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所在位置:工控博客苑 -- 潘学礼 -- 流量测量方法和仪表的选择考虑因素(2)

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潘学礼工控博客

潘先生

     学历:中专
     职称:工程师
     年龄:33岁
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发表人:偶尔路过 发表时间:2009-8-8 7:58:00

 

发表新论题

 本栏论题: 流量测量方法和仪表的选择考虑因素(2)  [4075]
    2.性能要求和仪表规范方向的考虑
   
   
   
    2.1 总论
   
   
   
    测量方法确定后选择仪表在性能要求上考虑的内容有:瞬时流量还是总量(累计流量)、精确度、重复性、线性度、流量范围和范围度、压力损失、输出信号特性和响应时间等。不同测量对象有各自测量目的,在仪表性能方面有其不同侧重点。例如商贸核算和储运对精确度要求较高;连续测量过程控制通常只要求良好的可靠性和重复性,有时还要求宽的范围度,而对测量精确度要求还放在次要地位;批量配比生产则希望有好的精确度。
   
   
   
    2.2 测量流量还是总量使用对象测量的目的有两类,即测量流量和计量总量。管道连续配比生产或过程控制使用场所主要测量瞬时流量;灌装容器批量生产以及商贸核算、储运分配等使用场所大部分只要取得总量或辅以流量。两种不同功能要求,再选择测量方法上就有不同侧重点
   
   
   
    有些仪表如容积式流量计、涡轮流量计等,测量原理上就以机械技术或脉冲频率输出,直接得到总量,因此具有较高精确度,适用于计量总量。 电磁流量计、超声流量计、节流式流量计等仪表原理上是以测量流体流速推导出流量,响应快,适用于过程控制,但装有积算功能环节后也可获得总量。涡街流量计具有上者优点,但其抗震、抗干扰性能差,不适用于过程控制而适用于计量总量。
   
   
   
    2.3 精确度
   
   
   
    整体的测量精确度要求多少?在某一特定流量下使用,还是在某一流量范围内使用?在什么测量范围内保持上述精确度?所选仪表的精确度能保持多久?是否易于重新校验?是否要(或能)现场在线核对仪表精确度?这些问题必须细致地考虑。 如不是单纯计量总量,而是应用在流量控制系统中,则检测仪表精确度的确定要在整个系统控制精确度要求下进行,因为整个系统不仅有流量检测的误差,还包含有信号传输、控制调节、操作执行等环节的误差和各种影响因素,如操作执行环节往往有2%左右的回差,对测量仪表确定过高的精确度(比如说0.5级)是不合理和不经济的。就流量仪表本身而言,检测元件(或传感器)和转换/显示仪表之间只精确度亦应适当确定,如未经实流标定均速管、楔形管、弯管等差压装置误差在1%-5%之间,选用高精度差压计与之相配也就没有意义了。 流量仪表规范所定的精确度等级是在某一较宽流量范围内适用,如果使用条件在某一特定流量或很狭窄的流量范围,例如用涡轮流量计计量油品桶装分发,只有在阀门全开情况下启用,流量基本恒定,或仅在很小范围内变化,此时使用的测量精确度可比规定值高。如能在此测量点专门标定,可提高精确度,比如说从0.5级提高到0.25级或更高。 用于商贸核算、储运和物料平衡要求较高精确度时,还应考虑精确度的持久性,是否易于重新校验等关键因素,以及是否有在线校验的可能性。
   
   
   
    在比较各制造厂的仪表性能规范时,要注意误差的百分率是指引用误差(测量上限或量程的百分率,常用%F.S表示),还是相对误差(测量值的百分率,常用%R表示)。通常样本或使用说明书只示误差%,而未注明%F.S或%R,往往是指%F.S,因为过去流量仪表瞬时流量的误差%F.S为多,这是不够严谨的。如果能做到%R,为表示其性能优越,必定注明。  还要注意制造厂产品说明书所定精确度是指基本误差,在现场使用环境、动力、流体条件变化将产生附加误差。现场使用精确度应为基本误差与影响量产生的附加误差所合成,如影响量大,附加误差可能远远超过基本误差。
   
   
   
    2.4 重复性
   
   
   
    重复性在过程控制应用中是重要的指标,由仪器本身原理与制造质量所决定,而精确度除取决于重复性外,尚与量值标定系统有关。严格地说重复性是指环境条件、介质参量等不变情况下,对某一流量值段时间内同方向进行多次测量的一致性。然而实际应用中,仪表优良的重复性被许多因素包括流体粘度、密度等变化所干扰,然而这些变化因素还未到需要作专门检测修正的地步,这些影响往往被误认为仪表重复性不好。例如浮子流量计受流体密度影响,小口径仪表还受粘度影响;涡轮流量计用于高粘度范围时的粘度影响;有些未作修正处理的超声流量计流体温度对声速影响等。若仪表输出特性是非线性的,则这种影响更为突出。
   
   
   
    2.5 线性度
   
   
   
    流量仪表输出主要有线性和平方根非线性两种。大部分流量仪表的非线性误差不列出单独指标,而包含在基本误差内。然而对于宽流量范围脉冲输出用作总量积算的仪表,线性度是一个重要指标,使有可能在流量范围内用同一个仪表常数,线性度差就要降低仪表精确度。随着微处理器技术的发展,采用信号适配技术修正仪表系统非线性,从而提高仪表精确度和扩展流量范围。如需作管道流量配比、流量相加或热量计要对温度差和流量相乘时,应选择线性输出的仪表,可以简化计算过程。
   
   
   
    2.6 上限流量和流量范围
   
   
   
    上限流量也称满度流量。选择流量仪表的口径应按被测管道使用的流量范围和被选仪表的上限流量和下限流量来选配,而不是简单地按管道通径配用。虽然通常设计管道流体最大流速是按经济流速来确定的。因为流速选择过低,管径粗投资大;过高则输送功率大,增加运行费用。例如水等低粘度液体经济流速为1.5-3m/s,高粘度液体0.2-1m/s,大部分流量仪表上限流量的流速接近或略高于管道经济流速,因此仪表选择口径与管径相同的机会较多,安装就比较方便。如不相同也不会相差太多。 然而同一口径不同类型的仪表上限流量(也可以说上限流速)受各自工作原理和结构的约束,差别很大。以液体为例,上限流量的流速以玻璃管浮子流量计最低,在0.5-1.5m/s之间,容积式流量计在1.5-2.5m/s之间,涡街流量计较高在5.5-7m/s之间,电磁流量计则在1-7m/s(甚至0.5-10m/s)之间。 有些仪表流量上限值订购后就不能改变如容积式仪表和浮子式仪表等,差压式仪表孔板等设计确定后上下限流量不能改变,但可以调整差压变送器量程(或换差压变送器)以适应;有些仪表则不经实流校验用户可自行重新设定流量上限值,如某些型号的电磁流量计和超声流量计。
   
   
   
    2.7 范围度
   
   
   
    范围度为上限流量和下限流量的比值,其值愈大流量范围愈宽。线性仪表有较大范围度,一般为10:1;非线性仪表则较小,通常仅3:1,能满足一般过程控制用流量测量和商贸核算总量计量。但有些商贸核算用仪表要求较宽的范围度,例如公用事业水量出荷计量的昼夜和冬夏季节差很大,就要求很宽的范围度。若选用文丘利管差压式仪表就显得不能适应。然而差压式仪表范围度拓宽近年有一些突破,主要在差压变送器及微机技术应用方面采取措施,亦可达10:1。某些型号的电磁流量计用户可自行调整流量上限值,上限可调比(最大上限值和最小上限值之比)可达10:1,再乘上所设定上限值20:1的范围度,一台仪表扩展意义的范围度(即考虑上限可调比)可达(50-200):1,还有些型号仪表具有自动切换上限流量值功能。 有些制造厂为表示其范围度宽,把最大上限流负的流速提得很高,液体7-10m/s,气体50-75m/s,实际上这么高的流速一般是用不上的,关键是下限流速是否适应测量要求。一般要求范围度宽是使下限流速更低些才好。
   
   
   
    2.8 压力损失
   
   
   
    除无阻碍流量传感器(电磁式、超声式等)外,大部分流量传感器或要改变流动方向,或在流通通道中设置静止的或活动的检测元件,从而产生随流量而变的不能恢复的压力损失,其值有时高达数十kPa。首先应按管道系统泵送能力和仪表进口压力等条件,确定最大流量时容许的压力损失,据此选定仪表。因选择不当而产生过大的压力损失往往影响流程效率。管径大于500mm输水用仪表,应考虑压损所造成能量损耗勿使过大而增加泵送费用。
   
   
   
    2.9 输出信号特性
   
   
   
    输出信号往往左右仪表的选择。流量仪表的信号输出和显示归纳为:①流量(体积流量或质量流量);②总量;②平均流速;④点流速。有些仪表输出电流(或电压)模拟量,另一些输出脉冲量。模拟量输出一般认为适合于过程控制,易于和调节阀等控制回路单元接配;脉冲量输出适用于总量和高精度测量流量。长距离信号传输脉冲量输出比模拟量输出有较高传送准确度。输出信号的方式和幅值还应有与其它设备相适应的能力,如控制接口、数据记录器、报警装置、断路保护回路和数据传送系统等。
   
   
   
    2.10 响应时间
   
   
   
    应用于脉动流动场所应注意仪表对流动阶跃变化的响应。有些使用场所要求仪表输出跟随流动变化,而另一些为获得综合平均只要求有较慢响应的输出。瞬态响应常以时间常数或响应频率表示,其值前者从几毫秒到几秒,后者在数百赫兹以下,配用显示仪表可能相当大地延长响应时间。仪表的流量上升和下降动态响应不对称会急剧增加测量误差。
   
   
   
    2.11 可维护性
   
   
   
    当实际工况与设计选型差距巨大或仪表发生故障时,有没有手段就地维修和修正应该得到重视,因为流量仪表一旦安装再拆下维护会很麻烦而且需要时间。在这方面表现最好的是差压式测量方法,因为其与流体接触元件为免维护不动件,测量用电气元件为可拆可调的通用差压变送器。所以差压式测量方式的正常运转率最高,据统计在全球差压节流式测量方式占所有测量方式的45%以上。
   
   
   
    2.12 标准及依据仪表性能选择因素数据表
   
   
   
    精确度 (基本误差) 重复性误差 范围度 响应时间 (ms或s) (%R或%FS) 差压式 孔板 ±(1-2)FS (2) 3:1、15:1 (2) 喷嘴 ±(1-2)FS (2) 3:1、15:1 (2) 文丘利管 ±(1-2)FS (2) 3:1、15:1 (2) 弯管 ±5FS (2) 3:1 (2) 楔形管 ±(1.5-3)FS (2) 3:1 (2) 均速管 ±(2-5)FS (2) 3:1 (2) 浮子式 玻璃锥管 ±(1-4)FS ±(0.5-1)FS (5-10):1 无数据 金属锥管 ±(1-2.5)FS ±(0.5-1)FS (5-10):1 无数据 容积式 椭圆齿轮 液 ±(0.2-0.5)R ±(0.05-0.2)R 10:1 <0.5s 腰轮 10:1 <0.5s 刮板 气 ±(1-2.5)R ±(0.05-0.2)R (10-20):1 >0.5s 膜式 ±(2-3)R ±(0.05-0.01)R 100:1 >0.5s 涡轮式 液 ±(0.2-0.5)R ±(0.05-0.5)R (5-10):1 5-25ms 气 ±(1-1.5)R 电磁式 ±0.2R-±1.5FS ±0.1R-±0.2FS (10-100):1 >0.2s 旋涡式 涡街式 液 ±1R ±(0.1-1)R (5-40):1 >0.5s 气 ±2R 旋进式 ±(1-2)R ±(0.25-0.5)R (10-30):1 无数据 超声式 传播速度差法 ±1R-±5FS ±0.2R-±1FS (10-300):1 0.02-120s 多普勒法 ±5FS ±(0.5-1)FS (5-15):1 无数据 靶式 ±(1-5)FS 无数据 3:1 无数据 热式 ±(1.5-2.5)FS ±(0.2-0.5)FS 10:1 0.12-7s 科氏力质量式 ±(0.2-0.5)R ±(0.1-0.25)R (10-100):1 0.1-3600s 插入式(涡轮,电磁,涡街) ±(2.5-5)FS ±(0.2-1)R (10-40):1 (4) (2)取决于差压变送器的性能 目前只有节流式流量测量装置的生产、安装、使用具有国家和国际标准《GB/T2624-1993》和《ISO5167》,节流式流量测量装置被普遍用于贸易结算
   
 

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