一種差壓式流量計的數(shù)字化標(biāo)定及優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流量的測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種差壓式流量計的數(shù)字化標(biāo)定及優(yōu) 化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1、流量測量的基本概念 流體是一種沒有固定形態(tài)能夠自由流動的物質(zhì)，因為自然界中只有液體和氣體能夠流 動，所以把液體和氣體統(tǒng)稱為流體；又因為流體都有外廓（渠道和管道)，屬于外廓內(nèi)的一種 物質(zhì)有時又稱為介質(zhì)。流體可分為不可壓縮和可壓縮流體，密度不隨壓力變化的流體稱不 可壓縮流體，相反稱可壓縮流體。不可壓縮流體包含溫度、壓力不高的水、油和各種液態(tài)化 工原料等，可壓縮流體又分為理想和非理想氣體，理想氣體是無粘性流體，其密度可由理想 氣態(tài)方程導(dǎo)出。但真正的理想氣體并不存在，不過因為溫度、壓力相對其臨界溫度、壓力較 低的氣體可近似為理想氣體，其密度可用理想氣態(tài)方程導(dǎo)出，這些氣體包含常壓空氣和各 種化工氣體等。非理想氣體是不滿足理想氣態(tài)方程需要特殊計算密度的氣體，包含飽和蒸 汽、過熱蒸汽和各種濕氣體、多組分氣體及高溫、高壓氣體等。
[0003] 流量測量，除了要面對各種介質(zhì)外，還要面對流動狀態(tài)、體積狀態(tài)、流量范圍、管道 和安裝條件與環(huán)境等約束。介質(zhì)條件是指被測介質(zhì)是否可壓縮和單相等情況，流動狀態(tài)是 指流動是否滿管、脈動和雷諾數(shù)是否滿足要求，體積狀態(tài)是指流體的溫度、壓力參數(shù)如何， 流量范圍是指流量從小到大的變化情況，管道條件是指測量管道的形狀、規(guī)格、圓度、粗糙 度和鋪設(shè)情況，安裝條件是指流量計安裝是否同心、管道口徑與流量計口徑匹配度和直管 段是否滿足要求。環(huán)境條件是指管道外流量計工作附近的溫度、濕度、霉菌、鹽霧和電磁場 等情況。因此流量測量，涉及五花八門的氣體、液體和蒸汽，涉及從幾毫米到幾米的圓形、方 形和各種不規(guī)矩管道，更有千變?nèi)f化的工作溫度、壓力、安裝狀況和流動狀態(tài)與流量范圍， 在溫度、壓力、成份、液位5大工業(yè)參數(shù)測量中屬于難度最大也是問題最多的一項技術(shù)。
[0004] 2、流量測量技術(shù) 流量測量技術(shù)可以慨括為產(chǎn)品和標(biāo)定兩個方面。產(chǎn)品，是安裝到管道上獲取流量值的 設(shè)備，是實現(xiàn)流量測量的手段。標(biāo)定，是安裝到標(biāo)準(zhǔn)流量裝置上或通過理論方法確定可測參 數(shù)與流量關(guān)系的過程，是產(chǎn)品檢驗的必要環(huán)節(jié)。
[0005] 產(chǎn)品技術(shù)包括質(zhì)量和體積流量計與流量補(bǔ)償技術(shù)，體積流量計只能直接測量體積 流量，由于流量測量的目的是質(zhì)量流量，而質(zhì)量是體積與密度的乘積，所以對體積流量計還 需密度補(bǔ)償，就是通過溫度、壓力測量計算密度，以獲得質(zhì)量流量，它是決定體積流量計測 量成敗的重要因素，對可壓縮流體更為關(guān)鍵。質(zhì)量流量計是不需要密度補(bǔ)償直接測量質(zhì)量 流量的流量計。目前只有科里奧利和熱式質(zhì)量流量計，其余全屬體積流量計。
[0006] 產(chǎn)品的評價標(biāo)準(zhǔn)，除了體積和質(zhì)量流量計區(qū)別外，主要是適應(yīng)性和計量性能指標(biāo)。 適應(yīng)性，主要包含產(chǎn)品適應(yīng)介質(zhì)和環(huán)境的能力。適應(yīng)介質(zhì)能力是指流量計是否能夠用于一 種或多種介質(zhì)的使用和耐溫、耐壓、耐腐蝕等情況，適應(yīng)環(huán)境能力是指流量計是否能在高、 低溫，潮濕、鹽霧、強(qiáng)電磁場等環(huán)境下使用。計量性能指標(biāo)是評價準(zhǔn)確性的一組指標(biāo)，主要有 流量不確定度、起測點(diǎn)和量程比。流量不確定度是指測量的流量比照真實流量(用更準(zhǔn)確系 統(tǒng)校準(zhǔn)的流量)的相對誤差，遠(yuǎn)不如一般的溫度、壓力測量理想。一般的溫度、壓力測量不確 定度容易實現(xiàn)1%，而流量測量對液體一般在1%左右，對氣體一般在1. 5~2. 5%左右，對蒸 汽甚至3~5%。起測點(diǎn)是指流量計對最小流量的測量能力，由于測量信號和流場分布都與 流量大小有關(guān)，太小的流量容易造成信號不穩(wěn)而難以測量，所以最小流量測量是流量測量 的一個難點(diǎn)，小流量測量能力差會導(dǎo)致漏測，希望越小越好。量程比是可測的最大流量與最 小流量的比值，它反映的是流量計適應(yīng)流量變化的能力，希望越大越好。計量性能指標(biāo)必須 聯(lián)合評價，不能離開起測點(diǎn)和量程比評價流量不確定度，只有在起測點(diǎn)和量程比一定的前 提下才能比較流量不確定度。
[0007] 產(chǎn)品分類與特點(diǎn)。由于流量測量對象復(fù)雜，導(dǎo)致產(chǎn)品種類繁多，目前有差壓式、容 積式、速度式、沖量式、旋翼式、質(zhì)量式等類別近百個品種，但每種流量計都以各自的原理、 結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢適應(yīng)某種需要而占一席之地，沒有一種產(chǎn)品能夠完全替代其它產(chǎn)品。相對而言， 差壓式流量計因為耐高溫、高壓，幾乎可測所有的介質(zhì)而有最廣泛的應(yīng)用。差壓式流量計， 又分為標(biāo)準(zhǔn)與節(jié)流裝置和各類以差壓測量為手段的流量計。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，是國家標(biāo)準(zhǔn)在 測量口徑、計算方法、使用條件等方面做出詳盡規(guī)定的一類流量計，包括標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴 嘴、標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置以外的差壓式流量計，均屬非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計，包括 節(jié)流裝置和各類專用孔板等(見差壓式流量計圖譜)。
[0008] 因為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的儀表系數(shù)具有國際化標(biāo)準(zhǔn)算法，一般不需要實流標(biāo)定，只要 幾何檢查即可。相反，除了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置以外的所有流量計都需要實流標(biāo)定，因此實流標(biāo)定 要面對眾多的流量計型式和口徑，還要面對各種氣體、液體、蒸汽介質(zhì)和千變?nèi)f化的參數(shù)， 無法解決工況標(biāo)定問題，使大量流量計在無法標(biāo)定或非工況標(biāo)定下投入使用，導(dǎo)致測量誤 差很大，引起貿(mào)易糾紛和工藝問題發(fā)生。
[0009] 標(biāo)定的主要內(nèi)容是確定儀表系數(shù)及不確定度(誤差)。因為流量是導(dǎo)出量，只能通 過可測參數(shù)換算，比如差壓式流量計是通過測量差壓換算流量，容積式流量計是通過計數(shù) 容積換算流量，渦街式流量計是通過測量頻率換算流量等等。又因為流量計的可測參數(shù)與 流量的關(guān)系在一定的流量和誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為是個常數(shù)，一般稱為儀表系數(shù)；對差壓式流 量計儀表系數(shù)就是確定差壓與流量關(guān)系的系數(shù)，只有確定了儀表系數(shù)才能實現(xiàn)流量測量。 儀表系數(shù)的準(zhǔn)確性和線性度將決定計量性能指標(biāo)，因此流量計在生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須盡可能準(zhǔn)確 地確定儀表系數(shù)，確定儀表系數(shù)的方法就是標(biāo)定。標(biāo)定有理論方法和實驗方法，因為理論方 法不能解決所有流量計的儀表系數(shù)，所以標(biāo)定又分為理論標(biāo)定和實流標(biāo)定。理論標(biāo)定，就是 對影響儀表系數(shù)的因素進(jìn)行檢查；因為目前只有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置可以理論計算儀表系數(shù)，其 影響因素除了計算方法以外主要是幾何尺寸，所以理論標(biāo)定常被稱為幾何標(biāo)定。幾何標(biāo)定， 僅適合于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，就是對節(jié)流元件的機(jī)械加工質(zhì)量進(jìn)行檢查。實流標(biāo)定，就是通過標(biāo) 準(zhǔn)流量實驗，根據(jù)已知流量和可測參數(shù)實際測算儀表系數(shù)，適合于所有的流量計。
[0010] 標(biāo)定的評價標(biāo)準(zhǔn)是仿真度和診斷功能，仿真度即標(biāo)定是否能實現(xiàn)工況標(biāo)定，工況 標(biāo)定就是按口徑、按介質(zhì)、按流量范圍、按密度、按流動狀態(tài)、按安裝狀況進(jìn)行標(biāo)定。診斷功 能是根據(jù)流量計的使用工況能夠分析、判斷故障原因。
[0011] 3、實流標(biāo)定原理與存在的問題 因為差壓式流量計有通用流量表達(dá)式： Cf = KyfvAp ； ⑴ 式中，G是待測質(zhì)量流量，K是儀表系數(shù)，γ是實際密度，Λρ是測量差壓因此已知K 和γ，通過測量差壓便可測量流量。因為通常γ都可以通過溫度、壓力測量獲得，而對于K 值必須進(jìn)行實流標(biāo)定； 改寫⑴式，便有：
理想情況下在一定的流量范圍K=常數(shù)，但事實上K辛常數(shù)，對不同的G有不同的Κ，所 以要逐點(diǎn)計算Κ，于是K由下式表達(dá)：
式中，i是測量點(diǎn)編號，η是測量點(diǎn)數(shù)量，K1是第i點(diǎn)的儀表系數(shù)，G ρ γ JPA ρ i分別 是第i點(diǎn)已知的質(zhì)量流量、密度和測量差壓 通過η點(diǎn)標(biāo)定便可獲得平均儀表系數(shù)：
根據(jù)平均儀表系數(shù)即可確定每點(diǎn)的線性誤差：
取最大線性誤差即可確定儀表系數(shù)不確定度： 0 = 5 max% (5) 式中，σ是儀表系數(shù)的不確定度，δ_是η個線性誤差中的最大值得出平均儀表系數(shù) 和儀表系數(shù)不確定度便完成了標(biāo)定。
[0012] 目前的實流標(biāo)定，全國只有煙臺一家國家蒸汽流量標(biāo)定站和開封一家國家大型 水流量標(biāo)定站，蒸汽最大標(biāo)定能力為l〇T/h，標(biāo)定口徑小于DN150 ;水標(biāo)定范圍：200~ 16000m3/h，標(biāo)定口徑小于DN1600 ;還有少量的企業(yè)自備油品流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，標(biāo)定口徑小于 DN200 ;其它主要是常壓水和空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，標(biāo)定口徑在DN300以下。
[0013] 這種情況潛在以下問題：一是不能按介質(zhì)標(biāo)定，二是不能按上限標(biāo)定，三是不能按 密度標(biāo)定，四是不能按管道條件標(biāo)定，五是不能按安裝狀況標(biāo)定，六是沒有診斷功能，導(dǎo)致 即使在實驗室標(biāo)定合格也不能保證現(xiàn)場使用。
[0014] 不能按介質(zhì)標(biāo)定，是由于標(biāo)準(zhǔn)流量裝置不可能提供所有的介質(zhì)流動，只能用水或 空氣分別代表液體和氣體進(jìn)行標(biāo)定。而水或空氣不能反映特殊介質(zhì)的物理特性，對蒸汽、濕 氣體和高粘度液體更為突出。
[0015] 因為蒸汽不是自然物質(zhì)而是專門生產(chǎn)的一種二次能源，不僅價格昂貴獲取困難， 而且屬于大分子氣體，密度不符合氣態(tài)方程；尤其存在狀態(tài)區(qū)別、狀態(tài)變化、干度變化與相 變等問題。狀態(tài)區(qū)別是指蒸汽有飽和與過熱兩種狀態(tài)：飽和狀態(tài)是指溫度不隨熱量變化而 只由壓力決定的潛熱狀態(tài)。一定的壓力對應(yīng)一定的溫度，分別稱飽和壓力和飽和溫度，在飽 和溫度下吸收的熱量只能引起水、汽比變化也就是干度變化，所以飽和蒸汽是一種汽水兩 相狀態(tài)；過熱狀態(tài)是指顯熱狀態(tài)，即溫度不再受壓力限制獨(dú)立隨吸收的熱量變化。在過熱狀 態(tài)下，溫度與壓力沒有對應(yīng)關(guān)系不能相互推算，在飽和狀態(tài)下繼續(xù)吸收熱量，使飽和汽所含 水份完全蒸發(fā)變?yōu)槠?，所以過熱蒸汽是不含水分的單相汽態(tài)。由于兩種蒸汽狀態(tài)的性質(zhì)不 同其密度測算方法也截然不同，因此蒸汽測量必須區(qū)別蒸汽狀態(tài)測算密度，這就使蒸汽測 量比一般介質(zhì)的測量相對復(fù)雜。而更加困難的是蒸汽還存在狀態(tài)變化和干度問題：狀態(tài)變 化就是過熱蒸汽因為長距離流動有熱損失可能變?yōu)轱柡驼羝?，飽和蒸汽因為閥門操作突然 降壓可能變?yōu)檫^熱蒸汽，還可能因為間歇用汽產(chǎn)生相變；對飽和蒸汽還需考慮干度問題。所 有這些問題都應(yīng)該在標(biāo)定中加以體現(xiàn)，以檢查流量計的適應(yīng)能力。而現(xiàn)在的標(biāo)定由于全國 只有一個口徑有限的蒸汽標(biāo)定站，遠(yuǎn)不能滿足大量使用的蒸汽流量計標(biāo)定需要，所以大部 分是用空氣甚至水標(biāo)定。由于空氣和水都是沒有干度和狀態(tài)變化的單相介質(zhì)，便不能體現(xiàn) 狀態(tài)變化和干度特點(diǎn)，導(dǎo)致蒸汽測量經(jīng)常產(chǎn)生百分之十幾到幾十的誤差。
[0016] 濕氣體也有類似情況，由于大部分氣體都是通過壓縮機(jī)輸送，壓縮過程溫度升高， 進(jìn)入管道后又必然降溫而出現(xiàn)結(jié)露，所以大部分氣體流動都有濕度問題。這就要求標(biāo)定過 程能夠檢查氣體流量計適應(yīng)濕度的能力。而現(xiàn)在的空氣標(biāo)定介質(zhì)都用干空氣，不能反映對 濕氣體的適應(yīng)能力。
[0017] 對高粘度液體測量，因為儀表系數(shù)與粘度有關(guān)，不同粘度下的儀表系數(shù)不同，如果 高粘度介質(zhì)用水標(biāo)定，水的粘度為1厘泊左右，高粘度液體的粘度可高達(dá)十幾個厘泊，所以 用水標(biāo)定的儀表系數(shù)與實際介質(zhì)測量時的儀表系數(shù)會相差很多。
[0018] 不能按上限標(biāo)定，是指現(xiàn)在的標(biāo)定往往都不能達(dá)到需要的流量上限。因為大流 量必須有足夠的場地，水栗或風(fēng)機(jī)還必須有足夠的功率，導(dǎo)致投資和標(biāo)定費(fèi)用加大，一般 DN200以下的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的投資就在百萬元以上，一次標(biāo)定費(fèi)用也在千元左右。所以一 般的流量計生產(chǎn)企業(yè)根本不能做到，即便是國家級的標(biāo)定能力也不能滿足要求。因