宽量程比差压流量计的研究

戴建刚,沈创谦,纪波峰,纪纲

(1. 江苏利电能源有限公司,江苏 无锡 214431;2. 深圳烟草工业有限责任公司,广东 深圳 518109;3. 上海同欣自动化仪表有限公司,上海 200070)

差压式流量计是历史最悠久、积累资料最丰富、使用范围最广的流量计之一。几十年来,新型流量计已多达几十种,由于差压式流量计的众多优点,在很多应用方面仍具有突出的优势。该类型流量计的特性包括[1]: 优异的稳定性、可靠性和抗振动能力;适用于高温、高压、低静压、低流速、低密度流体;通径从小到大,系列齐全;变更量程方便;按照标准设计、制造、检验、安装和使用后,无需实流标定,采用几何检定法检定标准差压装置,就能获得规定的准确度,为用户带来方便。但是,该类流量计也存在测量量程范围窄的问题,尤其是对测量范围要求高的测量对象。因此,宽量程比差压式流量计应用一直受到关注。

1 宽量程比差压式流量计的演变

1.1 早期实现宽量程采取的措施

1.1.1更换孔板流量计扩大量程比

20世纪70年代之前,标准孔板流量计已被广泛使用和认可,但是其量程比只能达到3∶1,要想扩大量程比,简单而可靠的方法就是更换标准孔板流量计。因此,在不变更差压测量方式的情况下,在同1根管道上更换多块量程不同的标准孔板,从而实现量程比扩大几十倍甚至上百倍。该方法的优点是简单可靠,但需经常更换孔板,劳动强度高,效率低。

1.1.2量程不同的多套流量计并联使用

多套流量计并联后通过阀门切换使用,流量小时开小量程流量计并关闭大量程流量计前的阀门,流量大时开大量程流量计并关闭小量程流量计前的阀门,小量程、大量程流量计也可同时使用。该方法的优点是简单可靠可以将量程比扩大到任意值,但投资大幅增加且易发生切换不及时的问题。

1.1.3多台差压式流量计切换使用

20世纪70年代,出现了2台测量上限不同的差压式流量计合用1台标准孔板流量计,通过阀门切换实现扩大量程比的案例,该时期使用的差压式流量计是不允许量程过范围使用的,采用人工切换的方法实为不得已而为之。该方法较经济,但存在切换不及时和操作麻烦的缺点。

1.1.4可变量程差压变送器方法

1981年,上海溶剂厂仪表人员受多台差压式流量计切换使用方法的启发,将DDZ-Ⅱ型差压变送器改造成双量程差压变送器,并用动圈指示报警仪实现量程自动切换和流量显示,实现了量程比的扩大[2]。

双量程差压变送器是在原有的反馈动圈上并联1个用铜导线绕成的分流电阻实现。分流电阻接入时,负反馈作用减弱,差压量程减小,分流电阻由动圈指示报警仪的输出接点SWH和SWL切换。变送器输出的电流值经开平方运算后传输至该指示报警仪,分流电阻断开时,指示为高量程(FSH),当示值小于30%FSH时SWL接点被触发,经逻辑运算器将分流电阻接通,切入低量程(FSL)状态;当电流相应增大,示值大于95%FSL时,SWH接点被触发,经逻辑运算器将分流电阻断开,切回FSH状态。逻辑电路可驱动2个指示灯,告知动圈指示仪当前的量程范围。

1.2 现阶段实现宽量程采用的新技术

1.2.1多台差压变送器实现自动切换

21世纪初,随着微电子技术、计算机技术、通信技术、传感器技术的发展,国际上出现了智能差压变送器,不仅准确度大幅提高,可靠性大幅提升,而且能承受单向静压,为差压式流量计量程比进一步拓宽,性能进一步提高创造了条件。于是出现了多台变送器可自动切换,雷诺数、可膨胀性系数可自动补偿的双量程差压式流量计[3-4]。2003年国际标准化组织发布了ISO 5167: 2003Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull,进一步优化了标准差压式流量计的数学模型,使流量不确定度得到进一步改善[5-6]。用4～20 mA信号传输的双量程差压式流量计测量系统结构如图1所示。

图1 用4～20 mA信号传输的双量程差压式流量计测量系统结构示意

1.2.2 用数字通信方法传输信号的精确度

如果来自变送器的信号全部用模拟信号传送,大约要损失0.10%FS的准确度;改进的方法是用HART通信传送该类信号,做到完全不损失精确度,所以变相地增加了量程范围。用HART通信方法传输的双量程差压式流量计测量系统结构如图2所示。采用数字通信方式,相应的流量不确定度也得到进一步改善,在30∶1量程比范围内,流量不确定度可达1.0%[7-8]。

图2 用HART通信方法传输的双量程差压式流量计测量系统结构示意

1.2.3特殊宽量程比的实现方法

30∶1量程比的双量程差压式流量计能满足绝大多数测量需要,但对个别特殊对象,量程不够。例如某特种设备安全检验检测研究院的安全阀型式试验装置中,配有多套标准孔板流量计用于测量空气流量和蒸汽流量,由于试验的安全阀试验压力不同,排放流量大小悬殊,所以要求流量计具有125∶1的量程比,为此采用了高、中、低三档量程。高量程差压上限达到390 kPa。由于GB/T 2624—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》[9]规定,在标准孔板差压装置检定合格的情况下,只要雷诺数不小于4.0×103,流出系数就能保证0.5%的不确定度,所以标准孔板流量计的流出系数不确定度与量程无关,在满足要求的测量范围内,能达到要求的准确度。

2 差压变送器量程过范围问题讨论

2.1 低量程差压变送器过范围工况现状

在由多台差压变送器组成的宽量程差压式流量计中,差压装置输出的差压信号同时送入不同测量上限的差压变送器,由于差压Δpmax信号会在0～100%甚至更大的范围内变化,所以变送器承受过范围信号无法回避,尤其是差压上限最低的1台,过范围成为常态化。

2.2 过范围对差压变送器技术性能的影响

差压变送器在承受过范围信号后,对其技术性能总是有一定影响。在仪表的性能指标中,属影响量影响,具体指标由仪表制造厂做出规定,但在大多数仪表产品样本中并未列出,然而也有列出者。例如横河公司在其产品样本中以膜盒M为例,给出了变送器正负压信号输入口交替单向承受额定静压14 MPa后零点漂移曲线如图3所示,长期过压后的零点漂移误差曲线如图4所示。

图3 过压引起的零点漂移曲线示意(量程为0～10 kPa)

图4 长期过压后的零点漂移误差曲线示意(量程为0～10 kPa)

2.3 过范围影响试验

过范围影响试验的目的是确定仪表由于输入过范围信号后,造成仪表在施加正常输入时的输出变化。

GB/T 17614.2—2015《工业过程控制系统用变送器 第2部分: 检查和例行试验方法》[10]规定,在试验前,应测量输入值为0和100%时的输出值,然后将输入增大到制造厂规定的最大过范围值,施加过范围值1 min后,输入降低到公称范围下限值,再施加过范围值5 min后,利用与前述相同的输入确定观测到的输出变化。同时规定差压变送器应在两个方向上进行过范围试验。

2.4 长时间过范围影响试验

从2.2节的描述可知,文献[10]规定的过范围属于短时过范围。仪表制造厂一般承诺,被试表在经过短时过范围后,输出变化不大于基本允许误差。但是,如果过范围的时间很长,输出变化会是怎样呢?在宽量程差压式流量计中,低量程差压变送器所承受的就是这种过范围。为此,笔者做了既包含短时过范围又包含长间过范围的试验,样机为横河公司的EJA110A-DLS5A变送器,量程为0～3 kPa,过范围时间为24 h,过范围输入为100 kPa,这与仪表的正常使用条件相似。短时间和长时间过范围试验测量数据见表1所列。

表1 短时间和长时间过范围试验测量数据

由表1可知,样机短时过范围后输出变化最大为-0.02%;长时间过范围16 h后观测,输出变化为-0.09%。

2.5 过范围对差压流量计准确度的影响

过范围影响属于影响量影响,不属于基本允许误差考核范围。长时间过范围后,零位输出虽然变化到-0.09%,但对于整套流量计1.0%准确度来说,在允许范围内。

3 流量计的检定

宽量程差压流量计所配用的差压装置大多为标准孔板、喷嘴和文丘里管,适用的检定规程为JJG 640—2016《差压式流量计检定规程》[11]。

文献[11]介绍的检定方法有几何检定法、流量系数检定法和示值误差检定法。其中几何检定法最简单,成本最低,因此应用最多。采用该方法检定时,除了对差压装置进行检定外,还必须对配套的差压变送器、压力变送器、温度传感器和流量计算机进行检定。其中,流量计算机所依据的规程为JJG 1003—2016《流量积算仪》[12]和GB 50039—2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》[13],高量程和低量程需分别做检测。

文献[11]规定,采用示值误差检定法检定,检定点一般不少于5个,分别为qmmax, 0.75qmmax, 0.5qmmax, 0.25qmmax,qmmin。所以,如果制造厂承诺量程比为30∶1,则最小检定点就为0.033qmmax。

4 流量计的安装

流量计的正确安装是保证流量测量准确性的重要环节。1套品质合格的流量计,如果检定合格,但在现场安装不合格,就会引入额外的误差,甚至完全无法正常测量[14]。

GB/T 26801—2011《封闭管道中流体流量的测量一次装置和二次装置之间压力信号传送的连接法》对差压装置与差压变送器之间压力信号传递的连接法做了详细的规定[15]。例如测量蒸汽流量时,差压取压口应位于差压装置水平中心线上,这时导压管内的流体是蒸汽冷凝而成的液体,导压管向下倾斜连接到差压变送器,推荐的差压取压口方位如图5所示。

图5推荐的方法中,根部阀手柄置于水平方位,有利于防止导压管内汽液交换引起的差压信号脉动[16]。根部阀需选用直通阀[9],2个冷凝罐的高度必须保持一致,防止变送器接收到的差压信号与差压装置输出的差压信号不相等。

以该蒸汽安全阀型式试验装置为例,其中一路DN150蒸汽管上配有1套标准孔板流量计,测量安全阀的排放流量。由于该试验装置试验的安全阀,通径大小悬殊,试验压力在0.6～2.4 MPa不等,故流量计量程比要求高达125∶1,造成流量测量困难。配置的1套标准孔板流量计测量质量流量范围为0～50 t/h,差压范围为0～390 kPa,仪表投入运行后,流量降到1.5 t/h以下时显示值为0。仪表生产商经设计计算后决定采用三量程孔板流量计提高量程比的方案,并用数字通信的方法确保系统准确度,即流量计算机以HART通信方式读取高、中、低3台智能差压变送器和1台压力变送器的差压值和压力值,做到信号的无误差传输与演算,并在流量计算机中实现密度、雷诺数和可膨胀性系数的自动补偿。流量计重新投运后,实现了小流量测量,但在与流量计串联的阀门关闭后,仍有150 kg/h流量显示,此时压力约为0.6 MPa,显然与要求相差甚远。经反复检查后确认相关仪表都工作正常,但发现低量程和中量程差压变送器都有50 Pa的差压输出,于是使用水平尺检查2个冷凝罐的高度,发现负压冷凝罐与正压冷凝罐高度相差5 mm,采取措施,使2个罐等高后,该问题得到解决。

5 流量测量准确度的现场验证

流量测量仪表投入运行,需进行测量准确度的现场验证,流量测量准确度是否达到预定目标,要由工艺、管理专业或业主代表认可。流量测量项目不管是大是小,总是包含设计选型环节、仪表制造和质检环节、计量检定环节以及安装调试环节等,任何一个环节存在瑕疵或考虑不周都会影响测量准确度。关于准确度验证问题,已经有多篇文献做过专题讨论,此文不再一一叙述[16-17]。

6 结束语

标准差压式流量计有许多优点,但存在量程比不够宽的缺点。扩大量程比的方法有不同的发展阶段,都是与差压测量仪表的发展水平相对应的。最新型的智能差压变送器能达到±0.04%准确度,允许单向承受额定静压,将该差压信号用HART通信的方法不经过A/D或D/A转换,不损失精度地传送到流量计算机,并按国际标准进行雷诺数和可膨胀性系数的自动补偿,能得到1.0%流量不确定度。其中,双量程标准孔板流量计能做到30∶1量程比,三量程流量计能做到125∶1量程比,已投入现场实现了长周期使用。

在双量程差压流量计中,低量程差压变送器有可能长时间承受过范围差压,通过测试结果表明,短时间过范围引起的输出变化可忽略不计;长时间过范围引起的输出变化,对于整套仪表的1.0%不确定度来说,还在允许范围之内。该类型流量计可采用JJG 640—2016检定规程予以检定。

流量计的安装应遵守相应的规程,最不起眼的细节都有可能导致差压信号的传递失真,导致测量误差。流量测量准确度的验证是流量测量工程的重要环节,一旦发现测量结果超差,即需要会同有关专业查找原因,直至验收合格。