標準裝置上重復作檢定點的誤差試驗，可做到基本沒有誤差，但是在具體試驗中，還是存在0.1%以下的微小誤差，這是由流量計的重復性誤差引起的。

采用誤差校正的方法能使系統精確度顯著提高，但由于重復性誤差的存在，變送器和二次表等的時漂以及介質不同引起的誤差，最終流量計仍會有一定的誤差，誤差一般不大于0.5%。但配套校驗配套使用，如果變送器(尤其是差壓變送器)或二次表更換過，原來各檢定點的誤差值會有明顯的變化，則原來的誤差校正系數就不再正確了，必須重新標定，才能獲得0.5%的精確度。

4 結束語

1) 標準孔板流量計，如果只配用1臺差壓變送器，理論分析只能得到6∶1的量程比，但經雷諾數補償和其他各項補償后，在流量標準裝置上驗證，實際能達到10∶1的量程比。

2) 增設了1臺低量程差壓變送器后，由于低量程段差壓測量精確度提高33倍，量程比可達100∶1，其中在(3%～100%)FS區間，系統不確定度可達1%(液體)和1.5%(蒸汽等)，在水流量標準裝置上的驗證結果證明了這一點。

3) 利用實流標定數據繪制誤差曲線，并在流量二次表中用折線法進行誤差校正，可使系統不確定度提高到0.5%。

4) 流量二次表用HART通信的方法到差壓變送器直接讀取差壓值，到壓力變送器直接讀取壓力值，從而消除了變送器中的D/A轉換和流量二次表中的A/D轉換引入的誤差，可使系統不確定度進一步改善。

5) 雙量程標準差壓流量計，其系統不確定度經依據相關標準進行的分析計算，能達到國家標準GB 17167—2006的要求，量程比可達100∶1，該結論得到權威機構實流檢定確認。

[1] 上 海工業自動化儀表研究所.GB/T 22133—2008 流體流量測量——規定流量儀表性能的方法[S].北京： 中國標準出版社，2009.

[2] 姜仲霞，姜川濤，劉桂芳. 渦街流量計[M]. 北京： 中國石化出版社，2006.

[3] 紀綱. 流量測量儀表應用技巧[M].2版. 北京： 化學工業出版社，2009： 55.

[4] 中國計量科學研究院.JJG 1030—2007 超聲流量計檢定規程[S].北京： 中國標準出版社，2007.

[5] 中石油工程設計有限公司西南分公司.GB/T 21446—2008 用標準孔板流量計測量天然氣流量[S]. 北京： 中國標準出版社，2008.

[6] ISO.ISO 5167-2： 2003(E) Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-section Conduits Running Full [S]. Switzerland： ISO， 2003.

[7] 上海工業自動化儀表研究所. 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[S]. 北京： 中國標準出版社，2007.

[8] 王池. 流量測量不確定度分析[M]. 北京： 中國計量出版社，2002： 61-66.

[9] 蔡武昌，孫淮清，紀綱. 流量測量方法和儀表的選用[M].北京： 化學工業出版社，2001.

[10] 紀綱，紀波峰. 流量測量系統遠程診斷集錦[M]. 北京： 化學工業出版社，2012： 18-23.

[11] 全國節能監測管理中心.GB 17167—2006 用能單位能源計量器具配備和管理通則[S].北京： 中國標準出版社，2006.

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[13] 中國計量科學研究院.JJG 640—1994 差壓式流量計檢定規程[S].北京： 中國計量出版社，1994.

[14] 翟秀貞，楊宗玉.JJG 897—95 質量流量計檢定規程[S].北京： 中國計量出版社，1995.

VerificationofUncertaintyandTurnDownRatioforDualRangeDPFlowmeter

Wei Zheng1， Xie Lin2， Ji Bofeng3， Chen Jie3， Ji Gang3

(1. Yancheng Thermal Power Co.Ltd.， Yancheng， 224006， China；2. Electric Power Research Institute， SMETC， Shanghai， 200437， China；3. Shanghai Tontion Automation Instrumentation Co. Ltd.， Shanghai， 200070， China)

The turn down ratio is not big enough for measuring fluid flow by differential pressure due to square root characteristic between flow and differential pressure (DP) signal. In dual range DP flowmeter， an extra DP transmitter at low range is set up， and the DP measurement accuracy is increased for 33 times in low range， and improves flow measurement accuracy in low range. After calculation of uncertainty with the formulation provided in national and international standards， it is less than 1.0% when measuring liquid flow， and is less than 1.5% when measuring steam and gas with stable component， and the turn down ratio reaches to 100∶1. The test data with 6 dual range DP flowmeter on the water flow standard device withDN80 andDN200 verifies the error is slightly smaller than the calculated value， and is better than technical specifications. It’s also verified in practice.

dual range； differential pressure flowmeter； uncertainty； turn down ratio； verification

稿件收到日期： 2013-06-24，修改稿收到日期2013-08-21。

魏崢(1968—)，1990年畢業于東南大學物理電子技術專業，獲學士學位，現就職于鹽城熱電有限責任公司，主管計量工作，任工程師。

TH814

B

1007-7324(2013)06-0054-04