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), 通過閥門切換, 實(shí)現(xiàn)雙量程測(cè)量。20世紀(jì)80年代, 國內(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], 而差壓變送器的度等級(jí)也由以前的±1%提高到±0.065% (***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。

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。

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)約了投資又解決了性壓損增大問題。該方法通過提高流量量程低段的差壓測(cè)量度, 實(shí)現(xiàn)量程低段的流量測(cè)量度, 擴(kuò)大量程比。經(jīng)過多方面的改進(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。

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, FS區(qū)間在3%~100%;±1.0%低量程上限, FS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, FS區(qū)間在3%~100%;±1.0%低量程上限, FS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。

從圖3中可看出, 低量程差壓變送器***小輸出為4.92mA, 從數(shù)量級(jí)來看是個(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。

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)量儀表來說, 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***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。

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=3.329t/h;常用流量:qm=2.330t/h。

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

4) 差壓上限:Δpmax=60kPa;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=3.5MPa (G) ;當(dāng)?shù)仄骄髿鈮?pa=89.04kPa。

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

7) 高低量程分段。低量程:0~1.8kPa, 對(duì)應(yīng)0~5.766t/h (變送器為3051CD) ;高量程:0~60kPa, 對(duì)應(yīng)0~33.288t/h;即低量程差壓上限Δp′max=1.8kPa;低量程流量測(cè)量上限q′mmax=5.766t/h。

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

按照文獻(xiàn)[7], 本例中0.2≤β≤0.6, 所以

按照文獻(xiàn)[7], 用下式計(jì)算:

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)。

從已知條件知:p1=3.5MPa (G) ;κ=1.461;

將上述值代入式 (3) , 則 予以忽略。

本例中, 20℃條件下的D應(yīng)為207mm, 因管道內(nèi)壁經(jīng)精密加工, 內(nèi)徑誤差控制在±0.02 mm范圍內(nèi), 即 (δD) /D≤0.01%, 對(duì) 的貢獻(xiàn)太小, 予以忽略。

本例中, 20℃條件下的d應(yīng)為90.662mm, 因孔板開孔直徑經(jīng)精密加工, d20誤差控制在±0.01mm范圍內(nèi), 即 , 對(duì) 的貢獻(xiàn)太小, 予以忽略。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的規(guī)定,  用式 (4) 估算:

式中:ξΔp———差壓變送器準(zhǔn)確度等級(jí);Δp′max———低量程差壓上限, kPa;Δp———特征點(diǎn)流量對(duì)應(yīng)的差壓, kPa。

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

本例中因被測(cè)流體為性氣體, 在常用溫度和常用壓力條件下的壓縮系數(shù)Z1與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下壓縮Zn近似相等, 不確定度忽略, 即

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)流件正端取壓口壓力測(cè)量的不確定度, 其值用式 (5) 估算:

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)的壓力pk=pk+pa, kPa;p1———常用壓力p1=p1+pa, kPa。

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

將上述已知條件代入式 (1) 得:

 為二次表之外的系統(tǒng)不確定度。因?yàn)槎伪碓跍囟葔毫π盘?hào)輸入通道分別輸入常用溫度和常用壓力標(biāo)準(zhǔn)信號(hào), 差壓信號(hào)輸入通道輸入常用流量對(duì)應(yīng)的差壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí), 二次表的流量顯示值相對(duì)誤差不會(huì)大于0.2%, 所以整個(gè)系統(tǒng)的不確定度為

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)誤差見表1所列。其中, 允許誤差:±1.0%, ***大誤差:0.57%。

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)。

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)量度提高了33倍, 因而使量程低段的系統(tǒng)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)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)度更有保證, 而且可節(jié)省信號(hào)電纜。