双量程孔板流量计不确定度及量程比

摘    要：

ISO 5167:2003 (E) 总结了20世纪90年代之后国际上标准差压装置的***新研究成果, 在ISO 5167:1991 (E) 的基础上作了多项重大改进, 其中标准孔板的不确定度上升到0.5%。在流量二次装置中按照标准所提供的模型对流出系数C和可膨胀性系数ε的非线性进行补偿后, 保证系统不确定度1.5% (气体、蒸汽) 和1.0% (液体) 的量程比可达10∶1。为了扩大量程比, 可增加1台低量程差压变送器, 以提高量程低段的差压测量度, 进而提高量程低段的流量测量度, 并在流量二次装置中实现量程切换和各项补偿, 量程比可达100∶1, 从而将差压法流量测量技术提高到一个新水平。根据特征点不确定度对估算进行了论证, 并在流量标准装置上通过了验证。

双量程差压流量计已有30多年的历史, 早在20世纪70年代国外就有将1台差压装置配大小量程2台差压计, 通过阀门切换, 实现双量程测量。20世纪80年代, 国内出现用1台可变测量范围差压变送器与差压装置配合实现双量程测量, 高低量程的切换由带电接点的动圈指示仪自动完成, 从而省去了人工切换[1]。现在的双量程差压流量计是基于智能化的流量二次表, 不仅能自动切换量程而且能对差压装置流量系数C的非线性、可膨胀性系数ε的非线性进行自动补偿[2-3], 而差压变送器的度等级也由以前的±1%提高到±0.065% (***高达±0.04%) , 差压装置的研究也取得了进展, C和ε的模型精度有了显著提高[4], 从而为差压式流量计系统不确定度的提高和量程比的拓宽创造了条件。

双量程差压流量计的本质是1台低量程差压流量计与1台高量程差压流量计经流量二次表实现连接[5], 其是在完全独立的2套差压流量计的基础上发展起来的。以前用1套量程较低的差压流量计与1套量程较高的差压流量计并联使用, 并用2个阀门进行切换, 用以扩大量程比, 如图1所示。但是量程切换不方便, 而且担心切断阀关不死, 引起测量误差。

图1 2台流量计并联使用扩大量程比   下载原图

有方案将2套差压式流量计串联安装在同一根管道上, 用以扩大量程比, 如图2所示, 虽免除了切换阀的麻烦, 但性压损成倍增大。除此之外, 用完全独立的2套流量计完成一个测量任务, 投资也大幅增大。

图2 用串联的2台流量计扩大量程比   下载原图

新型的双量程差压流量计, 用1台低量程差压变送器和1台高量程差压变送器与同1台差压装置配用, 并用流量二次表自动切换量程, 既节约了投资又解决了性压损增大问题。该方法通过提高流量量程低段的差压测量度, 实现量程低段的流量测量度, 扩大量程比。经过多方面的改进,**新型双量程差压流量计的量程比比单一量程差压流量计量程比提高了一个数量级, 系统不确定度也有显著改善。

新型双量程差压流量计的不确定度与被测流体的种类有关, 而且同所配用的差压变送器度等级有关。当所配用的差压变送器为0.065级或优于0.065级并且合理确定低量程上限时, 系统不确定度和量程比如下:

1) 被测流体:液体;±1.0%读数值, FS区间在3%~100%;±1.0%低量程上限, FS区间在1%~3%;量程比为100∶1。

2) 被测流体:气体, 蒸汽;±1.5%读数值, FS区间在3%~100%;±1.0%低量程上限, FS区间在1%~3%;量程比为100∶1。

不确定度估算应符合GB/T 2624—2006和GB/T 21446—2008的要求。

低量程差压上限一般取高量程上限17.321%FS[5-6], 这时低量程变送器差压上限值为高量程变送器的差压上限值3%, 开平方运算在差压变送器中完成。小信号切除点一般可取1%FS, 当被测流体为干气体时, 可更小一些。低量程差压变送器和高量程差压变送器的输出与流量之间的关系如图3所示。

图3 变送器输出与流量的关系   下载原图

从图3中可看出, 低量程差压变送器***小输出为4.92mA, 从数量级来看是个不小的数值。图4所示为系统不确定度与相对流量的关系。

图4 系统不确定度与流量的关系   下载原图

测量结果不确定度估算是件难度较高的工作, 理论性较强, 较难掌握, 但对一套具体的流量测量仪表来说, 按照有关标准进行不确定度估算还是可以实现的。

由于在一套仪表的整个测量范围内, 不同的点所对应的不确定度是不同的, 因而不确定度又与量程比密切相关。

在双量程差压流量计中, 如果选定低量程上限为17.321%FS, 则高量程段不确定度***差的点在17.321%FS处, 如果该点的不确定度能达到预定的指标, 则测量示值大于17.321%FS时, 系统不确定度会优于预定的指标。同理, 在低量程段, 3%FS点具有与高量程段17.321%FS相同的特点, 为此将3%FS点作为特征点估算系统不确定度。

另外, 量程下限作为特征点计算其系统不确定度也是用户所关心的。下面以文献[6]附录D中的已知条件为基础, 计算特征点的不确定度。

1) 介质名称:氧气;等熵指数κ=1.461。

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

3) 管道内径:D20=207mm;孔板开孔直径:d20=90.712mm;直径比:β=0.438。

4) 差压上限:Δpmax=60kPa;差压变送器准确度等级:ξΔp=0.065%。

5) 压力变送器测量上限:pmax=4 MPa;压力变送器准确度等级:ξp=0.065%;常用压力:p1=3.5MPa (G) ;当地平均大气压:pa=89.04kPa。

6) 温度传感器准确度等级为B级;常用温度:t1=37℃。

7) 高低量程分段。低量程:0~1.8kPa, 对应0~5.766t/h (变送器为3051CD) ;高量程:0~60kPa, 对应0~33.288t/h;即低量程差压上限Δp′max=1.8kPa;低量程流量测量上限q′mmax=5.766t/h。

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

按照文献[7], 本例中0.2≤β≤0.6, 所以

按照文献[7], 用下式计算:

式中:Δp———常用流量时的差压, kPa;p1———节流件正端取压口处常用压力, kPa;κ———等熵指数。

从已知条件知:p1=3.5MPa (G) ;κ=1.461;

将上述值代入式 (3) , 则 予以忽略。

本例中, 20℃条件下的D应为207mm, 因管道内壁经精密加工, 内径误差控制在±0.02 mm范围内, 即 (δD) /D≤0.01%, 对 的贡献太小, 予以忽略。

本例中, 20℃条件下的d应为90.662mm, 因孔板开孔直径经精密加工, d20误差控制在±0.01mm范围内, 即 , 对 的贡献太小, 予以忽略。

根据文献[8]的规定,  用式 (4) 估算:

式中:ξΔp———差压变送器准确度等级;Δp′max———低量程差压上限, kPa;Δp———特征点流量对应的差压, kPa。

因ξΔp=0.065%;Δp′max=1.8kPa;Δp=0.054kPa;代入式 (4) 得:

本例中因被测流体为性气体, 在常用温度和常用压力条件下的压缩系数Z1与标准状态条件下压缩Zn近似相等, 不确定度忽略, 即

被测气体在操作条件下的热力学温度测量的不确定度, 其值按温度测量误差限与T1之比值的2/3估算。

因温度传感器 (B级铂热电阻) 在常用温度条件下的误差限[9]ΔT1= (0.30+0.005|t1|) 。

被测气体在操作条件下节流件正端取压口压力测量的不确定度, 其值用式 (5) 估算:

式中:ξp———压力变送器准确度等级;pk———压力变送器上限对应的压力pk=pk+pa, kPa;p1———常用压力p1=p1+pa, kPa。

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

将上述已知条件代入式 (1) 得:

 为二次表之外的系统不确定度。因为二次表在温度压力信号输入通道分别输入常用温度和常用压力标准信号, 差压信号输入通道输入常用流量对应的差压标准信号时, 二次表的流量显示值相对误差不会大于0.2%, 所以整个系统的不确定度为

一套DN200双量程孔板流量计在上海自动化仪表研究院静态容积法水流量标准装置上验证, 标准装置不确定度0.05%, 验证点6个, 在被校表安装后做一次调零, 然后不做任何调整, 各试验点误差见表1所列。其中, 允许误差:±1.0%, ***大误差:0.57%。

表1 双量程孔板流量计试验数据     下载原表

1) 本流量测量系统在满量程流量3%特征点处的不确定度为0.9%, 优于差压式气体流量计的预定指标1.5%。

2) 在流量标准装置上的验证结果表明, 计算结果是正确的, 而且在3%~100%, 实际误差也都远小于规定的技术指标。

1)**新型双量程差压式流量计, 由于引入了1台低量程差压变送器和具有双量程演算功能的二次表, 使1台差压式流量计变成高低量程2台差压式流量计, 从而大幅提高了量程低段的流量测量度。

2) 单一量程差压流量计, 在引入流出系数C非线性补偿和可膨胀性系数ε非线性补偿, 并配以高度差压变送器后, 量程比可达10∶1。而典型的双量程差压流量计在采用这些技术的基础上, 由于量程低段差压测量度提高了33倍, 因而使量程低段的系统度大幅提高, 从而使量程比提高了一个数量级。

3) ISA 1932喷嘴的不确定度可达0.8%[7], 比标准孔板略差。但从上面的估算中可发现, 确定不确定度指标中还留有余地。因此, 用ISA 1932喷嘴组成的双量程差压流量计, 也能达到100∶1的量程比。

4) 应用该项技术组成的双量程差压流量计, 采用一体化结构, 清除了差压信号传递失真, 从而使系统度有了保证。经在流量标准装置上验证, 上面的估算结果是正确的。

5) 流量显示装置采用HART通信的方法得到2台差压变送器和1台压力变送器读取测量值, 不仅杜绝D/A及A/D转换引入的误差, 使系统度更有保证, 而且可节省信号电缆。