摘要:測量微小流量的流量計在很多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。如果某一臺計量計的示值精度受到懷疑，就有必要用簡單易行的方法對流量計進行現(xiàn)場校準(zhǔn)、比對，以消除疑慮。對特別重要的測量點，則在正式投運前就需進行這樣的校準(zhǔn)、比對。介質(zhì)為液體時，宜將液體從放凈閥導(dǎo)出，并用容器收集稱重。當(dāng)介質(zhì)為蒸汽時，宜將導(dǎo)出的蒸汽先變成凝結(jié)水，然后稱重。當(dāng)介質(zhì)為氣體時，宜用皂膜流量計、濕式氣體流量計等進行在線實時校準(zhǔn)、比對。在作零位校驗時，應(yīng)排除小信號切除的干擾。文中還提出了保證校準(zhǔn)品質(zhì)的措施。對于不宜作現(xiàn)場校準(zhǔn)的測量點，則可用基于質(zhì)量守恒定律的方法等作現(xiàn)場驗證。
內(nèi)藏孔板流量計、小孔板流量計，以其顯著的特點使其在制藥等精細(xì)化工行業(yè)、化工小試驗裝置以及輕工行業(yè)的添加劑流量測量中，得到廣泛應(yīng)用。是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計往微小流量方向的延伸。
但因其測量精度不是由國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)保證的，所以初次使用者往往有些不夠放心。好在這種流量計的實測流量一般都很小，可以根據(jù)工藝流程的特點，例如用流程中的切斷閥和放凈閥或自控專業(yè)預(yù)設(shè)的校驗口，實現(xiàn)測量示值精度的現(xiàn)場校準(zhǔn)。
在開展此項工作時，如果所用的標(biāo)準(zhǔn)器測量結(jié)果的不確定度不大于被校流量計最大允許誤差絕對值1/3時，稱為校準(zhǔn)，否則只能稱比對。在不用標(biāo)準(zhǔn)器時，屬于驗證。
這種校準(zhǔn)的結(jié)果因為已包含流體密度、黏度、等熵指數(shù)等物性與設(shè)計計算時的偏離，也包含了溫度、壓力等工況參數(shù)的偏離的影響。還包含了使用環(huán)境偏離參比條件的影響，以及安裝情況對測量誤差的影響，所校準(zhǔn)得到的結(jié)果更具有實際意義。
1微小流量的驗證
1.1流量測量結(jié)果驗證的難點
在化工、石化等生產(chǎn)過程中，安裝有大量的過程變量測量儀表，其中溫度、壓力、流量、液位測量儀表數(shù)量巨大，種類也極其繁多。但是它們卻有一個共同的特點，就是測量結(jié)果的使用者對儀表示值精度產(chǎn)生懷疑時，都要想盡辦法予以驗證，搞清楚關(guān)鍵儀表的測量結(jié)果究競是否正確。所以驗證問題不只存在于流量之中，在溫度，壓力、液位的測量中，同樣存在，只是流量之外的要容易和簡單得多。例如溫度測量，對于特別重要的測量點，常選用雙支鉑熱電阻、雙支熱電偶，或在溫度傳感器旁邊，開設(shè)一個可以插人標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計的校驗口，增加的投資也微不足道。再比如壓力測量，在壓力變送器附近增設(shè)--個彈簧管壓力表用于對照，也只需舉手之勞。而液位測量結(jié)果的校對也不困難，因為大多數(shù)配有液位測量儀表的設(shè)備上，大多同時配有玻璃管液位計、玻璃板液位計或其他原理的液位計。例如在工業(yè)鍋爐汽包液位的測量中，一般都裝有3~4套不同原理的液位測量手段，以便相互對照，確保安全。與此相似的例子在流量測量中是不多見的。
圖1所示是冗余設(shè)置的雙檢測器渦街流量傳感器。美國洛克威爾公司有一項科研成果，即一臺渦輪流量計中配有兩個傾角不同的渦輪，其中傾角大的渦輪轉(zhuǎn)速高，精度高，但壽命短，而傾角小的一個渦輪恰巧相反，取其壽命長的優(yōu)點作為判斷主渦輪失準(zhǔn)的手段。兩個渦輪的電磁檢測器輸出的頻率保持一定的比例，并由微電子電路判斷，一旦頻率差超過設(shè)定的區(qū)間，即判主渦輪失準(zhǔn)，發(fā)出報警信號。
在大型發(fā)電機組的配套鍋爐上，進水流量是一個關(guān)鍵參數(shù)，往往一副差壓孔板上配有三對取壓口和相互獨立的三臺差壓變送器，其中一臺用于控制，一臺用于計量，而聯(lián)鎖輸出則由三臺變送器按三取二表決結(jié)果決定，從而確保安全”。
這種多重冗余并用三取二表決的方法確保流量測量結(jié)果安全可靠的做法，在大型石化裝置中也經(jīng)常采用。但要付出相應(yīng)的代價。
1.2流量測量結(jié)果正確性驗證的一般方法
闡述了這種驗證的常用方法:
(1)基于質(zhì)量守恒定律的方法;
(2)基于熱量平衡關(guān)系的方法問;
(3)基于設(shè)備能力估算的方法"。
其中方法(1)用得最多。在文獻圖中列舉了9個實際例子。例如用于貿(mào)易交接計量的表計，大多采用一根管道兩套表的配置，其中上游表計歸供方所有，下游表計歸需方所有"。
在油庫的油品發(fā)貨計量站，若干臺發(fā)貨用的流量計定期用精度足夠高的基地式標(biāo)準(zhǔn)流量計校準(zhǔn)。在天然氣長輸管網(wǎng)的計量站場，也普遍采用一臺標(biāo)準(zhǔn)流量計對若干臺發(fā)貨計量表計，經(jīng)閥門切換的方法實現(xiàn)就地校準(zhǔn)。這種儀表配置方法在貿(mào)易交接中廣泛應(yīng)用，但在過程控制中卻極少采用，原因之一是投資太高，其次是對精度的要求也沒有那么高。而是采用經(jīng)濟而且簡單易行的方法。例如各分表流量示值之和與總表相等的關(guān)系。鍋爐發(fā)汽流量應(yīng)等于進水流量與排污流量之差的關(guān)系。經(jīng)蒸汽流量計計量的蒸汽，全部凝結(jié)后應(yīng)得到質(zhì)量相等的凝結(jié)水的關(guān)系。在用流量批量控制儀定量裝車的流程中，裝車完畢,一般均需地中衡復(fù)測，這也是一個計量精度驗證的過程。便攜式超聲流量計在液體流量測量的比對和維修中，扮演著重要角色。這種流量計精度不夠高,談不上校準(zhǔn)，但如果被懷疑的流量計的確誤差較大,用它來比對，還是能夠做出結(jié)論的。
2微小流量測量儀表的現(xiàn)場校準(zhǔn)
微小流量測量儀表的精度校準(zhǔn)、驗證的特點在于“微小”，像1~10kg/h測量范圍的內(nèi)藏孔板流量計，只要--個量筒就能實現(xiàn)驗證。一支微型浮子式氣體流量計，用幾十元錢一支的皂膜流量計就能實現(xiàn)校準(zhǔn)。而適用于大流量測量儀表驗證的方法或設(shè)備，在微小流量中，有時卻不合用。
2.1液體微小流量測量儀表的現(xiàn)場驗證
液體微小流量測量儀表的精度大多可用稱重法進行驗證。典型的例子如圖2所示。
有時流量計并不安裝在調(diào)節(jié)回路中，這時就需在流量計下游管道上找到切斷閥和放凈閥或?qū)ｉT設(shè)置的校驗口，如圖3所示。
在圖3中，將切斷閥V關(guān)斷，就可對流量計零位進行檢查，打開放凈閥V2就可將液體導(dǎo)出放入容器稱重。通常可改變V2開度使FIQ的瞬時流量qm為常用值，并經(jīng)軟管導(dǎo)人容器，而且要注意軟管中液體滯留量對校準(zhǔn)、比對結(jié)果的影響。
用這種方法實施校準(zhǔn)、比對，不僅適用于內(nèi)藏孔板流量計、小孔板流量計，也適用于微小口徑電磁流量計、渦輪流量計及浮子流量計等。
2.2流量零位的檢查與校驗
關(guān)斷切斷閥對流量零位示值進行檢查和校驗是流量示值驗證的首要任務(wù)。這是因為流量計零位如果不準(zhǔn)，將對量程范圍內(nèi)的各點示值都產(chǎn)生影響。在作零位檢查和校驗時應(yīng)注意以下事項。
(1)確認(rèn)測量管內(nèi)的流體已停止流動，而且儀表處于正常測量狀態(tài)。當(dāng)然確保安全萬無一失是首要的。
(2)排除小信號切除對校零I作的干擾。
在模擬輸出的流量計中，一般均有小信號切除功能。這是因為模擬電路總會有一定幅值的漂移。這種漂移往往導(dǎo)致實際上流體已停止流動，儀表卻有小.流量指示，為了避免這種令人不快的事情出現(xiàn)，于是就設(shè)計了小信號切除功能"，例如電磁流量計，一般取滿量程流量的2%為切除點，即在實際流量小于2%FS時,儀表統(tǒng)統(tǒng)顯示零流量。于是問題得到解決。但是又產(chǎn)生新的問題，即在實際流量小于2%FS甚至存在反向流動時，儀表一概顯示零流量，從而產(chǎn)生一個假象。所以在校零時,應(yīng)將小信號切除功能暫時撒銷。
差壓式流量計都避不開開平方運算這一環(huán)節(jié)。這一運算人們喜歡交由差壓變送器去完成。這樣，相對流量較小時能獲得較大的電流輸出，從而使得將差壓信號傳送到后續(xù)儀表必不可少的DIA轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換引入的誤差予以削弱。
在差壓式流量計中，小信號切除的作用更加突出，因為開平方運算的關(guān)系，使得流量在零點附近，運算模塊具有非常大的增益。例如差壓有+0.04%FS的漂移，開平方之后就有2%FS的輸出。所以小流量信號切除點一般定得比較高。橫河公司的EJA110E型差壓變送器出廠設(shè)置定在滿量程差壓的1%,對應(yīng)滿量程流量的10%。這樣--來使流量顯示的死區(qū)變得更大。如果小信號切除模式指定為“切到0”，則流量小于10.0%FS的所有各點，儀表都顯示零。以至在調(diào)零操作時，外部調(diào)零螺釘順時針或反時針旋轉(zhuǎn)很多圈，輸出都無動于衷。“切到線性”的功能，從而使死區(qū)不死，即流量小于指定值后，輸出與輸人之間呈線性關(guān)系，甚至在差壓.為負(fù)值時，仍有對應(yīng)的變化值，從而使調(diào)整更方便。這樣信號切除的關(guān)系如圖4所示。
(3)流量零點與差壓零點的差異
差壓式流量計在做校零操作時，習(xí)慣性動作是將三閥組中的負(fù)壓閥關(guān)閉，然后打開平衡閥，如果變送器輸出不為4mA,則作相應(yīng)調(diào)整。調(diào)校完畢將流量計投人運行，這時如果將與流量計串聯(lián)的切斷閥關(guān)斷，流體停止流動，有時會發(fā)現(xiàn)流量示值并不為零，甚至?xí)胸?fù)的差壓顯示。這多半是因儀表的安裝有缺陷，流動雖已停止，節(jié)流件前后差壓已為零,但因差壓信號傳遞失真，使得變送器接收到的差壓信號并不為零。因此，差壓變送器零點正確并不等于流量零點正確。需要在變送器完成校零后，關(guān)斷切斷閥，流量示值仍為零。因此需排除安裝缺陷。
2.3流量示值現(xiàn)場驗證的操作
流量計示值正確性的驗證，由于現(xiàn)場條件所限，一般不能采取實驗室校準(zhǔn)所用的方法。按照計量檢定規(guī)程,流量計在作實流校準(zhǔn)時,在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，同時讀取被校表示值和標(biāo)準(zhǔn)表示值N次，然后取平均值并計算該校驗點本次校驗示值誤差。
一個校驗點相同的校驗進行三次，得到三個誤差值，然后計算該校驗點平均誤差和重復(fù)性。
現(xiàn)場校準(zhǔn)所用的方法，從原理來看與式(1)是相同的，但操作方法有明顯的差異。現(xiàn)場校準(zhǔn)、比對中，式(1)中的qm用累積值的增量Qm代替，qsi用稱量結(jié)果代替,校準(zhǔn)點為常用流量。因此要簡單得多。
2.4精餾塔各路流量的驗證
液相進料頂?shù)撞沙龅木s塔在制藥廠“用得很多，而且多配有流量計，由于精餾塔塔頂采出量D、塔底采出量B與進料量F之間有下面的關(guān)系
F=D+B(2)
所以可用這個關(guān)系對相關(guān)的三路流量進行分析判斷。
2.5氣體微小流量測量儀表的現(xiàn)場驗證
氣體微小流量測量儀表的現(xiàn)場校準(zhǔn)、比對，同液體流量計不同，因為從流程中導(dǎo)出的氣體無法被收集并用稱重的方法得到其質(zhì)量，只能用另一臺流量計對其進行測量。
在石化、化工行業(yè)的分析室，分析人員用皂膜流量計對氣相色譜儀上的微型浮子流量計進行標(biāo)定。類似的情況，這種標(biāo)準(zhǔn)流量計也可用來對流程中的微小氣體流量計進行校準(zhǔn)，在這種流量計中，不同規(guī)格的玻璃管對應(yīng)的流量范圍也不同，最大可測量60L/min的流量，精度可達1.0%，其外形如圖5所示。
濕式氣體流量計是一種典型的容積式流量計，不確定度可達0.5%，也適合作為標(biāo)準(zhǔn)器，流量測量上限可達3000L/h，其工作原理如圖6所示.
上述兩種可作標(biāo)準(zhǔn)表使用的氣體流量計，顯示的都是當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮毫l件下當(dāng)時氣體溫度條件下的體積流量，如果要得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，則需用式(3)進行換算.
如果要得到質(zhì)量流量，則需再乘上氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度Pn。
當(dāng)需要校準(zhǔn)的流量值更大時，則可選用玻璃浮子流量計，只是精度較低，只能用作比對。有些被校對象氣體靜壓較高，而且現(xiàn)場有容積已知的容器，也可應(yīng)用PVTt法實現(xiàn)校準(zhǔn)、比對或驗證。
2.6蒸汽微小流量測量儀表的現(xiàn)場驗證
上述用于驗證氣體流量計的三種標(biāo)準(zhǔn)表都不適合測量蒸汽流量，但仍可用稱重法予以校準(zhǔn)，例如從校驗口導(dǎo)出的微小流量蒸汽，可以經(jīng)軟管送到裝有冰屑與水的混合物的容器底部，將其變成凝結(jié)水，然后稱重，再計算示值誤差。
2.7保證校準(zhǔn)品質(zhì)的措施
(1)被校表所給出的累積流量應(yīng)具有足夠高的分辨力，參與計算誤差的流量示值有效數(shù)應(yīng)在4~5位之間。合理設(shè)置流量計的積算速率，就能滿足這一要求。
(2)收集導(dǎo)出液的容器應(yīng)足夠大，每次測量時間一般不短于1min。
(3)稱重用的衡器，精度應(yīng)足夠高。
3結(jié)束語
(1)在很多行業(yè)都使用著大量測量微小流量的流量計。如果某一臺流量計的示值精度受到懷疑，就有必要用簡單易行的方法對其進行校準(zhǔn)、比對，或通過質(zhì)量守恒關(guān)系進行驗證，以消除疑慮。
(2)測量液體微小流量的流量計，宜利用現(xiàn)場的切斷閥和放凈閥，將液體導(dǎo)出、收集、稱重，然后計算誤差。
(3)測量氣體微小流量的流量計，宜采用皂膜流量計、濕式氣體流量計等作標(biāo)準(zhǔn)，進行在線實時校準(zhǔn)或比對。
(4)測量蒸汽微小流量的流量計，宜將蒸汽從校驗口導(dǎo)出，經(jīng)軟管送到裝有冰屑與水的混合物的容器底部，將其變成凝結(jié)水，然后稱重用于誤差計算。
(5)這種現(xiàn)場校準(zhǔn)、比對得到的結(jié)果不僅包含器具本身的誤差，而且包含流體密度、黏度、等嫡指數(shù)等物性數(shù)據(jù)與設(shè)計計算的偏離引人的影響，溫度、壓力等工況參數(shù)偏離所產(chǎn)生的影響。還包含了安裝情況對測量誤差的影響以及使用環(huán)境偏離參比條件的影響，所以，校準(zhǔn)、比對、驗證的結(jié)果更具有實際意義。但若物料有毒易燃或因生產(chǎn)的連續(xù)性不允許物料導(dǎo)出，則應(yīng)以安全為重，不宜采用現(xiàn)場校準(zhǔn)這一方法。上述校準(zhǔn)方法符合有關(guān)計量檢定規(guī)程,并在現(xiàn)場應(yīng)用中獲得良好效果。
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