雙量程孔板流量計不確定度及量程比

陳勇，馬璐文，陳新亮，葉海青，紀綱，紀波峰(. 山東新和成藥業有限公司，山東 濰坊 608；. 杭州市質量技術監督檢測院，杭州 009；. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 00070)

雙量程孔板流量計不確定度及量程比

陳勇1，馬璐文1，陳新亮1，葉海青2，紀綱3，紀波峰3
(1. 山東新和成藥業有限公司，山東 濰坊 261108；2. 杭州市質量技術監督檢測院，杭州 310019；3. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

ISO 5167:2003(E)總結了20世紀90年代之后國際上標準差壓裝置的最新研究成果，在ISO 5167:1991(E)的基礎上作了多項重大改進，其中標準孔板的不確定度上升到0.5%。在流量二次裝置中按照標準所提供的模型對流出系數C和可膨脹性系數ε的非線性進行補償后，保證系統不確定度1.5%(氣體、蒸汽)和1.0%(液體)的量程比可達10∶1。為了擴大量程比，可增加1臺低量程差壓變送器，以提高量程低段的差壓測量精確度，進而提高量程低段的流量測量精確度，并在流量二次裝置中實現量程切換和各項補償，量程比可達100∶1，從而將差壓法流量測量技術提高到一個新水平。根據特征點不確定度對估算進行了論證，并在流量標準裝置上通過了驗證。

雙量程 孔板流量計 不確定度 量程比 估算 驗證

雙量程差壓流量計已有30多年的歷史，早在20世紀70年代國外就有將1臺差壓裝置配大小量程2臺差壓計，通過閥門切換，實現雙量程測量。20世紀80年代，國內出現用1臺可變測量范圍差壓變送器與差壓裝置配合實現雙量程測量，高低量程的切換由帶電接點的動圈指示儀自動完成，從而省去了人工切換[1]。現在的雙量程差壓流量計是基于智能化的流量二次表，不僅能自動切換量程而且能對差壓裝置流量系數C的非線性、可膨脹性系數ε的非線性進行自動補償[2-3]，而差壓變送器的精確度等級也由以前的±1%提高到±0.065%(最高達±0.04%)，差壓裝置的研究也取得了進展，C和ε的模型精度有了顯著提高[4]，從而為差壓式流量計系統不確定度的提高和量程比的拓寬創造了條件。

雙量程差壓流量計的本質是1臺低量程差壓流量計與1臺高量程差壓流量計經流量二次表實現連接[5]，其是在完全獨立的2套差壓流量計的基礎上發展起來的。以前用1套量程較低的差壓流量計與1套量程較高的差壓流量計并聯使用，并用2個閥門進行切換，用以擴大量程比，如圖1所示。但是量程切換不方便，而且擔心切斷閥關不死，引起測量誤差。

圖1 2臺流量計并聯使用擴大量程比

有方案將2套差壓式流量計串聯安裝在同一根管道上，用以擴大量程比，如圖2所示，雖免除了切換閥的麻煩，但永久性壓損成倍增大。除此之外，用完全獨立的2套流量計完成一個測量任務，投資也大幅增大。

圖2 用串聯的2臺流量計擴大量程比

新型的雙量程差壓流量計，用1臺低量程差壓變送器和1臺高量程差壓變送器與同1臺差壓裝置配用，并用流量二次表自動切換量程，既節約了投資又解決了永久性壓損增大問題。該方法通過提高流量量程低段的差壓測量精確度，實現量程低段的流量測量精確度，擴大量程比。經過多方面的改進，新型雙量程差壓流量計的量程比比單一量程差壓流量計量程比提高了一個數量級，系統不確定度也有顯著改善。

1 新型雙量程差壓流量計的不確定度

新型雙量程差壓流量計的不確定度與被測流體的種類有關，而且同所配用的差壓變送器精確度等級有關。當所配用的差壓變送器為0.065級或優于0.065級并且合理確定低量程上限時，系統不確定度和量程比如下：

1) 被測流體： 液體；±1.0%讀數值，FS區間在3%～100%；±1.0%低量程上限，FS區間在1%～3%；量程比為100∶1。

2) 被測流體： 氣體，蒸汽；±1.5%讀數值，FS區間在3%～100%；±1.0%低量程上限，FS區間在1%～3%；量程比為100∶1。

不確定度估算應符合GB/T 2624—2006和GB/T 21446—2008的要求。

低量程差壓上限一般取高量程上限17.321%FS[5-6]，這時低量程變送器差壓上限值為高量程變送器的差壓上限值3%，開平方運算在差壓變送器中完成。小信號切除點一般可取1%FS，當被測流體為干氣體時，可更小一些。低量程差壓變送器和高量程差壓變送器的輸出與流量之間的關系如圖3所示。

圖3 變送器輸出與流量的關系

從圖3中可看出，低量程差壓變送器最小輸出為4.92 mA，從數量級來看是個不小的數值。圖4所示為系統不確定度與相對流量的關系。

圖4 系統不確定度與流量的關系

2 特征點流程測量不確定度估算實例

測量結果不確定度估算是件難度較高的工作，理論性較強，較難掌握，但對一套具體的流量測量儀表來說，按照有關標準進行不確定度估算還是可以實現的。

由于在一套儀表的整個測量范圍內，不同的點所對應的不確定度是不同的，因而不確定度又與量程比密切相關。

在雙量程差壓流量計中，如果選定低量程上限為17.321%FS，則高量程段不確定度最差的點在17.321%FS處，如果該點的不確定度能達到預定的指標，則測量示值大于17.321%FS時，系統不確定度會優于預定的指標。同理，在低量程段，3%FS點具有與高量程段17.321%FS相同的特點，為此將3%FS點作為特征點估算系統不確定度。

另外，量程下限作為特征點計算其系統不確定度也是用戶所關心的。下面以文獻[6]附錄D中的已知條件為基礎，計算特征點的不確定度。

3 雙量程孔板流量計3%FS特征點不確定度估算實例

3.1已知條件[6]

1) 介質名稱： 氧氣；等熵指數κ=1.461。

2) 流量測量上限：qmmax=3.329 t/h；常用流量：qm=2.330 t/h。

3) 管道內徑：D20=207 mm；孔板開孔直徑：d20=90.712 mm；直徑比：β=0.438。

4) 差壓上限： Δpmax=60 kPa；差壓變送器準確度等級：ξΔp=0.065%。

5) 壓力變送器測量上限：pmax=4 MPa；壓力變送器準確度等級：ξp=0.065%；常用壓力：p1=3.5 MPa(G)；當地平均大氣壓：pa=89.04 kPa。

6) 溫度傳感器準確度等級為B級；常用溫度：t1=37 ℃。

3.2不確定度計算所依據的標準和公式

3.2.1所依據的標準

ISO5167： 2003(E)和GB/T 2624—2006及GB/T 21446—2008。

3.2.2所依據的公式[7-8]

(1)

3.3各因子數值的計算

按照文獻[7]，本例中0.2≤β≤0.6，所以

(2)

按照文獻[7]，用下式計算：

(3)

式中： Δp——常用流量時的差壓，kPa；p1——節流件正端取壓口處常用壓力，kPa；κ——等熵指數。

(4)

被測氣體在操作條件下的熱力學溫度測量的不確定度，其值按溫度測量誤差限與T1之比值的2/3估算。

因溫度傳感器(B級鉑熱電阻)在常用溫度條件下的誤差限[9]ΔT1=(0.30+0.005|t1|)。

被測氣體在操作條件下節流件正端取壓口絕對壓力測量的不確定度，其值用式(5)估算：

(5)

式中：ξp——壓力變送器準確度等級；pk——壓力變送器上限對應的絕對壓力pk=pk+pa，kPa；p1——常用絕對壓力p1=p1+pa，kPa。

因本例中：ξp=0.065%；pk=4.0 MPa；p1=3.5 MPa；代入式(5)得：

將上述已知條件代入式(1)得：

3.6在流量標準裝置上的驗證

一套DN200雙量程孔板流量計在上海自動化儀表研究院靜態容積法水流量標準裝置上驗證，標準裝置不確定度0.05%，驗證點6個，在被校表安裝后做一次調零，然后不做任何調整，各試驗點誤差見表1所列。其中，允許誤差： ±1.0%，最大誤差： 0.57%。

表1 雙量程孔板流量計試驗數據

3.7結論

1) 本流量測量系統在滿量程流量3%特征點處的不確定度為0.9%，優于差壓式氣體流量計的預定指標1.5%。

2) 在流量標準裝置上的驗證結果表明，計算結果是正確的，而且在3%～100%，實際誤差也都遠小于規定的技術指標。

4 結束語

1) 新型雙量程差壓式流量計，由于引入了1臺低量程差壓變送器和具有雙量程演算功能的二次表，使1臺差壓式流量計變成高低量程2臺差壓式流量計，從而大幅提高了量程低段的流量測量精確度。

2) 單一量程差壓流量計，在引入流出系數C非線性補償和可膨脹性系數ε非線性補償，并配以高精確度差壓變送器后，量程比可達10∶1。而典型的雙量程差壓流量計在采用這些技術的基礎上，由于量程低段差壓測量精確度提高了33倍，因而使量程低段的系統精確度大幅提高，從而使量程比提高了一個數量級。

3) ISA 1932噴嘴的不確定度可達0.8%[7]，比標準孔板略差。但從上面的估算中可發現，確定不確定度指標中還留有余地。因此，用ISA 1932噴嘴組成的雙量程差壓流量計，也能達到100∶1的量程比。

4) 應用該項技術組成的雙量程差壓流量計，采用一體化結構，清除了差壓信號傳遞失真，從而使系統精確度有了保證。經在流量標準裝置上驗證，上面的估算結果是正確的。

5) 流量顯示裝置采用HART通信的方法得到2臺差壓變送器和1臺壓力變送器讀取測量值，不僅杜絕D/A及A/D轉換引入的誤差，使系統精確度更有保證，而且可節省信號電纜。

[1]紀綱,張延華,郭綺就.雙量程差壓式流量測量系統[J].自動化儀表，1983(05)：4，38，42-44.

[2]王建忠,紀綱.差壓流量計范圍度問題研究[J].自動化儀表,2005，26(08):7-9.

[3]王建忠,紀綱.節流式差壓計為何仍有優勢[J].自動化儀表,2006，27(07)： 63-66.

[4]孫延祚.國際標準ISO 5167:2003(E)的主要變化及應采取的應對辦法[J].中國計量,2004(06)： 38-41.

[5]程建三,紀綱.雙量程差壓流量計的新進展[J].石油化工自動化,2009，45(02):54-57.

[6]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,2012:264-268.

[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]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.

[9]上海工業自動化儀表研究所.JB/T 8622—1997工業鉑熱電阻技術條件及分度表[S].北京： 機械工業出版社，1997.

[10]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： 211-214.

UncertaintyandTurndownRatioforDualRangeDPFlowmeters

Chen Yong1, Ma Luwen1, Chen Xinliang1, Ye Haiqing2, Ji Gang3, Ji Bofeng3

(1. Shandong Xinhecheng pharmaceutical Co. Ltd., Weifang, 261108, China;

2. Hangzhou QTSI institute, Hangzhou, 310019, China;

3. Shanghai Tongxin Automatic Meter Co.Ltd., Shanghai，200070, China)

Latest international research results of standard differential pressure devices after 1990’s is summarized in ISO 5167:2003(E), and many improvements are made on the basis of ISO 5167:1991(E). The most significant one is the uncertainty of standard orifice reaching to 0.5%. According to the model provided in the standard, a nonlinear compensation to discharge coefficient and expandable coefficient in flow computer can ensure the turndown ratio could be 10∶1 with uncertainty around 1.5% (for gas, steam，and 1.0% for liquid). To increase turndown ratio, a low range DP transmitter can be added to improve DP measurement accuracy in low range, and improve flow measurement accuracy as well, and to realize the switching between high and low range at flow computer and making up compensation, and to reach turndown ratio 100∶1. Then the DP flow measurement steps on a high level. The estimation is demonstrated according to the characteristic of uncertainty, and is verified on flow standard device.

dual range; orifice flow meter; uncertainty; turndown ratio; estimation; verification

稿件收到日期：2013-06-08，修改稿收到日期2013-08-15。

陳勇，男，湖北蘄春人，2001年畢業于湖北汽車工業學院自動化專業，任山東新和成藥業有限公司設備動力部經理，自動化儀表工程師。

TH814

B

1007-7324(2013)05-0052-05