雙量程差壓流量計已有30多年的歷史, 早在20世紀70年代國外就有將1臺差壓裝置配大小量程2臺差壓計, 通過閥門切換, 實現(xiàn)雙量程測量。20世紀80年代, 國內(nèi)出現(xiàn)用1臺可變測量范圍差壓變送器與差壓裝置配合實現(xiàn)雙量程測量, 高低量程的切換由帶電接點的動圈指示儀自動完成, 從而省去了人工切換[1]?，F(xiàn)在的雙量程差壓流量計是基于智能化的流量二次表, 不僅能自動切換量程而且能對差壓裝置流量系數(shù)C的非線性、可膨脹性系數(shù)ε的非線性進行自動補償[2-3], 而差壓變送器的度等級也由以前的±1%提高到±0.065% (***高達±0.04%) , 差壓裝置的研究也取得了進展, 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。

雙量程差壓流量計的本質(zhì)是1臺低量程差壓流量計與1臺高量程差壓流量計經(jīng)流量二次表實現(xiàn)連接[5], 其是在完全獨立的2套差壓流量計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。以前用1套量程較低的差壓流量計與1套量程較高的差壓流量計并聯(lián)使用, 并用2個閥門進行切換, 用以擴大量程比, 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, 引起測量誤差。

有方案將2套差壓式流量計串聯(lián)安裝在同一根管道上, 用以擴大量程比, 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, 用完全獨立的2套流量計完成一個測量任務(wù), 投資也大幅增大。

新型的雙量程差壓流量計, 用1臺低量程差壓變送器和1臺高量程差壓變送器與同1臺差壓裝置配用, 并用流量二次表自動切換量程, 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量度, 實現(xiàn)量程低段的流量測量度, 擴大量程比。經(jīng)過多方面的改進,**新型雙量程差壓流量計的量程比比單一量程差壓流量計量程比提高了一個數(shù)量級, 系統(tǒng)不確定度也有顯著改善。

新型雙量程差壓流量計的不確定度與被測流體的種類有關(guān), 而且同所配用的差壓變送器度等級有關(guān)。當所配用的差壓變送器為0.065級或優(yōu)于0.065級并且合理確定低量程上限時, 系統(tǒng)不確定度和量程比如下:

1) 被測流體: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%, 開平方運算在差壓變送器中完成。小信號切除點一般可取1%FS, 當被測流體為干氣體時, 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)量級來看是個不小的數(shù)值。圖4所示為系統(tǒng)不確定度與相對流量的關(guān)系。

測量結(jié)果不確定度估算是件難度較高的工作, 理論性較強, 較難掌握, 但對一套具體的流量測量儀表來說, 按照有關(guān)標準進行不確定度估算還是可以實現(xiàn)的。

由于在一套儀表的整個測量范圍內(nèi), 不同的點所對應(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***差的點在17.321%FS處, 如果該點的不確定度能達到預(yù)定的指標, 則測量示值大于17.321%FS時, 系統(tǒng)不確定度會優(yōu)于預(yù)定的指標。同理, 在低量程段, 3%FS點具有與高量程段17.321%FS相同的特點, 為此將3%FS點作為特征點估算系統(tǒng)不確定度。

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

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;差壓變送器準確度等級:ξΔp=0.065%。

5) 壓力變送器測量上限:pmax=4 MPa;壓力變送器準確度等級:ξp=0.065%;常用壓力:p1=3.5MPa (G) ;當?shù)仄骄髿鈮?pa=89.04kPa。

6) 溫度傳感器準確度等級為B級;常用溫度:t1=37℃。

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

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

按照文獻[7], 本例中0.2≤β≤0.6, 所以

按照文獻[7], 用下式計算:

式中:Δp———常用流量時的差壓, 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 的貢獻太小, 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 的貢獻太小, 予以忽略。

根據(jù)文獻[8]的規(guī)定,  用式 (4) 估算:

式中:ξΔp———差壓變送器準確度等級;Δp′max———低量程差壓上限, kPa;Δp———特征點流量對應(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與標準狀態(tài)條件下壓縮Zn近似相等, 不確定度忽略, 即

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

因溫度傳感器 (B級鉑熱電阻) 在常用溫度條件下的誤差限[9]ΔT1= (0.30+0.005|t1|) 。

被測氣體在操作條件下節(jié)流件正端取壓口壓力測量的不確定度, 其值用式 (5) 估算:

式中:ξp———壓力變送器準確度等級;pk———壓力變送器上限對應(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。因為二次表在溫度壓力信號輸入通道分別輸入常用溫度和常用壓力標準信號, 差壓信號輸入通道輸入常用流量對應(yīng)的差壓標準信號時, 二次表的流量顯示值相對誤差不會大于0.2%, 所以整個系統(tǒng)的不確定度為

一套DN200雙量程孔板流量計在上海自動化儀表研究院靜態(tài)容積法水流量標準裝置上驗證, 標準裝置不確定度0.05%, 驗證點6個, 在被校表安裝后做一次調(diào)零, 然后不做任何調(diào)整, 各試驗點誤差見表1所列。其中, 允許誤差:±1.0%, ***大誤差:0.57%。

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

2) 在流量標準裝置上的驗證結(jié)果表明, 計算結(jié)果是正確的, 而且在3%~100%, 實際誤差也都遠小于規(guī)定的技術(shù)指標。

1)**新型雙量程差壓式流量計, 由于引入了1臺低量程差壓變送器和具有雙量程演算功能的二次表, 使1臺差壓式流量計變成高低量程2臺差壓式流量計, 從而大幅提高了量程低段的流量測量度。

2) 單一量程差壓流量計, 在引入流出系數(shù)C非線性補償和可膨脹性系數(shù)ε非線性補償, 并配以高度差壓變送器后, 量程比可達10∶1。而典型的雙量程差壓流量計在采用這些技術(shù)的基礎(chǔ)上, 由于量程低段差壓測量度提高了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數(shù)量級。

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

4) 應(yīng)用該項技術(shù)組成的雙量程差壓流量計, 采用一體化結(jié)構(gòu), 清除了差壓信號傳遞失真, 從而使系統(tǒng)度有了保證。經(jīng)在流量標準裝置上驗證, 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臺差壓變送器和1臺壓力變送器讀取測量值, 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)省信號電纜。