如何提高差壓式流量計的測量精度?

2019-01-28

工業生產過程控制中流量、溫度、壓力、液位是最常監控和測量的四大參數,人們通過這些數據來了解工業生產過程中的運行狀態,而這四個變量中最難進行測量的是對流量的測量。對流體進行準確的測量是進行生產控制調節和保證生產安全的重要保證。差壓式流量計作未最早產生的流量計,在幾十年的發展歷程中,為人們所熟知,并在各行各業中具有廣泛的應用。然而隨著工業技術的不斷發展,工業生產過程向精細化發展,要求流量測量范圍更寬、精度更高,歷史悠久的差壓式流量計如何面對新局面所帶來的挑戰,在下文將闡述提高差壓式流量計實際使用精度的方法。

一、從理論上進行補償以提高使用精度

1、提高設計數據的準確性

首先對差壓式流量計進行合理的設計是提高現場測量精度的前提。對于現場工況所用的節流裝置都要根據實際情況進行設計,雖然標準差壓節流裝置已經標準化,也并非任何規格的節流件都適合所要測量的工況,只有針對工況自身特點進行綜合考慮,所設計出來的節流裝置才是最最優的設計,非標差壓節流裝置本身就是根據工況進行的量身定制。

在進行差壓式流量計設計中,應考慮介質的流動狀態及物性特點,這是保證設計出的流量計能夠精確穩定使用的關鍵。單相牛頓流體是差壓式流量計準確測量的前提,對于含有少量異相的雙向流一般均采用舍棄的方法進行處理,此種處理方法勢必會影響到流量計的測量精度,而比例不能確定的多相流是國際性難題,不適合差壓式流量計進行測量。

要在設計中提高精度,就要準確的了解現場工況條件,包括管道尺寸、介質狀態、溫度、壓力,還需掌握準確的物性數據,設計中最關鍵的參數是密度和粘度數據,氣體介質另外還需要考慮等熵指數和壓縮系數。對于多組分介質,建議采用按其組分比例進行物性分析,以得到精確的物性數據。只有以準確的數據進行設計,才可能在應用中獲得高精度的測量效果。

2、提高流出系數的精度

隨著工業領域對新型流量計的需求,不斷產生新結構和新原理的流量計。差壓式流量計也由最早的標準化節流裝置變化為目前的二十余種,并仍不斷的有新品種問世,某些已經趨于成熟甚至可以向標準化方向發展。差壓式流量計中僅經過ISO標準化過的孔板、噴嘴、文丘里具有較為豐富的試驗數據,并具有公開的流量計特性數據,但其適應范圍具有嚴格的限制條件。超出限制條件的設計和使用將不受ISO5167的支持,同其他非標節流裝置一樣,需要進行實流校準。而非標節流裝置缺少大量試驗數據的支持,或其數學模型及對特性參數算法的擬合存在誤差,需要進行通過實流標定的方式進行校準,未經過實流校準的非標節流裝置,精度無法得到保障。

圖1 孔板流出系數曲線圖

差壓式節流裝置為機械加工件,其加工精度受人員水平和加工設備精度的影響,導致了即使是標準化的差壓節流裝置,不同廠家的產品質量也有所不同,經過實流標定后與標準數據之間也存在誤差。欲將因數學模型的誤差和加工影響量對流量特性的影響消除,采用實流標定的方式是確保每臺流量計精準的最原始、最直接的方式。

由于流量計特性與速度分布具有緊密的內在聯系,而速度分布同雷諾數之間有對應的關系,這就是流量計的在雷諾數變化時的特性曲線。目前對差壓式流量計的實流標定依據《JJG640-2016差壓式流量計檢定規程》進行標定和數據處理。通過標定可以得到所需測量段的多個點的Re-C的特性數據。

由于差壓式流量計的特性均具有一定的非線性,而目前對差壓式節流裝置的應用一般都采用恒流出系數的方式進行計算,以恒定的流出系數來代替具有非線性的特性數據必然會帶來應用上的誤差。

隨著計算機技術和微電子技術在儀表領域的廣泛應用,將Re-C數據植入系統算法中,根據雷諾數對流出系數進行調用,對于雷諾數介于兩個標定點之間時,采用差分的方法進行計算流出系數。該方法與采用恒定流出系數的方式相比,可以得到較高的精度。

3、引入可膨脹系數補償

氣體是具有可壓縮性的流體,氣體可膨脹性系數ε是對因流體流束膨脹修正的系數,差壓式流量計常規均采用式1所示,而K的計算采用出廠計算書中的刻度流量和刻度差壓進行推導出來,如式2所示。

 (式1)

  (式2)

因ε與節流元件前后壓力、β及所測介質的等熵特性相關,壓力達到幾百kPa以上時,當差壓變化時ε的變化影響為千分之幾;壓力只有幾十kPa甚至幾kPa時,當差壓變化時ε的變化影響較大,可以達到百分之幾甚至可高達百分之十幾。孔板、噴嘴、文丘里已經在GB2624中提出ε的算法,對于非標節流裝置,這需要生產廠家提供計算方法。對于某些生產廠家無法提供算法的節流裝置,若用于氣體測量前建議進行大量的試驗以得到ε的擬合算法,以便于在氣體測量應用中進行補償應用。

4、引入壓縮系數補償

對于臨界溫度較高而臨界壓力較低的氣體,其PVT之間的關系偏離理想氣體狀態方程較為嚴重,這種情況下應引入壓縮系數的補償進行修正。如不進行修正必然會對流量測量帶來較大的偏差。工程中可采用兩種方式進行對壓縮系數的求取,一是采用查圖表的方法,此方法不適合在流量系統中實時進行補償應用。第二種方法是采用R-K方程(Redlich-Kwong)的方法進行計算。方程式如下:

  (式3)                  

式中:

h:中間變量 

Tr:相對溫度 

Pr對比壓力 

計算中可通過迭代的方式控制Z的計算精度。很多二次儀表或具有補償算法的變送器具有全補償數學模型算法,內部已經嵌入了Z的計算方法。

5、引入密度修正

當介質處于不同的溫度和壓力情況下,其介質的物性數據會有較大的變化,普通液體的密度僅對溫度影響較為敏感,而氣體和液化氣體則與溫度和壓力都有緊密的聯系。從差壓式流量計的理論公式可知無論體積流量還是質量流量都涉及到介質密度,當運行時的溫度和壓力偏離設計值時,介質的密度必然會隨之改變,而采用固定密度的方式則會帶來附加誤差。對于密度變化所帶來影響可以通過密度補償的方式來進行修正,以得到最接近真實情況的流量。

蒸汽的密度可根據溫度和壓力來確定,IFC1967蒸汽密度表和IFC1967公式是國際上通用的蒸汽密度標準,使用者可根據實際情況選擇查表法或公式法得到實時的蒸汽密度。一般氣體可根據理想氣體狀態方程其進行補償。

通用補償公式可參考公式6:

  (式4)        

其中:

液體與蒸汽密度補償系數

一般氣體密度補償

ρf :使用狀態密度

ρd :設計狀態密度

P:使用狀態壓力(絕對壓力)

Pd :設計狀態壓力(絕對壓力)

T:使用狀態溫度(開氏溫度)

T:設計狀態壓力(開氏溫度)

Zf :使用狀態氣體壓縮系數

Zd :設計狀態氣體壓縮系數

6、采用全補償公式

在實際使用中要得到到較高的精度,必須要對上述所提到的密度、流出系數、氣體膨脹系數和壓縮系數進行修正和補償,流量補償公式的正確性是補償運算的關鍵環節,只有正確的全補償公式才能有效提高差壓式流量計的使用精度。全補償算法如下:

 (式5)  
式中:

Q補償后:補償后的流量

Q補償前:補償前的流量

Kρ:液體與蒸汽密度補償系數 

一般氣體密度補償 

Kc:流出系數補償系數 

Kε:氣體膨脹系數補償系數 

將各式帶入可以得到兩個全補償公式

蒸汽和液體的全補償如式6所示:

 (式6)  

一般氣體的全補償如式7所示:

 (式7)  
合理的使用各種補償可以從原理上將對流量的影響消除到最小,以得到較高的實際使用精度。

二、從安裝及應用上提高使用精度

1、 從安裝上提高實際使用精度

差壓式流量計本身可以得到較高的精度,但是安裝到現場之后,其精度往往達不到理想效果,究其原因一方面是工況改變的影響,可以通過補償進行修正,另一個方面是安裝因素對差壓式流量計產生了影響。差壓式流量計是流量計的一個類別,不同類型的差壓式流量計的安裝要求有所不同,但其中有些共同點需要注意:

(1)安裝位置的選擇

介質充滿測量管道這是差壓式流量計應用的前提條件,在安裝位置選擇時應能保證介質充滿管道,優先選擇水平管道安裝;其次選擇垂直管道安裝。

對于水平管道的液體測量應避免安裝于管線最高處,垂直管道安裝時,液體則要求從下向上的流向,以避免不滿管現象的產生,對氣體和蒸汽的流向不做要求。在節流元件上游的擾流件中,影響最大的是半開閘閥和調節閥等具有嚴重擾流的元件,故在安裝中盡量避免直接安裝于這些擾流元件的下游,以提高直管段對流體整流的效果,達到充分發展的紊流,以滿足流量計的使用條件。

(2) 應滿足直管段要求

幾乎所有的流量計都有直管段要求,只是對直管段要求的長短不同而已,要求的長短是在試驗室經嚴格的程序標定后確定的,直管段的長短直接影響到測量的精度。要保證實際使用精度就一定要滿足該流量計對直管段的要求。標準差壓節流裝置根據GB2624-2006都具有較長的直管段要求,現場往往同一根管線上緊密的排布了很多彎頭、閥門、變徑等元件,較長的直管段要求不容易滿足,因此實際使用精度往往低于廠家所提供的精度指標,在這種情況下可以考慮具有較低直管段要求的產品來進行替代,有效減少直管段要求,提高測量精度。

圖2 GB2624-2006對孔板的直管段長度要求

(3)保證節流裝置安裝的同心度和取壓口的位置

差壓式流量計是由安裝于管道上的節流元件組成,其安裝中一項重要的要求就是同心度,不能保證同心度將帶來±1%~±5%的誤差。嚴格的取壓口位置能保證差壓式流量計的準確性。例如法蘭取壓孔板流量計的取壓口位置要求如下:當β>0.6且D<150mm時,為25.4mm±0.5mm,如超出此范圍要求,則需要增加額外的不確定度,即將會降低精度。實際現場安裝中,因墊片厚度、緊固法蘭螺栓力矩、熱膨脹等因素都會影響和改變取壓的實際位置,導致實際測量精度的改變。為改善同心度和取壓口的影響,可在生產廠內將節流件鑲嵌在管道中,保證節流裝置與管道的同心度,并在管道上開出精密的取壓口,不受現場安裝的影響。

(4) 引壓管路的安裝

引壓管路是將差壓節流裝置產生的差壓傳送到變送器中,在此過程中如果壓力信號產生失真,則勢必會影響實際使用的精度。在安裝過程中應使用合理尺寸的導壓管并靠近敷設,避免產生直角彎和毛細現象的產生。對蒸汽測量冷凝罐應等高安裝,使多余的冷凝液能夠順利回流,避免因冷凝液高度不同產生的附加誤差。對于垂直管道安裝的場合,測量蒸汽和液體要求下方的引壓管要向上彎至與上方引壓管平齊,再進行常規敷設,這也是保證兩引壓管液柱的高度相同,避免兩取壓口之間的高度差產生的附加誤差。在引壓管路敷設方面能夠按照標準來進行安裝,可以避免信號失真現象產生。

2、提高差壓測量精度及信號傳遞精度

(1)差壓式流量計的使用中,差壓變送器是與之配合的現場最重要的一類儀表,差壓變送器是檢測差壓物理信號的關鍵,變送器的精度和穩定性直接關系到流量示值結果的精度。

差壓變送器能夠保證標稱精度是有范圍和條件的,羅斯蒙特3051系列差壓變送器在流量測量中最常使用的是量程范圍是62.2kPa,該產品參考精度為±0.075%,其參考精度范圍為10:1范圍內,即62.2~6.22kPa,當實際使用中小于6.22kPa時,羅斯蒙特提出了精度的算法。以實際使用中的差壓為1kpa為例,經過該公式計算所得精度為±0.336%。以最小使用100Pa為例,實際使用精度為3.135%。可見在小量程段應用中隨著測量點的變小,誤差在不斷的增大。

隨著量程比要求的不斷擴大,如何在小流量時提高對應差壓的測量精度,是小流量精確測量的關鍵。對于大量程比的流量測量,可以通過兩臺變送器分別實現對大差壓段和小差壓段分別測量以得到較高的精度,在系統中通過算法,將兩變送器所采集的差壓信號進行對接,系統中優先判斷小量程變送器是否超出測量范圍,如果超出測量范圍,則取大量程變送器的值參與計算。這樣可以保證兩個變送器都處于有效的高精度范圍內,以提高流量的準確性。

(2)在一定量程比下采用變送器開方的方式

智能型差壓變送器都能夠在變送器中進行開方計算,輸出4-20mA對應開方后的差壓值,采用這種方法可以提高小信號的分辨率。

例如:當變送器設置差壓為40kPa,當在0.4kPa時,不做開方的變送器輸出電流為4.16mA,而采用變送器開方方式,則輸出電流為5.6mA,相比之下,采用在變送器開方的方式,在一定量程比范圍內,可以有效提高輸出電流值,便于模擬量模塊進行高精度的采集,以提高流量示值的精度。

(3)采用數字量方式進行信號采集

工業上常規變送器采用4-20mA進行輸出和采集,而采用模擬量進行信號輸送過程中由于經過DA到AD的轉換,并受分辨率的影響,勢必會帶來信號傳遞上的誤差,而目前一些大品牌的變送器都具有數字量輸出功能,在變送器與系統中采用數字量進行通訊可以避免信號傳遞上的誤差,提高流量示值的精度。

綜上所述,差壓式流量計從設計、補償、安裝及變送器應用的各個環節都可以提高實際使用的精度,差壓式流量計能夠適應當前工業生產的需求,直接面對高精度大量程比的挑戰。

(本文內容來源于上海計量測試期刊,作者為上海科洋科技股份有限公司龐寶新、李元滿、付生輝)

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