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气体差压式流量计-提高测量准确度方法

时间:2018/12/24来源:未知

摘要:根据差压式流量计计算公式, 从理论上分析了可量化的影响量因素, 从设计、补偿、安装和变送器应用四个方面阐述了提高设计数据准确性、提高流出系数精度、采用密度补偿、采用气体膨胀系数补偿、采用压缩系数补偿、采用全补偿的测量模型, 优化安装位置、满足直管段要求、保证安装同心度和优化取压口位置、提高差压测量准确度及信号传递准确度、变送器配置等可提高差压式流量计实际使用准确度的方法, 使差压式流量计能够适应当前工业生产的需求, 直接面对高准确度大量程比的挑战。

0 、引言:

  工业生产过程控制中, 流量、温度、压力、液位是最常监控和测量的四大参数, 人们通过这些数据来了解工业生产过程的运行状态, 而这四个变量中最难开展的是对流量的测量。对流体进行准确的测量是进行生产控制调节和保证生产安全的重要一环。差压式流量计作为最早产生的流量计, 在几十年的发展历程中为人们所熟知, 并在各行各业中具有广泛的应用。然而, 随着工业技术的不断发展, 工业生产过程向精细化发展, 要求流量测量范围更宽、准确度更高, 历史悠久的差压式流量计如何面对新局面所带来的挑战, 本文将阐述实际使用中提高差压式流量计准确度的方法。

1、差压式流量计原理及理论影响因素:

1.1、差压式流量计原理:

  差压式流量计原理遵循伯努利方程和能量守恒定律, 在密闭管道中的理想流体经过安装于管道内的节流元件时, 因为节流管道内的流通面积减小, 流体的部分位能转化为动能, 流体的流速增大而静压力减小, 因此在节流元件前后产生压力差, 流量越大所产生的压力差也就越大。通过对节流元件前后压力差的测量计算出管道内流体的流量。

  其流量测量的一般表达式如式 (1) :

计算公式

 

式中:qm——质量流量;

C——流出系数;

ε——气体可膨胀性系数;

β——直径比, β=d/D;

d——工作条件下节流件的孔径;

D——工作条件下上游管道内径;

Δp——差压;

ρl——上游流体密度

1.2、理论影响因素分析:

  根据式 (1) 可以从理论上得出对流量影响因素一共6个, 分别为流出系数C、气体可膨胀性系数ε、节流孔直径d、管道内径D、差压Δp和流体密度ρl。可以通过分析这些影响因素, 对差压式流量计准确度的影响进行定量分析, 而其他因素的影响量都可尽量减小, 而无法定量分析。

  从式 (1) 不难发现不同影响因素对流量的影响程度是不同的, 这些影响因素之间不是简单的代数和的关系, 而应以权重函数的分析方法对其进行分析。

  C和ε与流量的关系是等比的关系, 即当C或ε变化1%, 流量也变化1%, 权重函数为1。

d与流量关系较为复杂并与β相关, 权重函数为计算公式

D与流量关系较为复杂并与β相关, 权重函数为计算公式

Δp和ρl与流量的关系是平方关系, 当Δp和ρl变化1%时, 流量变化约为0.5%, 权重函数为1/2。

这些因素综合对流量的影响合成式为

Δp和ρl与流量的关系是平方关系, 当Δp

式中:EC——流出系数不确定度;

Eε——气体可膨胀系数不确定度;

ED——管道内径不确定度;

Ed——节流孔直径的不确定度;

EΔp——差压测量值的不确定度;

Eρl——流体密度的不确定度

当明确了众多函数与流量的关系后, 可以从根本上对影响流量的误差进行有效的控制或采取相应的措施进行补偿。

2、提高差压式流量计准确度的措施:

2.1、从理论上进行补偿以提高使用准确度:

2.1.1、提高设计数据的准确性:

  首先, 对差压式流量计进行合理的设计是提高现场测量准确度的前提。对于现场工况所用的节流装置都要根据实际情况进行设计, 虽然标准差压节流装置已经标准化, 但也并非任何规格的节流件都适合所要测量的工况。只有针对工况自身特点进行综合考虑, 所设计出来的节流装置才是最最优的设计, 非标差压节流装置本身就是根据工况进行的量身定制。

  在进行差压式流量计设计中, 应考虑介质的流动状态及物性特点, 这是保证设计出的流量计能够准确稳定使用的关键。单相牛顿流体是差压式流量计准确测量的前提, 对于含有少量异相的双向流一般均采用舍弃的方法进行处理, 此种处理方法势必会影响到流量计的测量准确度, 而比例不能确定的多相流是国际性难题, 不适合差压式流量计进行测量。

  要在设计中提高准确度, 就要准确了解现场工况条件, 包括管道尺寸、介质状态、温度、压力, 还需掌握准确的物性数据。设计中最关键的参数是密度和黏度数据, 气体介质另外还需要考虑等熵指数和压缩系数。对于多组分介质, 建议采用按其组分比例进行物性分析, 以得到准确的物性数据。只有按准确的数据进行设计, 才可能在应用中获得高准确度的测量效果。

2.1.2、提高流出系数的准确度:

  随着工业领域对新型流量计的需求, 不断生产出新结构和新原理的流量计。差压式流量计也由最早的标准化节流装置变化为目前的二十余种, 并仍不断有新品种问世, 某些已经趋于成熟甚至可以向标准化方向发展。差压式流量计中仅经过ISO标准化过的孔板、喷嘴、文丘里具有较为丰富的试验数据, 并具有公开的流量计特性数据, 但其适应范围具有严格的限制条件。超出限制条件的设计和使用将不受ISO 5167的支持, 同其他非标节流装置一样, 需要进行实流校准。而非标节流装置缺少大量试验数据的支持, 或其测量模型及对特性参数算法的拟合存在误差, 需要通过实流标定的方式进行校准, 未经过实流校准的非标节流装置, 其准确度无法得到保障。

  差压式节流装置为机械加工件, 其加工精度受人员水平和加工设备精度的影响, 这就导致了即使是标准化的差压节流装置, 不同厂家的产品质量也有所不同, 经过实流标定后与标准数据之间也存在误差。欲将因测量模型的误差和加工影响量对流量特性的影响消除, 采用实流标定的方式是确保每台流量计准确的最原始、最直接的方式。

  由于流量计特性与速度分布具有紧密的内在联系, 而速度分布同雷诺数之间有对应的关系, 这就是流量计在雷诺数变化时的特性曲线, 如图1所示。目前对差压式流量计的实流标定依据JJG 640-2016《差压式流量计》检定规程进行标定和数据处理。通过标定可以得到所需测量段的多个点的Re-C的特性数据。

  由于差压式流量计的特性均具有一定的非线性, 而目前对差压式节流装置的应用一般都采用恒流出系数的方式进行计算, 以恒定的流出系数来代替具有非线性的特性数据必然会带来应用上的误差。

  随着计算机技术和微电子技术在仪表领域的广泛应用, 将Re-C数据植入系统算法中, 根据雷诺数对流出系数进行调用, 对于雷诺数介于两个标定点之间时, 采用差分的方法计算流出系数。该方法与采用恒定流出系数的方式相比, 可以得到较高的准确度。

2.1.3、引入气体可膨胀性系数补偿:

  气体是具有可压缩性的流体, 气体可膨胀性系数ε是对因流体流束膨胀修正的系数, 差压式流量计常规均采用式 (3) , 而K的计算采用出厂计算书中的刻度流量和刻度差压推导出来, 如式 (4) 所示。

图1 孔板流出系数曲线图

图1 孔板流出系数曲线图

 

计算公式

 

  因ε与节流元件前后压力、β及所测介质的等熵特性相关, 压强达到几百千帕以上时, 当差压变化时ε的变化影响为千分之几;压强只有几十千帕甚至几千帕时, 当差压变化时ε的变化影响较大, 可以达到百分之几甚至可高达百分之十几。孔板、喷嘴、文丘里已经在GB 2624-2006中提出ε的算法。对于非标节流装置, 这需要生产厂家提供计算方法。对于某些生产厂家无法提供算法的节流装置, 若用于气体测量前建议进行大量的试验以得到ε的拟合算法, 以便于在气体测量应用中进行补偿采用。

2.1.4、引入压缩系数补偿:

  对于临界温度较高而临界压力较低的气体, 其pVT之间的关系偏离理想气体状态方程较为严重, 这种情况下应引入压缩系数的补偿进行修正。如不进行修正必然会对流量测量带来较大的偏差。工程中可采用两种方式求取压缩系数, 一是采用查图表的方法, 此方法不适合在流量系统中实时进行补偿应用。第二种方法是采用R-K方程 (Redlich-Kwong) 的方法进行计算。方程式如下:

计算公式

 

式中:h——中间变量计算公式;

Tr——相对温度;

pr——对比压力

  计算中可通过迭代的方式控制Z的计算精度。很多二次仪表或具有补偿算法的变送器具有全补偿测量模型算法, 内部已经嵌入了Z的计算方法。

2.1.5、引入密度修正:

  当介质处于不同的温度和压力情况下, 其介质的物性数据会有较大的变化, 普通液体的密度仅对温度较为敏感, 而气体和液化气体则与温度和压力都有紧密的联系。从差压式流量计的理论公式可知无论体积流量还是质量流量都涉及介质密度, 当运行时的温度和压力偏离设计值时, 介质的密度必然会随之改变, 而采用固定密度的方式则会带来附加误差。对于密度变化所带来影响可以通过密度补偿的方式来进行修正, 以得到最接近真实情况的流量。

  蒸汽的密度可根据温度和压力来确定, IFC 1967蒸汽密度表和IFC 1967公式是国际上通用的蒸汽密度标准, 使用者可根据实际情况选择查表法或公式法得到实时的蒸汽密度。一般气体可根据理想气体状态方程对其进行补偿。

通用补偿公式可参考式 (6) 。

计算公式

 

式中:液体与蒸汽密度补偿系数计算公式,

一般气体密度补偿计算公式;

ρf——使用状态密度;

ρd——设计状态密度;

pf——使用状态压力 (绝对压力) ;

pd——设计状态压力 (绝对压力) ;

Tf——使用状态温度 (开氏温度) ;

Td——设计状态温度 (开氏温度) ;

Zf——使用状态气体压缩系数;

Zd——设计状态气体压缩系数

2.1.6、采用全补偿公式:

  在实际使用中要得到较高的准确度, 必须对上述所提到的密度、流出系数、气体膨胀系数和压缩系数进行修正和补偿。流量补偿公式的正确性是补偿运算的关键环节, 只有采用正确的全补偿公式, 才能有效提高差压式流量计的使用准确度。全补偿算法如下:

计算公式

 

式中:Q补偿后——补偿后的流量;

Q补偿前——补偿前的流量;

Kρ——液体与蒸汽密度补偿系数计算公式,

一般气体密度补偿计算公式p;

Kc——流出系数的补偿系数计算公式;

Kε——气体膨胀系数的补偿系数计算公式

将各式代入式 (7) 可以得到两个全补偿公式。

蒸汽和液体的全补偿式如式 (8) , 一般气体的全补偿式如式 (9) :

计算公式

 

  合理地使用各种补偿, 可以从原理上对流量的影响消除到最小, 以得到较高的实际使用准确度。

2.2、从安装及应用上提高使用准确度:

2.2.1、从安装上提高实际使用准确度:

  差压式流量计本身可以得到较高的准确度, 但是安装到现场之后, 其准确度往往达不到理想效果。究其原因, 一方面是工况改变的影响, 可以通过补偿进行修正, 另一个方面是安装因素对差压式流量计产生了影响。差压式流量计是流量计的一个类别, 不同类型的差压式流量计的安装要求有所不同, 但其中有些共同点需要注意。

(1) 安装位置的选择

  介质充满测量管道这是差压式流量计应用的前提条件, 在安装位置选择时应能保证介质充满管道, 优先选择水平管道安装;其次选择垂直管道安装。

  对于水平管道的液体测量应避免安装于管线最高处, 垂直管道安装时, 液体则要求从下向上的流向, 以避免不满管现象的产生, 对气体和蒸汽的流向不作要求。在节流元件上游的扰流件中, 影响最大的是半开闸阀和调节阀等具有严重扰流的元件, 故在安装中尽量避免直接安装于这些扰流元件的下游, 以提高直管段对流体整流的效果, 达到充分发展的紊流, 以满足流量计的使用条件。

(2) 应满足直管段要求

  几乎所有的流量计都有直管段要求, 只是对直管段要求的长短不同而已, 要求的长短是在试验室经严格的程序标定后确定的, 直管段的长短直接影响到测量的准确度。要保证实际使用准确度就一定要满足该流量计对直管段的要求。根据GB2624-2006, 标准差压节流装置都具有较长的直管段要求, 现场往往同一根管线上紧密地排布了很多弯头、阀门、变径等元件, 较长的直管段要求不容易满足。因此, 实际使用准确度往往低于厂家所提供的准确度指标, 在这种情况下, 可以考虑采用具有较低直管段要求的产品来进行替代, 有效降低对直管段要求, 提高测量准确度。

(3) 保证节流装置安装的同心度和取压口的位置

  差压式流量计由安装于管道上的节流元件组成, 其安装中一项重要的要求就是同心度, 不能保证同心度将带来±1%~±5%的误差。严格的取压口位置能保证差压式流量计的准确性。例如法兰取压孔板流量计的取压口位置要求如下:当β>0.6且D<150 mm时, 为25.4 mm±0.5 mm。如超出此范围要求, 则需要增加额外的不确定度, 即将会降低准确度。实际现场安装中, 因垫片厚度、紧固法兰螺栓力矩、热膨胀等因素都会影响和改变取压的实际位置, 导致实际测量准确度的改变。为改善同心度和取压口的影响, 可在生产时将节流件镶嵌在管道中, 保证节流装置与管道的同心度, 并在管道上开出精密的取压口, 不受现场安装的影响。

(4) 引压管路的安装

  引压管路是将差压节流装置产生的差压传送到变送器中, 在此过程中如果压力信号产生失真, 则势必会影响实际使用的准确度。在安装过程中应使用合理尺寸的导压管并靠近敷设, 避免直角弯和毛细现象的产生。对蒸汽测量, 冷凝罐应等高安装, 使多余的冷凝液能够顺利回流, 避免因冷凝液高度不同产生的附加误差。对于垂直管道安装的场合, 测量蒸汽和液体要求下方的引压管要向上弯至与上方引压管平齐, 再进行常规敷设。这也是保证两引压管液柱的高度相同, 避免两取压口之间的高度差产生的附加误差。在引压管路敷设方面能够按照标准来进行安装, 可以避免信号失真现象的产生。

2.2.2、提高差压测量准确度及信号传递准确度:

(1) 差压式流量计的使用中, 差压变送器是与之配合的现场最重要的一类仪表, 差压变送器是检测差压物理信号的关键, 变送器的精度和稳定性直接关系到流量示值结果的准确度。

  差压变送器能够保证标称准确度是有范围和条件的, 罗斯蒙特3051系列差压变送器在流量测量中最常使用的量程范围是62.2 kPa, 该产品参考准确度为±0.075%, 其参考准确度范围为10∶1范围内, 即62.2~6.22 kPa, 当实际使用中小于6.22 kPa时, 罗斯蒙特提出了准确度的算法。以实际使用中的差压为1 kPa为例, 经过该公式计算所得准确度为±0.336%。以最小使用100 Pa为例, 实际使用准确度为3.135%。可见在小量程段应用中, 随着测量点的变小, 误差在不断地增大。

  随着量程比要求的不断扩大, 如何在小流量时提高对应差压的测量准确度, 是小流量准确测量的关键。对于大量程比的流量测量, 可以通过两台变送器实现对大差压段和小差压段分别测量以得到较高的准确度, 在系统中通过算法, 将两变送器所采集的差压信号进行对接。系统优先判断小量程变送器是否超出测量范围, 如果超出测量范围, 则取大量程变送器的值参与计算。这样可以保证两个变送器都处于有效的高准确度范围内, 以提高流量的准确性。

(2) 在一定量程比下采用变送器开方的方式

  智能型差压变送器都能够在变送器中进行开方计算, 输出4~20 mA对应开方后的差压值, 采用这种方法可以提高小信号的分辨力。

  例如:当变送器设置差压为40 kPa, 当在0.4 kPa时, 不做开方的变送器输出电流为4.16 mA, 而采用变送器开方方式, 则输出电流为5.6 mA。相比之下, 采用变送器开方的方式, 在一定量程比范围内, 可以有效提高输出电流值, 便于模拟量模块进行高准确度的采集, 以提高流量示值的准确度。

(3) 采用数字量方式进行信号采集

  工业上常规变送器采用4~20 mA进行输出和采集, 采用模拟量进行信号输送过程中由于经过DA到AD的转换, 并受分辨力的影响, 势必会带来信号传递上的误差。而目前一些大品牌的变送器都具有数字量输出功能, 在变送器与系统中采用数字量进行通信可以避免信号传递上的误差, 提高流量示值的准确度。

3、结语:

  综上所述, 从设计、补偿、安装及变送器应用的各个环节, 都可以提高差压式流量计实际使用的准确度, 差压式流量计能够适应当前工业生产的需求, 直接面对高准确度大量程比的挑战。


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