双量程差压流量计不确定度和量程比的验证

魏峥，谢林，纪波峰，陈杰，纪纲

(1. 盐城热电有限责任公司，江苏 盐城 224006；2. 上海电力公司 电力科学研究院，上海 200437；3. 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

仪器仪表

双量程差压流量计不确定度和量程比的验证

魏峥1，谢林2，纪波峰3，陈杰3，纪纲3

(1. 盐城热电有限责任公司，江苏 盐城 224006；2. 上海电力公司 电力科学研究院，上海 200437；3. 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

用差压法测量流体流量，由于流量与差压信号之间的平方根特性，其量程比不够大。在双量程标准差压流量计中，增设了1台低量程差压变送器，使量程低段的差压测量精确度提高了33倍(典型值)，从而使量程低段的流量测量精确度得到提高。按国际标准和国家标准所提供的不确定度公式计算，测量液体时不确定度达到1.0%，测量蒸汽和组分稳定的气体时不确定度达到1.5%，量程比达到100∶1。经DN80和DN200共6套双量程差压流量计在水流量标准装置上的数据验证，得到的误差比计算结果略小，优于技术指标，并在现场使用中得到证实。

双量程 差压流量计 不确定度 量程比 验证

1 不确定度与量程比的关系

1.1范围度的定义

国际标准化组织(ISO)于1998年颁发国际标准ISO 11631《流体流量测量——规定流量仪表性能的方法》，对范围度作了重新定义[1]： 1) 范围度是测量范围的最大流量与最小流量的比值；2) 上限(值)范围度是范围最大上限值与最小上限值的比值。

重新定义适应了流量测量技术发展的需要。范围度也称量程比，老式的流量计只有一档量程，以前用英文rangeability并无歧义，但现在有很多流量计，测量范围可以根据使用需要设定，于是术语rangeability被定义为测量上限可调比。另外，范围度或量程比指的是保证精确度的最大流量与最小流量之比。某些流量计，在百分比流量很小时仍可测量，但精确度保证不了，例如涡街流量计，在Re≥5×103后有稳定的旋涡产生，但当Re≥2×104后才能保证精确度，因此计算量程比中的最小流量只能取Re=2×104所对应的流量值[2]。

1.2关于分界流量

在JJG 1030—2007中，分界流量(transition flowrate)指在最大流量和最小流量之间的流量值，它将流量范围分割成允许误差不同的两个区，即“高区”和“低区”[3-4]。例如外夹式超声流量计用来测量液体流量时，在分界流量到最大流量之间，精确度确定为1%，而在最小流量到分界流量之间，精确度确定为2%，从而解决了在整个测量范围内不同精确度的描述问题。因为百分比流量很小时，能够达到的精确度比百分比流量大的高区要低一些，而流量计的使用者对“低区”的精确度也很关注。“低区”的精确度除了用示值误差表示之外，有的也可用引用误差来描述；“高区”和“低区”的分界大多用百分比流量表示，有的也可用流速表示。

1.3不确定度和量程比的关系

GB/T 17611—1998中，精确度被定义为被测量的测量结果与(约定)真值间的一致程度，其定量表示应采用不确定度。好的精确度意味着小的随机误差和系统误差。在同一标准中，系统不确定度的定义是与系统误差有关的不确定度分量，它对平均值的影响不能通过多次测量来减小。

不确定度与量程比有着密切关系。同一台仪表如果确定的精确度等级较高，只能在较低的量程比条件下得到；如果想得到较大的量程比，则必须降低精确度等级。因此，在确定一台流量计不确定度时，同时要给出量程比数据。

将1台新型差压装置与差压变送器组成的流量测量系统放在流量标准装置上标定，发现量程比为3∶1时，能得到0.3%的线性度，同时又确定该流量计的量程比为10∶1，但未验证在10∶1量程比条件下是否仍能达到0.3%的精确度，也未做不确定度分析计算，这是有误的。殊不知，在满量程流量10%处，差压只有满量程差压的1%，0.065%精确度等级的差压变送器，此时的不确定度只能达到4.3%[5]，仅此一项就与所承诺的0.3%的精确度相去甚远。

2 标准差压流量计精确度等级的确定

2.1精确度等级的确定

流量计不确定度的确定是仪表制造厂对用户所做的承诺，要有充分而可靠的理论依据和实验数据来支持。

某仪表公司的差压流量计用1台高精度差压变送器来测量天然气流量，精确度等级1.5级，量程比可达65倍。殊不知在满量程流量1/65处，差压只有满量程差压的1/4225，且忽略气体温度压力等因素对系统不确定度的影响，仅差压测量不确定度的影响就相当大，即使采用当今世界上精确度等级最高的0.04%差压变送器，在差压为0.024%FS点，差压变送器输出为0～0.064%FS都有可能，毫无精确度可言。

2.2被测流体为液体时的不确定度

GB/T 2624—2006和ISO 5167： 2003(E)规定，标准孔板不确定度可达到0.5%[6-7]，在此基础上，引入差压测量不确定度。当被测流体为水时，系统不确定度可达到1%MV(1%不是引用误差)。从不确定度估算来看，能够达到1%系统不确定度的量程比不大，约6∶1，因为当流量为16.7%FS时，差压为2.78%FS，该点的差压测量不确定度为1.56%。按照差压不确定度与流量测量不确定度的关系可知，差压测量不确定度引入的流量测量不确定度最多为0.78%[8-9]，按系统不确定度合成公式计算[8]，系统不确定度可优于1%。

在水流量标准装置上对标准孔板流量计系统(配0.065级差压变送器)进行检定时，如果系统进行了雷诺数自动补偿，量程比一般能达到10∶1，即在10%FS的流量检定点，仍能通过1%FS精确度的检定，是因为该检定点对应的差压只有1%FS，已经接近零点，而在流量检定操作过程中，都有一项校零操作，即阀门关闭、测量管内流体流速为零时，将流量计示值调到零，所以此时的差压测量实际不确定度比计算公式给出的结果要小一些。

2.3被测流体为蒸汽时的不确定度

被测流体为蒸汽和组分稳定的气体时，能够达到的不确定度要比测量液体时大，这是因为绝大多数液体密度较稳定，当温度稳定时，其密度是一个常数，在温度变化时，其密度也只有微小的变化，只要进行温度补偿就可忽略密度影响。但是蒸汽和气体的密度测量较复杂，对流量测量的影响很大。气体流量测量的另一个难点是其可膨胀性[10]，在测量液体时，液体可以认为是不可压缩流体，ε恒为1，所以在系统不确定度分析中，无可膨胀性影响。

引入密度测量不确定度影响和可膨胀性影响后，被测流体为蒸汽和组分稳定的气体时，系统不确定度只能达到1.5%，能满足国家标准GB 17167—2006的要求[11]，量程比也能达到6∶1。

2.4双量程差压流量计的量程比

双量程差压流量计在原有差压变送器的基础上增设了1台低量程差压变送器，从而使低量程段的差压测量精确度得到了提高，进而提高系统精确度[12]。在保证精确度的基础上，量程比得到大幅度提高。其系统不确定度和量程比如下：

1) 被测流体为液体时，(1%～3%)FS区间，系统不确定度为低量程上限的±1.0%；(3%～100%)FS区间，系统不确定度为流量示值的±1.0%。

2) 被测流体为蒸汽和组分稳定的气体时，(1%～3%)FS区间，系统不确定度为低量程上限的±1.5%；(3%～100%)FS区间，系统不确定度为流量示值的±1.5%。从量程比的定义来看，上述指标对应的量程比为100∶1。

实际上，保证示值误差1.0%和1.5%的量程比仅有33∶1，其中，高量程差压变送器覆盖的量程比仅有5.77∶1，低量程差压变送器覆盖的量程比也仅有5.77∶1，由于5.77<6，所以不确定度估算的结果精确度是有保证的。双量程差压流量计不确定与量程比的完整分析详见文献[13]。

3 不确定度与量程比的验证

3.1验证方法

差压式流量计现行检定规程JJG 640—1994，该规程规定，不管流量计测量的介质是什么，都可以放在水流量标准装置上实流检定，但该规程只对组成系统的各单元进行单表检定[14]，没有系统检定，因此根据JJG 897—95《质量流量计检定规程》[15]，将1套差压式流量计当作1台质量流量计检定。不同流体的差压流量计检定的理论基础是动力学相似，即同一套流量计测量不同的流体，流体的性质不同，但只要有相同雷诺数就有相同的流出系数，因此，用水检定合格的差压流量计，测量其他流体也是合格的。

3.2验证结果

具体在水流量标准装置上检定的流量计共6台，其中DN80有2台，DN200有4台，各台表验证的结果见表1～6所列。误差曲线如图1～6所示。

表1 检定结果(被检表编号： FE-3201-1)

表2 检定结果(被检表编号： FE-3201-2)

表3 检定结果(被检表编号： FE-2781-1)

表4 检定结果(被检表编号： FE-2781-2)

表5 检定结果(被检表编号： FE-2881-1)

表6 检定结果(被检表编号： FE-2881-2)

图1 误差曲线(被检表编号： FE-3201-1)

图2 误差曲线(被检表编号： FE-3201-2)

图3 误差曲线(被检表编号： FE-2781-1)

图4 误差曲线(被检表编号： FE-2781-2)

图5 误差曲线(被检表编号： FE-2881-1)

图6 误差曲线(被检表编号： FE-2881-2)

3.3检定数据的利用

检定数据是一个资源，合理地利用能使系统精确度进一步提高，但在大多数情况下，这些数据只作为判定仪表是否合格的依据。从图1～图6误差随流量变化的关系曲线可以看出，曲线比较平滑，如果将各检定点的示值乘上一个合适的误差校正系数，可将各点误差校正掉，这种校正可以在流量二次表中用10段折线予以实现。经误差校正的流量计如果在流量标准装置上重复作检定点的误差试验，可做到基本没有误差，但是在具体试验中，还是存在0.1%以下的微小误差，这是由流量计的重复性误差引起的。

采用误差校正的方法能使系统精确度显著提高，但由于重复性误差的存在，变送器和二次表等的时漂以及介质不同引起的误差，最终流量计仍会有一定的误差，误差一般不大于0.5%。但配套校验配套使用，如果变送器(尤其是差压变送器)或二次表更换过，原来各检定点的误差值会有明显的变化，则原来的误差校正系数就不再正确了，必须重新标定，才能获得0.5%的精确度。

4 结束语

1) 标准孔板流量计，如果只配用1台差压变送器，理论分析只能得到6∶1的量程比，但经雷诺数补偿和其他各项补偿后，在流量标准装置上验证，实际能达到10∶1的量程比。

2) 增设了1台低量程差压变送器后，由于低量程段差压测量精确度提高33倍，量程比可达100∶1，其中在(3%～100%)FS区间，系统不确定度可达1%(液体)和1.5%(蒸汽等)，在水流量标准装置上的验证结果证明了这一点。

3) 利用实流标定数据绘制误差曲线，并在流量二次表中用折线法进行误差校正，可使系统不确定度提高到0.5%。

4) 流量二次表用HART通信的方法到差压变送器直接读取差压值，到压力变送器直接读取压力值，从而消除了变送器中的D/A转换和流量二次表中的A/D转换引入的误差，可使系统不确定度进一步改善。

5) 双量程标准差压流量计，其系统不确定度经依据相关标准进行的分析计算，能达到国家标准GB 17167—2006的要求，量程比可达100∶1，该结论得到权威机构实流检定确认。

[1] 上 海工业自动化仪表研究所.GB/T 22133—2008 流体流量测量——规定流量仪表性能的方法[S].北京： 中国标准出版社，2009.

[2] 姜仲霞，姜川涛，刘桂芳. 涡街流量计[M]. 北京： 中国石化出版社，2006.

[3] 纪纲. 流量测量仪表应用技巧[M].2版. 北京： 化学工业出版社，2009： 55.

[4] 中国计量科学研究院.JJG 1030—2007 超声流量计检定规程[S].北京： 中国标准出版社，2007.

[5] 中石油工程设计有限公司西南分公司.GB/T 21446—2008 用标准孔板流量计测量天然气流量[S]. 北京： 中国标准出版社，2008.

[6] ISO.ISO 5167-2： 2003(E) Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-section Conduits Running Full [S]. Switzerland： ISO， 2003.

[7] 上海工业自动化仪表研究所. GB/T 2624—2006 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量[S]. 北京： 中国标准出版社，2007.

[8] 王池. 流量测量不确定度分析[M]. 北京： 中国计量出版社，2002： 61-66.

[9] 蔡武昌，孙淮清，纪纲. 流量测量方法和仪表的选用[M].北京： 化学工业出版社，2001.

[10] 纪纲，纪波峰. 流量测量系统远程诊断集锦[M]. 北京： 化学工业出版社，2012： 18-23.

[11] 全国节能监测管理中心.GB 17167—2006 用能单位能源计量器具配备和管理通则[S].北京： 中国标准出版社，2006.

[12] 袁均钢，倪长旺，纪纲. 双量程差压流量计原理与应用[C]//2008全国能源计量优秀论文集.北京： 中国计量出版社，2008： 554-559.

[13] 中国计量科学研究院.JJG 640—1994 差压式流量计检定规程[S].北京： 中国计量出版社，1994.

[14] 翟秀贞，杨宗玉.JJG 897—95 质量流量计检定规程[S].北京： 中国计量出版社，1995.

VerificationofUncertaintyandTurnDownRatioforDualRangeDPFlowmeter

Wei Zheng1， Xie Lin2， Ji Bofeng3， Chen Jie3， Ji Gang3

(1. Yancheng Thermal Power Co.Ltd.， Yancheng， 224006， China；2. Electric Power Research Institute， SMETC， Shanghai， 200437， China；3. Shanghai Tontion Automation Instrumentation Co. Ltd.， Shanghai， 200070， China)

The turn down ratio is not big enough for measuring fluid flow by differential pressure due to square root characteristic between flow and differential pressure (DP) signal. In dual range DP flowmeter， an extra DP transmitter at low range is set up， and the DP measurement accuracy is increased for 33 times in low range， and improves flow measurement accuracy in low range. After calculation of uncertainty with the formulation provided in national and international standards， it is less than 1.0% when measuring liquid flow， and is less than 1.5% when measuring steam and gas with stable component， and the turn down ratio reaches to 100∶1. The test data with 6 dual range DP flowmeter on the water flow standard device withDN80 andDN200 verifies the error is slightly smaller than the calculated value， and is better than technical specifications. It’s also verified in practice.

dual range； differential pressure flowmeter； uncertainty； turn down ratio； verification

稿件收到日期： 2013-06-24，修改稿收到日期2013-08-21。

魏峥(1968—)，1990年毕业于东南大学物理电子技术专业，获学士学位，现就职于盐城热电有限责任公司，主管计量工作，任工程师。

TH814

B

1007-7324(2013)06-0054-04