提高差压式蒸汽流量计测量精度的探讨

发布时间：2009-10-26 作者：李敦辉

        0　引言
        目前,上海地区的供热公司对蒸汽计量仪表基本 上都采用了集中管理的模式,且智能化程度在不断提 高。上海桃浦热力公司采用华明智能仪器有限公司的 蒸汽计量系统,整个系统从管道的取样到控制室的管 理,基本上可分为3个部分:即安装在蒸汽供热管道上 的现场测量仪表( IAS - 8660流量多参数智能变送显 示仪) 、热网监控中心的计算机管理平台( IAS—智能 化热网数据处理中心)以及连接这两部分的数据传输 系统( IAS - 8010D2 GPRS———移动适配器) 。在这3 部分中,对计量仪表精度影响最大的是IAS - 8660流 量多参数智能变送显示仪,下面仅就此仪表与其他仪 表的不同之处作一探讨。
        热工计量仪表主要有4大类:温度、压力、流量和 物位。蒸汽计量,尤其是过热蒸汽的计量,就涵盖了前 3类。用于贸易结算的蒸汽计量仪表和用于其他用途 (比如用于过程控制)的蒸汽计量仪表相比,有其特殊 性,最明显的区别是:用于贸易结算的蒸汽计量仪表的 误差是根据相对误差来定义的,而用于过程控制的蒸 汽计量仪表的误差是用引用误差来定义的,两者的区 别在量程的起始阶段即小量程时表现尤为明显,显然, 前者的要求远远高于后者。
        为了进一步完善和改进贸易结算用蒸汽计量仪的 功能、精度和稳定性,协助华明智能仪器有限公司研发 和推广应用了IAS - 8660 流量多参数智能变送显示 仪。该流量计是严格按照国标GB /T 2624 - 93 的要 求设计,集夹持孔板、差压变送器、压力变送器、测温元件、显示及运算仪表为一体的全动态补偿的多参数差 压式孔板质量流量计,该蒸汽流量仪不仅具有上述所 叙智能化流量计的全部功能,还具有本身的一些特点, 以求改善和提高流量计的精度及稳定性。本文仅就这 些特点进行探讨,与其他智能化流量计相同的功能部 分就不再涉及。
        1　流量测量的全工况动态补偿
        根据能量守恒定律和流动连续性方程可知,在 被测介质的输送管道上安装一节流件,流束将在节 流间处形成局部收缩,从而使流速增加,静压降低, 在节流件前后产生静压差。根据介质的流速和节流 件上下游两侧差压之间的一一对应关系,测出介质 的流速,然后根据管径得出流体流量,再对时间积分 得出总量。
        根据国标GB /T 2624 - 93,流体的质量流量和差 压的关系由下式确定:
       

        式中: qm 为质量流量; C为流出系数;β为直径比;ε为 可膨胀性系数; d 为工况条件下节流件节流孔直径; ΔP为差压;ρ为流体密度。
        然而,迄今为止,绝大多数的孔板流量计都采用简 化的计算公式来进行流量计算,即:
        

        在这个被简化的计算公式中,使用常数来表达流 出系数、渐近流束系数、气体膨胀系数、流量系数等,流 体流量只与差压值和密度有关。虽然这种方法能满足 测量的一般要求,但是在实际工况下这些系数都是过 程变量函数,随工况的变化而变化,这种变化将影响测 量的精度,并导致其测量范围的减小,特别是下限的测 量范围仅为量程的1 /3处。因此,传统的计算方法不 能真正表达流体的实际流量,特别是在较大的流量变 化范围内,造成一定的误差。
        为了提高测量精度,实现宽范围内高精度的测量, IAS - 8660流量多参数智能变送显示仪对流量测量实 现全工况动态补偿,对雷诺数进行线性修正,根据国标 GB /T 2624 - 93对流量的计算公式的定义,将实际工 况下的各类参数通过测量后进行重新计算,然后再代 入标准流量计算公式,现场完成被测流体的质量流量 计算,这种计算方法可以大大提高测量的范围并能确 保一定的精度。
        2　温度补偿
        在IAS - 8660中,从两方面对温度作了补偿:节流 件节流孔直径的温度补偿和差压变送器的温度补偿。
        (1) 节流件节流孔直径的温度补偿　由上所述, 在式(1)中,节流件节流孔直径d应为工作条件下的 数值,而在孔板的设计、加工、检测中,均以常温状态下 的数值为依据。显然,与工况条件相比,是有一定误差 的,主要是温度系数造成在不同温度下两者的直径有 一些不同,在常规仪表中是忽略这种影响的。但孔板 的孔径对测量的影响是比较大的,为了提高测量精度, 就不能忽视这一因数,而且在计算机高度发展的今天, 完全有可能来解决这一问题。IAS - 8660就是利用计 算机技术,根据测得的孔板实际温度,按照孔板材料的 温度系数曲线进行实时修正,从而进一步提高了测量 精度。
        在公式中,直径比β(β= d /D)值也受温度的影响, 但由于节流件的材料和管道的材料具有几乎相近的温 度系数曲线,因此β值对温度变化来说可以认为是一常 数,为了适当的简化运算,此处就不再进行修正。
        (2) 差压变送器的温度补偿　为了进一步提高 测量精度,以适应不同条件下的使用环境, IAS - 8660 还对差压变送器实现宽温度补偿。
        电容式差压传感器是由一个可变电容组成的传感 部件,称之为δ室,δ室是由两侧的隔离膜片、灌充液 和一个张紧的弹性元件———中心膜片组成。它的工作 原理是:过程压力通过传感组件作用在δ室上,作用在 δ室两侧的压力差使中心膜片产生相应的变形位移, 位移量与差压成正比。这种位移进而转变为电容极板 上形成的差动电容,差动电容量和过程差压的关系可 由下式表达:
       

        式中: K为常数; CH 为高压侧极板和传感膜片之间的 电容量; CL 为低压侧极板和传感膜片之间的电容量。 然而,众所周知,由弹性金属做成的中心膜片其弹 性系数是受温度变化影响的,位移量与差压在不同的 温度情况下并非成线性正比关系。虽然在一定的温度 变化范围内其弹性系数的变化是很小的,但由于流量 的测量对差压的变化十分敏感,差压的微小变化会影 响测量的精度,尤其是在小信号下影响更为明显。
        为了提高测量的精度,尤其是提高小信号下的测 量精度,减小在不同温度变化情况下的零位漂移, IAS - 8660在差压传感器上还增加了温度测点,以测出差 压传感器在工作状况下的实际温度,通过计算机运算, 对弹性系数进行实时修正,在- 40℃～120℃范围内实 现零温度系数,从而提高测量精度,向下拓展了下限测 量范围,并扩大了工作温度的适应范围。