陳勇，馬璐文，陳新亮，葉海青，紀(jì)綱，紀(jì)波峰(. 山東新和成藥業(yè)有限公司，山東 濰坊 608；. 杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，杭州 009；. 上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 00070)

雙量程孔板流量計(jì)不確定度及量程比

陳勇1，馬璐文1，陳新亮1，葉海青2，紀(jì)綱3，紀(jì)波峰3
(1. 山東新和成藥業(yè)有限公司，山東 濰坊 261108；2. 杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，杭州 310019；3. 上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070)

ISO 5167:2003(E)總結(jié)了20世紀(jì)90年代之后國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置的最新研究成果，在ISO 5167:1991(E)的基礎(chǔ)上作了多項(xiàng)重大改進(jìn)，其中標(biāo)準(zhǔn)孔板的不確定度上升到0.5%。在流量二次裝置中按照標(biāo)準(zhǔn)所提供的模型對(duì)流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε的非線性進(jìn)行補(bǔ)償后，保證系統(tǒng)不確定度1.5%(氣體、蒸汽)和1.0%(液體)的量程比可達(dá)10∶1。為了擴(kuò)大量程比，可增加1臺(tái)低量程差壓變送器，以提高量程低段的差壓測(cè)量精確度，進(jìn)而提高量程低段的流量測(cè)量精確度，并在流量二次裝置中實(shí)現(xiàn)量程切換和各項(xiàng)補(bǔ)償，量程比可達(dá)100∶1，從而將差壓法流量測(cè)量技術(shù)提高到一個(gè)新水平。根據(jù)特征點(diǎn)不確定度對(duì)估算進(jìn)行了論證，并在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上通過(guò)了驗(yàn)證。

雙量程 孔板流量計(jì) 不確定度 量程比 估算 驗(yàn)證

雙量程差壓流量計(jì)已有30多年的歷史，早在20世紀(jì)70年代國(guó)外就有將1臺(tái)差壓裝置配大小量程2臺(tái)差壓計(jì)，通過(guò)閥門切換，實(shí)現(xiàn)雙量程測(cè)量。20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)用1臺(tái)可變測(cè)量范圍差壓變送器與差壓裝置配合實(shí)現(xiàn)雙量程測(cè)量，高低量程的切換由帶電接點(diǎn)的動(dòng)圈指示儀自動(dòng)完成，從而省去了人工切換[1]?，F(xiàn)在的雙量程差壓流量計(jì)是基于智能化的流量二次表，不僅能自動(dòng)切換量程而且能對(duì)差壓裝置流量系數(shù)C的非線性、可膨脹性系數(shù)ε的非線性進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償[2-3]，而差壓變送器的精確度等級(jí)也由以前的±1%提高到±0.065%(最高達(dá)±0.04%)，差壓裝置的研究也取得了進(jìn)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(jì)系統(tǒng)不確定度的提高和量程比的拓寬創(chuàng)造了條件。

雙量程差壓流量計(jì)的本質(zhì)是1臺(tái)低量程差壓流量計(jì)與1臺(tái)高量程差壓流量計(jì)經(jīng)流量二次表實(shí)現(xiàn)連接[5]，其是在完全獨(dú)立的2套差壓流量計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。以前用1套量程較低的差壓流量計(jì)與1套量程較高的差壓流量計(jì)并聯(lián)使用，并用2個(gè)閥門進(jìn)行切換，用以擴(kuò)大量程比，如圖1所示。但是量程切換不方便，而且擔(dān)心切斷閥關(guān)不死，引起測(cè)量誤差。

圖1 2臺(tái)流量計(jì)并聯(lián)使用擴(kuò)大量程比

有方案將2套差壓式流量計(jì)串聯(lián)安裝在同一根管道上，用以擴(kuò)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(dú)立的2套流量計(jì)完成一個(gè)測(cè)量任務(wù)，投資也大幅增大。

圖2 用串聯(lián)的2臺(tái)流量計(jì)擴(kuò)大量程比

新型的雙量程差壓流量計(jì)，用1臺(tái)低量程差壓變送器和1臺(tái)高量程差壓變送器與同1臺(tái)差壓裝置配用，并用流量二次表自動(dòng)切換量程，既節(jié)約了投資又解決了永久性壓損增大問(wèn)題。該方法通過(guò)提高流量量程低段的差壓測(cè)量精確度，實(shí)現(xiàn)量程低段的流量測(cè)量精確度，擴(kuò)大量程比。經(jīng)過(guò)多方面的改進(jìn)，新型雙量程差壓流量計(jì)的量程比比單一量程差壓流量計(jì)量程比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)不確定度也有顯著改善。

1 新型雙量程差壓流量計(jì)的不確定度

新型雙量程差壓流量計(jì)的不確定度與被測(cè)流體的種類有關(guān)，而且同所配用的差壓變送器精確度等級(jí)有關(guān)。當(dāng)所配用的差壓變送器為0.065級(jí)或優(yōu)于0.065級(jí)并且合理確定低量程上限時(shí)，系統(tǒng)不確定度和量程比如下：

1) 被測(cè)流體： 液體；±1.0%讀數(shù)值，F(xiàn)S區(qū)間在3%～100%；±1.0%低量程上限，F(xiàn)S區(qū)間在1%～3%；量程比為100∶1。

2) 被測(cè)流體： 氣體，蒸汽；±1.5%讀數(shù)值，F(xiàn)S區(qū)間在3%～100%；±1.0%低量程上限，F(xiàn)S區(qū)間在1%～3%；量程比為100∶1。

不確定度估算應(yīng)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(shí)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(yùn)算在差壓變送器中完成。小信號(hào)切除點(diǎn)一般可取1%FS，當(dāng)被測(cè)流體為干氣體時(shí)，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(guān)系如圖3所示。

圖3 變送器輸出與流量的關(guān)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(shù)量級(jí)來(lái)看是個(gè)不小的數(shù)值。圖4所示為系統(tǒng)不確定度與相對(duì)流量的關(guān)系。

圖4 系統(tǒng)不確定度與流量的關(guān)系

2 特征點(diǎn)流程測(cè)量不確定度估算實(shí)例

測(cè)量結(jié)果不確定度估算是件難度較高的工作，理論性較強(qiáng)，較難掌握，但對(duì)一套具體的流量測(cè)量?jī)x表來(lái)說(shuō)，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不確定度估算還是可以實(shí)現(xiàn)的。

由于在一套儀表的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，不同的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不確定度是不同的，因而不確定度又與量程比密切相關(guān)。

在雙量程差壓流量計(jì)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(diǎn)在17.321%FS處，如果該點(diǎn)的不確定度能達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)，則測(cè)量示值大于17.321%FS時(shí)，系統(tǒng)不確定度會(huì)優(yōu)于預(yù)定的指標(biāo)。同理，在低量程段，3%FS點(diǎn)具有與高量程段17.321%FS相同的特點(diǎn)，為此將3%FS點(diǎn)作為特征點(diǎn)估算系統(tǒng)不確定度。

另外，量程下限作為特征點(diǎn)計(jì)算其系統(tǒng)不確定度也是用戶所關(guān)心的。下面以文獻(xiàn)[6]附錄D中的已知條件為基礎(chǔ)，計(jì)算特征點(diǎn)的不確定度。

3 雙量程孔板流量計(jì)3%FS特征點(diǎn)不確定度估算實(shí)例

3.1已知條件[6]

1) 介質(zhì)名稱： 氧氣；等熵指數(shù)κ=1.461。

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

3) 管道內(nèi)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(zhǔn)確度等級(jí)：ξΔp=0.065%。

5) 壓力變送器測(cè)量上限：pmax=4 MPa；壓力變送器準(zhǔn)確度等級(jí)：ξp=0.065%；常用壓力：p1=3.5 MPa(G)；當(dāng)?shù)仄骄髿鈮海簆a=89.04 kPa。

6) 溫度傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)為B級(jí)；常用溫度：t1=37 ℃。

3.2不確定度計(jì)算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和公式

3.2.1所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

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

3.2.2所依據(jù)的公式[7-8]

(1)

3.3各因子數(shù)值的計(jì)算

按照文獻(xiàn)[7]，本例中0.2≤β≤0.6，所以

(2)

按照文獻(xiàn)[7]，用下式計(jì)算：

(3)

式中： Δp——常用流量時(shí)的差壓，kPa；p1——節(jié)流件正端取壓口處常用壓力，kPa；κ——等熵指數(shù)。

(4)

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

因溫度傳感器(B級(jí)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(cè)氣體在操作條件下節(jié)流件正端取壓口絕對(duì)壓力測(cè)量的不確定度，其值用式(5)估算：

(5)

式中：ξp——壓力變送器準(zhǔn)確度等級(jí)；pk——壓力變送器上限對(duì)應(yīng)的絕對(duì)壓力pk=pk+pa，kPa；p1——常用絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)裝置上的驗(yàn)證

一套DN200雙量程孔板流量計(jì)在上海自動(dòng)化儀表研究院靜態(tài)容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度0.05%，驗(yàn)證點(diǎn)6個(gè)，在被校表安裝后做一次調(diào)零，然后不做任何調(diào)整，各試驗(yàn)點(diǎn)誤差見(jiàn)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(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.7結(jié)論

1) 本流量測(cè)量系統(tǒng)在滿量程流量3%特征點(diǎn)處的不確定度為0.9%，優(yōu)于差壓式氣體流量計(jì)的預(yù)定指標(biāo)1.5%。

2) 在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的驗(yàn)證結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果是正確的，而且在3%～100%，實(shí)際誤差也都遠(yuǎn)小于規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 新型雙量程差壓式流量計(jì)，由于引入了1臺(tái)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(tái)差壓式流量計(jì)變成高低量程2臺(tái)差壓式流量計(jì)，從而大幅提高了量程低段的流量測(cè)量精確度。

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

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

4) 應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)組成的雙量程差壓流量計(jì)，采用一體化結(jié)構(gòu)，清除了差壓信號(hào)傳遞失真，從而使系統(tǒng)精確度有了保證。經(jīng)在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上驗(yàn)證，上面的估算結(jié)果是正確的。

5) 流量顯示裝置采用HART通信的方法得到2臺(tái)差壓變送器和1臺(tái)壓力變送器讀取測(cè)量值，不僅杜絕D/A及A/D轉(zhuǎn)換引入的誤差，使系統(tǒng)精確度更有保證，而且可節(jié)省信號(hào)電纜。

[1]紀(jì)綱,張延華,郭綺就.雙量程差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，1983(05)：4，38，42-44.

[2]王建忠,紀(jì)綱.差壓流量計(jì)范圍度問(wèn)題研究[J].自動(dòng)化儀表,2005，26(08):7-9.

[3]王建忠,紀(jì)綱.節(jié)流式差壓計(jì)為何仍有優(yōu)勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表,2006，27(07)： 63-66.

[4]孫延祚.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167:2003(E)的主要變化及應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)辦法[J].中國(guó)計(jì)量,2004(06)： 38-41.

[5]程建三,紀(jì)綱.雙量程差壓流量計(jì)的新進(jìn)展[J].石油化工自動(dòng)化,2009，45(02):54-57.

[6]紀(jì)綱,紀(jì)波峰.流量測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷集錦[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:264-268.

[7]上海工業(yè)自動(dòng)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(cè)量滿管流體流量[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[8]中石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司.GB/T 21446—2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[9]上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所.JB/T 8622—1997工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表[S].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[10]紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)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(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，任山東新和成藥業(yè)有限公司設(shè)備動(dòng)力部經(jīng)理，自動(dòng)化儀表工程師。

TH814

B

1007-7324(2013)05-0052-05