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流量计量仪表性能与选择

一、流量仪表的可靠性及测量精度问题
(一)流量仪表的可靠性
流量仪表一般都是由一次仪表(如节流装置及涡街传感器)、变送器(如差压变送器、压力变送器、温度变送器),及二次仪表(如流量积算仪)组成,考察流量仪表的可靠性,应分别考察一次仪表、变送器及二次仪表的可靠性。以孔板差压流量计为例,孔板作为差压流量计的一次仪表,目前市场上有分体式和一体式两类结构,从使用情况看,一体式孔板要比分体式孔板可靠得多,为什么使用了近百年的分体式结构没有一体式孔板可靠呢?原因就在于分体式结构中,从前后环室至冷凝罐之间有两段碳钢材质的导压管和截止阀,碳钢材质的导压管运行一段时间后容易结垢而堵塞导压管,碳钢材质的截止阀和石棉垫片也容易堵塞。经常排污可以减少堵塞故障,但每排一次污,都需要较长时间才能稳定下来,这对于贸易结算是不合适的。相比之下,一体式孔板采用不锈钢加工而成,不容易结垢,也不用排污,使用多年都不会堵塞,可靠性高于分体式孔板。应当指出的是目前市场上有许多厂家的一体式孔板产品,由于三阀组和管接头的质量不过关,而存在微漏现象,少许的微漏将导致很大测量误差,这是绝对不允许的。
除一次仪表外,变送器的质量在流量测量中也很重要,它们将被测流体介质的压力、温度及节流装置前后的差压信号转变成为 4 ~ 20mA 的标准电流信号,变送器的作用在于将不便于运算的物性参数转换成便于运算的电流信号输出。目前国内生产的这类产品,普遍存在性能不可靠,使用寿命短等缺点,因此流量仪表中配用的这些产品,必须严格挑选,否则会影响流量仪表的性能。孔板差压流量计的二次仪表,通常称为流量积算仪,近年来,流量积算仪均已智能化,只不过不同的生产厂家智能化的程度不同。由于用芯片代替原始的分离元件,可靠性得到了很大提高。目前市场上的流量积算仪大致分为万用型和专用型两种,万用型流量积算仪通过硬件设置,可与差压流量计、涡街流量计或其它流量计配用,可测量过热蒸汽、饱和蒸汽、气体及液体等不同介质的流量。专用型流量积算仪硬件设置少,不像万用型流量积算仪那样,任何流体介质都适用,对于不同的流体介质,需要更换软件。从仪表可靠性看,仪表内电子线路的集成度越高,芯片越少,器件越少,可靠性越高。因此,专用型流量积算仪的可靠性比万用型流量积算仪要高得多。
同孔板差压流量计一样,考察涡街流量计的可靠性,也应从涡街传感器、变送器(压力变送器,温度变送器)及流量积算仪分别考察。涡街传感器将被测流体的流速转变成频率信号,频率信号与流速成比例,因此测取了频率就知道了流速。频率的测量方法有很多,最常用的有电容和压电晶体两种,我国涡街流量计生产厂大都使用后者。涡街传感器的可靠性是流量专业工作者经常谈论的话题,特别是国产涡街传感器的可靠性,谈论的更多。由于涡街传感器具有很多优点,近年来使用很多,但有部分国产涡街传感器可靠性差,经常出现的现象是出厂检验是合格的,但使用一段时间,如一或两年后,涡街传感器的压电晶体给不出信号或涡街传感器内的检测放大器无信号输出,造成整个涡街流量计无法使用,用这种流量仪表计量收费是不适合的。
(二)流量仪表的测量精度
流量仪表的测量精度在相关的国际标准和国家标准中是用不确定度来表示的,流量测量的不确定度相当于统计学中标准偏差的两倍,流量测量总的不确定度等于流量计算公式中各参数不确定度平方和的开方。由此可以看出,流量仪表的测量精度不是只看流量测量系统中某一部分的精度,如差压流量计的节流孔板和差压变送器、涡街流量计中的涡街传感器,而是整个流量测量系统。
在谈论流量仪表的测量精度时,有些使用者错误的认为孔板差压流量计是老式流量仪表,测量精度低,其实这种说法是不正确的。实际上,几十年来孔板差压流量计在不断的演变和完善,过去无法解决的问题,在仪表智能化后都轻易地解决了。例如,以前孔板是在设定工况下计算节流孔径d20值,在该工况下,规定了孔板的流量系数α,流束膨胀系数ε,工作状态下的孔径dt及流体密度ρ值,流量仪表在设计工况下运行时误差最小,只存在流量理论计算误差,当偏离设计工况和设计点时,将会带来许多附加测量误差,因此规定流量的量程比为3:1,也就是三分之一刻度流量以下的流量是不能测量的。仪表智能化后,从仪表量程的零点至满点的整个量程范围都将是仪表的设计工况和设计点,仪表将不会有偏离设计工况产生附加测量误差的问题,仪表的量程范围将会大大拓宽。在这种情况下,影响量程范围的只是差压变送器的精度和流量积算仪的精度。例如:0.075%精度的差压变送器在4 ~20mA电流信号输出时的最大偏差为0.012mA,在量程起始点的电流信号最大只有4.012mA,其所对应的流量为刻度流量的2.7%,只有2.7%以下的流量不能测量。至于流量积算仪的运算精度,对于1台高性能的流量积算仪,其运算误差可以忽略不计。考虑到其它各种因素,孔板差压流量计的量程范围可到20:1 。
涡街流量计的精度取决于涡街传感器、变送器及流量积算仪。涡街流量计的精度也可用流量测量的不确定度表示,流量测量的不确定度等于涡街频率的不确定度和流体密度的不确定度平方和的开方。涡街频率的不确定度与涡街传感器有关,流体密度的不确定度与压力变送器和温度变送器有关。涡街流量计的流量与涡街频率和流体密度二者成比例关系,这说明涡街传感器与压力变送器和温度变送器在确定流量时是同等重要的。但在实际使用中,有些人只强调涡街传感器,而忽略了压力变送器和温度变送器,当涡街传感器运行正常,而压力变送器运行不正常,导致流量示值严重偏离真实流量值时, 还全然不知。
流量积算仪的作用在流量测量系统中非常重要,从某种意义上讲,流量仪表的测量精度主要取决于流量积算仪的功能。以孔板差压流量计为例,节流孔板按标准计算加工就可以了,差压变送器只是将孔板前后的差压信号转变成电流信号,压力变送器和温度变送器也只是将压力信号、温度信号转变成电流信号,而流量积算仪则不同,它将利用差压信号、压力信号和温度信号判断流体的运行工况,确定与流量有关的所有参数,进而计算真实质量流量或标准体积流量。这种新的流量信号处理模式已经不是人们常提起的温压补偿模式了,所谓温压补偿是在原设定的流体温度、压力条件下确定的流量参数,在实际运行工况下,当温度、压力波动时,对原来已确定的流量参数进行修正补偿,而在新的概念中仪表不存在有原始的流量参数,所有的流量参数都是在测量周期瞬间精确计算确定的。这种新概念处理流量信号使差压流量计焕然一新,它将总的流量测量误差减至最小,并且大大拓宽了流量测量范围。

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