差壓變送器對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量精度影響

摘要:從差壓式流計(jì)的原理出發(fā)，探討了差壓變送器對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)最精度的影響情況與特性,，并結(jié)合其特征提出”了優(yōu)化的差壓變送器校準(zhǔn)方法,，使得差壓式流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果更為正確可靠。
0引言
　　流量是工業(yè)生產(chǎn)最常見的參數(shù)之一,，正確測(cè)量流量不僅保障了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全,，也有利于更好地進(jìn)行系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)，提高效率與質(zhì)量",。差壓式流量計(jì)作為使用歷史最久的一種流量測(cè)量儀表，在各領(lǐng)域具有成熟與廣泛的應(yīng)用,。而隨著工業(yè)發(fā)展的不斷深入,，市場(chǎng)和政府對(duì)于包含差壓式流量計(jì)在內(nèi)的計(jì)量器具提出了基于產(chǎn)品需求和有序監(jiān)管的全新要求。差壓式流量計(jì)的檢測(cè)涉及到節(jié)流裝置,、差壓裝置在內(nèi)的幾何量值,、壓力量值等多參量的測(cè)量日。本文從差壓式流量計(jì)的原理出發(fā),，分析了差壓變送器對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量精度的影響,，并討論了一-種更為合理的差壓變送器校準(zhǔn)辦法。
 
1差壓式流量計(jì)的組成與工作原理
　　差壓式流量計(jì)主要由節(jié)流裝置,、差壓變送器和流量積算儀組成,。常用的節(jié)流裝置主要分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件、非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件與非節(jié)流式差壓件,。其原理遵循伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程,。在密閉管道中的單相流體經(jīng)過節(jié)流件時(shí),，由于管道內(nèi)的流通截面突然減小，流體的流速急速增大,，因此流體的動(dòng)能相應(yīng)增加,。此時(shí)流體的部分位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流體在節(jié)流件前后就會(huì)產(chǎn)生壓力差,。使用差壓變送器對(duì)該壓力差進(jìn)行測(cè)量并由流量積算儀進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算,，便可得到流量測(cè)得值，如圖1所示間,。表達(dá)式為
 
式(1)中:qm--質(zhì)量流量;C一流出系數(shù);?一氣體可膨脹系數(shù);β一直徑比,，B=d/D;d-工作條件下節(jié)流件的孔徑;D-工作條件下上游管道內(nèi)徑;△p-差壓;ρ1一上游流體密度。
2差壓變送器對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量精度的影響
　　根據(jù)式(1)可知,，使用差壓式流量計(jì)開展測(cè)量對(duì)流量的影響因素主要有6個(gè),，分別是流出系數(shù)C、氣體可膨脹系數(shù)ε,、節(jié)流件孔徑d,、上游管道內(nèi)徑D、差壓△p,以及上游流體密度ρ1,。
　　這些參數(shù)的測(cè)量與確定無疑是差壓式流量計(jì)檢測(cè)的核心問題,。根據(jù)差壓式流量計(jì)現(xiàn)行國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG640--2016，差壓式流量計(jì)的檢測(cè)用流體應(yīng)具備單相,、清潔,，不含顆粒、纖維等雜質(zhì)的性質(zhì),。各管路與差壓件的幾何參數(shù)在流量測(cè)量過程中為常數(shù),，對(duì)流量測(cè)量結(jié)果造成的影響與其自身參數(shù)測(cè)量的重復(fù)性與不確定度有關(guān)，不同類型的節(jié)流件對(duì)應(yīng)于不同的測(cè)量內(nèi)容與測(cè)量方法,，對(duì)于測(cè)量結(jié)果的不確定度也有不同的要求,。上游流體密度的確定主要來自于溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果。流出系數(shù)由于是根據(jù)實(shí)際流量與理論流量的比值算得的,，因而會(huì)受到管路與節(jié)流件以及標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量結(jié)果的影響,，而差壓變送器對(duì)差壓的測(cè)量則會(huì)直接影響到流量示值誤差檢測(cè)的結(jié)果同。
　　差壓變送器作為工業(yè)中最為常用的計(jì)量器具之一,，積累了長時(shí)間的生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn),，取得了大量的技術(shù)突破，如今已經(jīng)可以達(dá)到很高的測(cè)量精度,。國外的廠家例如橫河,、霍尼韋爾、西門子、ABB等投人中國市場(chǎng)的變送器產(chǎn)品絕大多數(shù)可以達(dá)到0.075級(jí)的精度等級(jí),，艾默生旗下的羅斯蒙特更是號(hào)稱可以實(shí)現(xiàn)±0.04%FS的最大允許誤差,。國內(nèi)的廠家，精度等級(jí)達(dá)到0.1級(jí)的壓力變送器的穩(wěn)定條件,。根據(jù)JJG640-2016的要求,，差壓變送器的測(cè)量誤差對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響應(yīng)當(dāng)不超過差壓裝置精度等級(jí)的1/3。而常見的差壓式流量計(jì)精度等級(jí)對(duì)應(yīng)的最大允許誤差為±0.5%,、±1.0%,、±1.5%、±2.0%,、±2.5%,。上述差壓變送器的最大允許誤差看似在數(shù)值上達(dá)到了小于差壓裝置最大允許誤差的113的要求，但這種直觀的理解實(shí)際上存在著兩方面的問題,。
1)差壓裝置對(duì)應(yīng)的流出系數(shù)與差壓變送器對(duì)應(yīng)的差壓之間并不是一次函數(shù)關(guān)系.
以水介質(zhì)測(cè)量的用經(jīng)典文丘里管作為節(jié)流件的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置為例,，流出系數(shù)按式(2)所示:
 
　　式(2)中:C一流出系數(shù);β一直徑比;/=d/D;qs一標(biāo)準(zhǔn)流量值;d一節(jié)流件的孔徑;ρ1一水的密度;△p-測(cè)量差壓值。
　　為了進(jìn)一步考察差壓變化對(duì)流出系數(shù)的影響,，將式(2)對(duì)差壓△p進(jìn)行求導(dǎo)可得:
算結(jié)果對(duì)差壓變化的靈敏度的影響,。不難發(fā)現(xiàn)，在對(duì)差壓值較小的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí),，流出系數(shù)的靈敏度較大,，更容易被差壓測(cè)量結(jié)果的誤差所影響。
2)差壓式流量計(jì)的精度等級(jí),、最大允許誤差的定義形式與差壓變送器的不同.
　　差壓式流量計(jì)的測(cè)量參照的技術(shù)依據(jù)為JJG640-2016《差壓式流量計(jì)》檢定規(guī)程,，關(guān)于各流量點(diǎn)測(cè)得值的誤差計(jì)算如式(4)所示:
 
　　式(4)中:E一差壓式流量計(jì)的相對(duì)示值誤差;被檢流量計(jì)顯示的流量值;Qr一標(biāo)準(zhǔn)器換算到被檢流量計(jì)處狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)流量值。
　　由此可知,，差壓式流量計(jì)的測(cè)得值誤差按照相對(duì)誤差的形式定義,，故精度等級(jí)、最大允許誤差也同樣以相對(duì)誤差的形式表達(dá),。
　　而差壓變送器的測(cè)量參照的技術(shù)依據(jù)為JJG882-2019《壓力變送器》檢定規(guī)程同,，差壓變送器的示值誤差計(jì)算如式(5)所示:
 
　　式(5)中:△I一差壓變送器的示值誤差;I一差壓變送器的實(shí)際輸出值;IL一差壓變送器的理論輸出值。
　　差壓變送器的精度等級(jí)與最大允許誤差,，則是以其輸出量程的百分比表示的，如式(6)所示:
 
　　式(6)中:△I-差壓變送器的示值誤差;Ips-差壓變送器的輸出量程,。
　　由此可知,，差壓變送器的示值誤差按照絕對(duì)誤差的形式定義，而精度等級(jí),、最大允許誤差則以引用誤差的形式定義,。
　　由于定義方式的不同，直接使用精度等級(jí)或最大允許誤差評(píng)價(jià)差壓變送器對(duì)流量裝置的適用性并不恰當(dāng)。盡管在滿量程點(diǎn)時(shí)兩者可以進(jìn)行比較,，但隨著測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)差壓的減小,，差壓變送器產(chǎn)生的示值誤差換算成的相對(duì)誤差可能就越大，最終會(huì)擴(kuò)大對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量精度的影響,。
　　總的來說,，兩方面因素最終指向了同一結(jié)果:對(duì)于流量1差壓較小的測(cè)量點(diǎn)，差壓變送器自身的誤差會(huì)對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響,。
3差壓變送器的校準(zhǔn)方法討論
　　差壓式流量計(jì)由于其自身的特點(diǎn),，對(duì)差壓變送器的校準(zhǔn)提出了不同于一般壓力變送器的要求。因此,，優(yōu)化差壓變送器的校準(zhǔn)方法,，對(duì)于提升差壓式流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量精度，保障測(cè)量結(jié)果的精度可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,。
1)選擇使用合適的標(biāo)準(zhǔn)器會(huì)更有利于校準(zhǔn)結(jié)果的評(píng)價(jià)校準(zhǔn)差壓變送器可供選用的標(biāo)準(zhǔn)器有數(shù)字壓力計(jì),、自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器、活塞式壓力計(jì),、雙活塞式壓力真空計(jì),、浮球式壓力計(jì)、補(bǔ)償式微壓計(jì)等,。兼顧到差壓式流量計(jì)配置的差壓變送器的測(cè)量上限往往在數(shù)百kPa或幾十kPa左右以及校準(zhǔn)過程的便捷,，大多數(shù)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)傾向于選擇數(shù)字壓力計(jì)或自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器。這兩類壓力標(biāo)準(zhǔn)器是以引用誤差作為其自身的精度等級(jí)與最大允許誤差的評(píng)價(jià)形式,，這就導(dǎo)致了其對(duì)差壓變送器校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度同樣是以引用誤差的形式表達(dá),，使得小壓力測(cè)量點(diǎn)難以獲取滿意的結(jié)果。為此,，可以在單臺(tái)數(shù)字壓力計(jì)的基礎(chǔ)上,，再使用一臺(tái)相同精度等級(jí)，但量程更小的數(shù)字壓力計(jì),，或者為自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器額外配置一個(gè)相同精度等級(jí)的小.量程壓力模塊,。這樣使得小壓力測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不確定度減小，提升了數(shù)據(jù)的精度,。更為直接的方式是改用活塞式壓力計(jì)或者氣體活塞式壓力計(jì),。由于活塞式壓力計(jì)是以活塞有效面積、砝碼質(zhì)量以及其他修正作為其產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力,，其測(cè)量結(jié)果的不確定度往往以相對(duì)不確定度的形式表達(dá),，所以不論壓力測(cè)量點(diǎn)大小如何，均可以得到較為一致的結(jié)果,。
 
2)選擇合適的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn),，可以更好地減少實(shí)際測(cè)量的誤差
　　為了更為便捷地通過式(1)計(jì)算出所需的流量值,差壓式流量計(jì)配置的差壓變送器在出廠“時(shí)往往變更了常規(guī)的輸出信號(hào)值與輸人壓力值的線性函數(shù)關(guān)系,，采用冪函數(shù)作為輸出信號(hào)值與輸人壓力值的函數(shù)關(guān)系。這種設(shè)定方式使得差壓式流量計(jì)最終獲得的流量值與差壓變送器輸出信號(hào)值之間建立了線性函數(shù)關(guān)系,，更便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,。而差壓變送器校準(zhǔn)選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)，默認(rèn)情況下參照J(rèn)JG882-2019《壓力變送器》檢定規(guī)程中的要求,，按量程基本均勻分布,，包括上限值、下限值在內(nèi)不少于5個(gè)點(diǎn),。其中的量程均勻分布指的是壓力值的選點(diǎn)均勻,，換算成對(duì)應(yīng)的流量值后則不再均勻，測(cè)量點(diǎn)集中在大流量對(duì)應(yīng)的位置,，影響了對(duì)差壓式流量計(jì)整體精度的評(píng)價(jià),，如圖2所示。所以,，從差壓式流量計(jì)這個(gè)整體出發(fā),，差壓變送器的選點(diǎn)采用按輸出信號(hào)范圍均勻分布的方式更為合適。這種選點(diǎn)方式一方面更加仔細(xì)地考察了差壓變送器在差壓值較小的測(cè)量點(diǎn)處的測(cè)量情況,，使較小差壓值的測(cè)量結(jié)果得以獲取更可靠的校準(zhǔn)或修正,，另-方面也保障了差壓式流量計(jì)得出的流量值在各測(cè)量點(diǎn)均能得到滿意的精度。
4總結(jié)
　　差壓式流量計(jì)是工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的流量計(jì)量裝置之一,，其核心部分差壓變送器的計(jì)量與維護(hù)值得更為深人的重視與探究,。本文闡述了差壓變送器在差壓式流量計(jì)中實(shí)際的應(yīng)用情況，通過對(duì)流量計(jì)量原理的分析認(rèn)為差壓變送器在差壓值較小的測(cè)量點(diǎn)處對(duì)流量結(jié)果的影響更大,，并且從差壓變送器校準(zhǔn)的角度提出了選用合適的標(biāo)準(zhǔn)器以及改變測(cè)量選點(diǎn)的方法,，優(yōu)化了差壓變送器的校準(zhǔn)結(jié)果，有助于提升差壓式流量計(jì)測(cè)量的精度,。