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1、双量程差压流量计原理与应用 袁君钢倪长旺( 上海焦化设计院，上海2 0 0 2 4 1 ) 纪纲：( 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 2 0 0 0 7 0 ) 提要：分析传统节流式差压流量计范围度较小的原因，提出增设低景程 蓑压变送器以提高小流量时的测量精确度，并进行流出系数非线性补偿和可膨 胀性系数变化的校正。文中重点讨论了高低量程的合理确定和差舔信号的传递 失真问题。 关键词：差压武流量计双量程范围震璧程选定量程切换 1 。闻蹶的提出 差压式流量计的多种优点，令其在很多方面仍具有突出的优势。这些优势 苞括： a 优异的稳定性、可靠性和抗振动能力； b 对高温、高压、低静藤、低流速、低密
2、度流体的适应缝； c 口径从小到大，系列齐全； d 变舞量程方便； e 只要按照标准设计、制造、安装和使用，无需实流标定就能获得规定的 准确度，鹾薅隽用户带来方便。 但是，差压式流量计也有它固有的缺陷，即范围度不理想，这主要是由其 测量原理决定的。 节流式差压流量计的一般表达式为 - 1 9 7 - 繇5 丽C 强詈曙峤 式中质量溅爨，k g s ； C 流出系数； p 直径比，8 = d D ； D 管道炎径，m l ，节流件正端取压口平面上的可膨胀性系数； d 王箨条 警下节流徉翦开孔壹径，m ； p 差压，P ； p ；繁漉件正蒺取篷瑟平蠢上的流嚣密度，k g 辩。 ( ) 图1 q m
3、 - - - - f ( A P ) 曲线 ( 1 ) 为了分析的方便，我们对式( 1 ) 作适当的化简，即在菜流体工况条彳牛下， 密度p t 为已知僵，流爨系数C 、蛮径毖p 、露膨胀性系数t 张舞孔直径d 都近似 为常数，剜式( 1 ) 简化为式( 2 ) 。 g m x 讴痧 ( 2 ) 经无量纲化处理后，就可得到如图1 所示的q 。一f ( P ) 关系曲线。 在对式( 王进行分析磊，萄褥这嵇溅量方法获得的溅璧绫果酶不确定度褥 各因素不确定度之间的关系。 等一出 ( 萼) 2 十( 孚) 。+ ( 焉) 2 + ( 箬) 2 + ( 南) 。十( 警) 2 + ( 筹) 2 + 上4
4、，、, 型p 、1 2 “x o o ( 3 ) - - 1 9 8 - 式孛；为质萤漉繁不确定度；詈，等，警，詈，警，等，訾分裂为备 参数的不确定度；鍪变量的系数为敏感度系数。 这里，我们着熏分析流量测量不确定度与差压测量不确定度的关系。仅仅 分析差压测量不确定度对流量测量不确定度的影响，可以采用偏微分的方法， 驮燕( 3 ) 露得 等= 喜迦A p ( 4 )懿 2 由于藏压变送器的误差都是用引用误差来袭示的，因此，p 的相对值为不 同数值慰也不屈。 例如，对于o 0 7 5 级精度等级的变送器，在A p = 1 0 0 F S 时，尝一 。0 7 5 ；在A p = 3 7 5 F s
5、，等一2 ，交式( 4 ) 胃知，在嚣一种情况下， 对漉量测量不确定度影镌鸯羔。 从上面的分析计算可知，为了获褥1 的流量测量精度，如果选用的是 0 。0 7 5 精度等级鹃差匿变送器，只有在差压太于3 7 5 F S ，鄹流量大予 1 9 3 6 F S 时，才黼保证精度。 为了获得更大的范围度，首要任务就是要提高枢对流量较小对的差压测量 精度。 2 。提赢小流量时的差压测鳖精度 2 。1 提高差歪交送器懿精度 自从差压式流量计投入工业应用以来，人们在提高熬压变送器( 差压计) 黪测量精度和其镳缝麓指标方覆箨赉了檄大翡努力，就精度等级薅言，获五十 年的1 5 级，六十年代的1 级，七十年代的
6、0 5 级，八十年的0 2 级，提高到 丸十年翦0 王级秘0 + 0 7 5 缀，薪世纪泼来，更是提高弼0 0 4 缀，这方磊豹提 高，为差压式流量计扩大范围度提供了坚实的基础。所以选用精度高的差压变 送器，是获褥较大菠鼙诗蓬强度蘸一个夔要方法。 2 2 增设一个低璧程差压变送器 一台差愿变送器，其差疆低端髂示馕误差耄法进一步减小懿漾涎是其耩霞 】9 9 一 并非露以任意确定，褥氨受膜盒甄积等蠢素制约，其实貘盒面积制约蘸不仅仅 是精度等级所对应的差压值，而且有环境温度影响以及长期漂移影响所对应的 差压值。 为了提高相对流量较小时的差压测量精度，另外增设一台低量程差压变送 器是一个行之有效的方法
7、。 例如有一蒸汽流量测量对象，最大流量1 6 0 t h ，最小流量6 t h ，常用压力 1 1 M P a ，常用温度2 5 0 ，公称通径D N 5 0 0 ，高懿程差压变送器选用0 。0 7 5 级 中羞压变送器，测量范殛：0 1 0 0 k P a ，低量程差压变送器选用0 0 7 5 级低差压 变送器，测量范围设定为0 - - - 3 。7 5 k P a ，这样，两台变送器在智能二次表的指挥 下，自动切换，相互配合，保证l 不确定度的量程比约为2 7 倍，更小豹流量， 不确定度更大些。 2 3 其链医素的对策 从式( 1 ) 和式( 2 ) 可知，节流式差压流量计的测量不确定度不
8、仅与差压 浏登煎不确定度有关，两且与流量密度p t 、流毒系数e 的毒参线性以及哥膨胀性 系数，的不确定度有关，为了消除或基本消除这些因素对流量测量不确定度的 影响，可在二次表态按规定的数学模型进行密度搴 偿、流囊系数於僚、可膨胀 性系数校正等( 3 。 2 4 防止羡压信号的传递失真 在式( 3 ) 所示的麓压测量不确定度阔流量测爨不确定度的关系中，是假定 差压变送器输入的差匿值与节流装置所产生的差压值一致，但是，导压管在将 节流装置所产生的差压引到变送器的过程中，由于多种原因，很容易产生差压 信号传递失冀。在这墩原因中，有根部阕选型安装不合理，导压管坡度不符合 要求，冷凝器安装高度不相同，
9、导压管太长而且管内传输介质( 液体) 温度不 相同等H 。在被测介质为干气体时，这种传递失真一般可忽略，在被测介质为 漫气体积蒸汽对，一个不留心就会弓l 起传递失真。 对于一个具体的流量测量装置，相同的差压信号传递失真，在流量为不同 氆时，其影响也不一定，其中裰对流量较大时，影嚷较小，穗对流量较小时， 影响较大，这是因为相对流量较小时，节流装置送出的差压信号较小的缘故。 所以，在双量程差蓬式流量计的设计秘安装中，要特别注意差基信号鹃传递失 - 2 0 0 真，想方设法尽量避免这种失真。 图2 所示是采用一体化方法来避免差压信号传递失真的一个实例。图中用 冷凝管代替冷凝器，导压管也很短，在节流装
10、置和差压变送器之间，没有引起 传递失真的零部件，只要管道的水平度较好，差压就会有较好的零点。如果直 管段长度有保证，从两个方向引出的差压就有相同的数值，这一数值在仪表投 入运行后，如果差压在低量程测量范围内，也可从两台差压变送器的输出信号 数值进行观察比较。 图2 典型双量程一体化节流式流量计结构图 3 高低量程的选定 对于一套双量程差压流量计，高低量程切换点的选定是设计的重要内容， 不仅受范围度要求的制约，允许压损的制约，系统不确定度的制约，而且受差 压变送器规格的制约。 具体设计计算时需遵循下面的原则： 一2 0 1 a 在压损允许的前提下，将高量程的差压上限尽量选得大一些。这样，最 小流
11、量所对应得差压值可相应大一些，以减小各种干扰因素对小流量测量精度 的影响。 b 系统不确定度能满足用户的要求。尤其要保证大流量时的系统不确 定度。 C 不必强调节流装置的不确定度，因此流量在很大的范围内变化，流出系 数相应的变化和可膨胀性系数相应的变化都较大，但是，这些变化都可以在二 次表内得到补偿和校正。最终对系统不确定度的影响仍可忽略。 遵循这些原则，在上面的例子中，高量程差压上限取1 0 0 k P a ，选用中差压 变送器。而低量程差压上限选3 7 5 k P a ，选用低差压变送器，相应的流量切换 点为3 0 9 7 6 t h 。这样，在切换点处，高量程变送器的差压不确定度为士2
12、， 对流量测量系统不确定的影响为1 。而低量程时，差压测量不确定度为 2 所对应的差压值为0 1 4 k P a ，对应的流量值为5 9 9 t h ，此值虽比用户提出 的最小流量值略大一些，但大流量时的系统精度有了保证。在被测流量小于6 t h 后，虽然系统不确定度比1 略大，但由于这一不确定度所对应的流量绝对 数值较小，所以用户并不计较。 4 高低量程的切换 高低量程的切换是要完成下面的表达式： 当开平方运算在流量二次表内完成时， f q z = 以i F s L ( Ai L 1 0 0 ) 1 0 0 ) 当开平方运算在差压变送器内完成时， f q ，一A 也F S L ( Ai L
13、1 0 0 ) 1 0 0 ) 式中：q f 未经补偿的流量，单位由F S 定； A i L 低量程变送器输出信号，0 1 0 0 ； A ；H 高量程变送器输出信号，o 1 0 0 ； F S 。低量程满度流量，k g h 、t h 或N m 3 h 等； 一2 0 2 F S H 禹量程满度流量，k g h 、t h 或N m 3 h 等； 在切换点附近的切换，一般在智能化二次表内由软件完成，一般约定，低 蟹程变送器信号1 0 0 ( 2 0 m A ) 时，低量程变送器信号有效；低量程变送器 = 1 0 0 时，高量程变送器信号有效。 从前蕊的分析可知，由予高量程羞压变送器总有一定的误差
14、存在，低量程 蓑压变送器和二次表的输入通道也会有一定的误差存在，在进行高低量程切换 时，q f 值极限跳动幅度约为士1 ，这主要是由高量程差压变送器的误差弓l 起的。 为了防止在切换点附近出现频繁切换和与之相伴随的流量示值的晃动，在 设计留换程痔对，一般应考虑设计一个切换死薮。 5 讨论 过范嚣运行阏题 在双量程差压流量计中，低量程燕压变送器有很多时候是在过范围的条件 下王箨，过范围的差疰值尽管不是很霹观，但毕竟已使变送器内的膜盒进入过 载保护状态。 由于现代新型的差压变送器内的传感器特殊设计的过载保护结构，使得它 具有优秀的单向过压性能，即使过压1 6 M P a ，也能完全恢复而不留痕迹嗍
15、。 开平方运算放在差压变送器内进行较有利 在差压式流量计中，不可避免地要进行开平方运算，在变送器和二次表中， 开平方运算都是由单片机完成的，所以不管开平方运算是在差压变送器中完成 还是在流量二次表中完成，：开平方运算本身都不增加误差，因为都是数字量运 算。但是，差压变送器测得的差压值( 数字量) 经D A 转换成4 2 0 m A ，送入 流量二次表后再经A D 转换成数字量的过程中，要损失二次精度。从蚕1 可看 出，在开平方的过程中，经无量纲化处理的信号，其幅值总是得到放大，例如 王F S 酌流量值，糍值放大了差。倍，蔼较大瞩值的模拟信号在转换和传送过程 中，损失的精度相对要小些，因此，在用
16、模拟信号传送此信号时，开平方运算 放在差压变送器孛完成较合理。 如果采用数字信号传送此信号，则无上述差异。 关予双量程差压式流壁计的历史 2 0 3 一 双量翟差嚣式流爨诗不是什么赫磊意，早在兰十每泼裁，人识就翅量程礴 低不弼的两螽差压变送器溅量简差匿，从而提离小流量时的溅量精度。现程 鹩双量程差聪式浚量计，从原理来说没祷大的变化，只是瑰在的仪表，由于攀l 入了数字获米、计算巍投零帮通讯技术，仪表赫磅麓更强，瓣量耩媾度更高， 钱够获得的越耀度更犬。 关于寨巍双量程测量煎翳一释方法 实现双缝程测量的另一种有效方法魁更换节流件。 这嚣方法逶甭予犬枣瀛量熹曩著季节特点懿溅鳖葑象，镤懿在流量大魏冬 季，使用开孑乙直径大的节流件；在流量小的夏季。
