寬量程比差壓流量計的研究

戴建剛,沈創謙,紀波峰,紀綱

(1. 江蘇利電能源有限公司,江蘇 無錫 214431;2. 深圳煙草工業有限責任公司,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,新型流量計已多達幾十種,由于差壓式流量計的眾多優點,在很多應用方面仍具有突出的優勢。該類型流量計的特性包括[1]: 優異的穩定性、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;按照標準設計、制造、檢驗、安裝和使用后,無需實流標定,采用幾何檢定法檢定標準差壓裝置,就能獲得規定的準確度,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用一直受到關注。

1 寬量程比差壓式流量計的演變

1.1 早期實現寬量程采取的措施

1.1.1更換孔板流量計擴大量程比

20世紀70年代之前,標準孔板流量計已被廣泛使用和認可,但是其量程比只能達到3∶1,要想擴大量程比,簡單而可靠的方法就是更換標準孔板流量計。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準孔板,從而實現量程比擴大幾十倍甚至上百倍。該方法的優點是簡單可靠,但需經常更換孔板,勞動強度高,效率低。

1.1.2量程不同的多套流量計并聯使用

多套流量計并聯后通過閥門切換使用,流量小時開小量程流量計并關閉大量程流量計前的閥門,流量大時開大量程流量計并關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。該方法的優點是簡單可靠可以將量程比擴大到任意值,但投資大幅增加且易發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70年代,出現了2臺測量上限不同的差壓式流量計合用1臺標準孔板流量計,通過閥門切換實現擴大量程比的案例,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。該方法較經濟,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,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量程自動切換和流量顯示,實現了量程比的擴大[2]。

雙量程差壓變送器是在原有的反饋動圈上并聯1個用銅導線繞成的分流電阻實現。分流電阻接入時,負反饋作用減弱,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),當示值小于30%FSH時SWL接點被觸發,經邏輯運算器將分流電阻接通,切入低量程(FSL)狀態;當電流相應增大,示值大于95%FSL時,SWH接點被觸發,經邏輯運算器將分流電阻斷開,切回FSH狀態。邏輯電路可驅動2個指示燈,告知動圈指示儀當前的量程范圍。

1.2 現階段實現寬量程采用的新技術

1.2.1多臺差壓變送器實現自動切換

21世紀初,隨著微電子技術、計算機技術、通信技術、傳感器技術的發展,國際上出現了智能差壓變送器,不僅準確度大幅提高,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一步拓寬,性能進一步提高創造了條件。于是出現了多臺變送器可自動切換,雷諾數、可膨脹性系數可自動補償的雙量程差壓式流量計[3-4]。2003年國際標準化組織發布了ISO 5167: 2003Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull,進一步優化了標準差壓式流量計的數學模型,使流量不確定度得到進一步改善[5-6]。用4～20 mA信號傳輸的雙量程差壓式流量計測量系統結構如圖1所示。

圖1 用4～20 mA信號傳輸的雙量程差壓式流量計測量系統結構示意

1.2.2 用數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的準確度;改進的方法是用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通信方法傳輸的雙量程差壓式流量計測量系統結構如圖2所示。采用數字通信方式,相應的流量不確定度也得到進一步改善,在30∶1量程比范圍內,流量不確定度可達1.0%[7-8]。

圖2 用HART通信方法傳輸的雙量程差壓式流量計測量系統結構示意

1.2.3特殊寬量程比的實現方法

30∶1量程比的雙量程差壓式流量計能滿足絕大多數測量需要,但對個別特殊對象,量程不夠。例如某特種設備安全檢驗檢測研究院的安全閥型式試驗裝置中,配有多套標準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]規定,在標準孔板差壓裝置檢定合格的情況下,只要雷諾數不小于4.0×103,流出系數就能保證0.5%的不確定度,所以標準孔板流量計的流出系數不確定度與量程無關,在滿足要求的測量范圍內,能達到要求的準確度。

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,過范圍成為常態化。

2.2 過范圍對差壓變送器技術性能的影響

差壓變送器在承受過范圍信號后,對其技術性能總是有一定影響。在儀表的性能指標中,屬影響量影響,具體指標由儀表制造廠做出規定,但在大多數儀表產品樣本中并未列出,然而也有列出者。例如橫河公司在其產品樣本中以膜盒M為例,給出了變送器正負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《工業過程控制系統用變送器 第2部分: 檢查和例行試驗方法》[10]規定,在試驗前,應測量輸入值為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。同時規定差壓變送器應在兩個方向上進行過范圍試驗。

2.4 長時間過范圍影響試驗

從2.2節的描述可知,文獻[10]規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據見表1所列。

表1 短時間和長時間過范圍試驗測量數據

由表1可知,樣機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%準確度來說,在允許范圍內。

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準孔板、噴嘴和文丘里管,適用的檢定規程為JJG 640—2016《差壓式流量計檢定規程》[11]。

文獻[11]介紹的檢定方法有幾何檢定法、流量系數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,因此應用最多。采用該方法檢定時,除了對差壓裝置進行檢定外,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進行檢定。其中,流量計算機所依據的規程為JJG 1003—2016《流量積算儀》[12]和GB 50039—2013《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》[13],高量程和低量程需分別做檢測。

文獻[11]規定,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確性的重要環節。1套品質合格的流量計,如果檢定合格,但在現場安裝不合格,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的規定[15]。例如測量蒸汽流量時,差壓取壓口應位于差壓裝置水平中心線上,這時導壓管內的流體是蒸汽冷凝而成的液體,導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,有利于防止導壓管內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套標準孔板流量計,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125∶1,造成流量測量困難。配置的1套標準孔板流量計測量質量流量范圍為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。儀表生產商經設計計算后決定采用三量程孔板流量計提高量程比的方案,并用數字通信的方法確保系統準確度,即流量計算機以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,并在流量計算機中實現密度、雷諾數和可膨脹性系數的自動補償。流量計重新投運后,實現了小流量測量,但在與流量計串聯的閥門關閉后,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。經反復檢查后確認相關儀表都工作正常,但發現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,發現負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 流量測量準確度的現場驗證

流量測量儀表投入運行,需進行測量準確度的現場驗證,流量測量準確度是否達到預定目標,要由工藝、管理專業或業主代表認可。流量測量項目不管是大是小,總是包含設計選型環節、儀表制造和質檢環節、計量檢定環節以及安裝調試環節等,任何一個環節存在瑕疵或考慮不周都會影響測量準確度。關于準確度驗證問題,已經有多篇文獻做過專題討論,此文不再一一敘述[16-17]。

6 結束語

標準差壓式流量計有許多優點,但存在量程比不夠寬的缺點。擴大量程比的方法有不同的發展階段,都是與差壓測量儀表的發展水平相對應的。最新型的智能差壓變送器能達到±0.04%準確度,允許單向承受額定靜壓,將該差壓信號用HART通信的方法不經過A/D或D/A轉換,不損失精度地傳送到流量計算機,并按國際標準進行雷諾數和可膨脹性系數的自動補償,能得到1.0%流量不確定度。其中,雙量程標準孔板流量計能做到30∶1量程比,三量程流量計能做到125∶1量程比,已投入現場實現了長周期使用。

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。該類型流量計可采用JJG 640—2016檢定規程予以檢定。

流量計的安裝應遵守相應的規程,最不起眼的細節都有可能導致差壓信號的傳遞失真,導致測量誤差。流量測量準確度的驗證是流量測量工程的重要環節,一旦發現測量結果超差,即需要會同有關專業查找原因,直至驗收合格。