基于HART总线的双量程差压流量计

张宝良 纪波峰 纪 纲

(中石化股份天津分公司1，天津 300271；上海同欣自动化仪表有限公司2，上海 200070)



基于HART总线的双量程差压流量计

张宝良1纪波峰2纪 纲2

(中石化股份天津分公司1，天津 300271；上海同欣自动化仪表有限公司2，上海 200070)

差压式流量计由于其自身的固有特点，量程比不够宽广。采用增设一台低量程差压变送器的方法，能有效地扩大量程比，但仍沿用4～20 mA模拟量传送信号。由于信号要经过D/A和A/D两次转换，将会损失0.1%FS的准确度，因此采用数字信号传送的方式挽回这一损失，使流量信号处理成为无差运算。该方法不仅提高了系统准确度、减小了零漂、降低了仪表功耗，而且节省了工程投资。这一方法也同样适用于单量程差压流量计。

差压式流量计 智能变送器 双量程 模数转换 不确定度 量程比 HART总线 节能降耗

HART bus Energy saving

0 引言

差压式流量计是历史最悠久、使用范围最广泛的流量计之一。几十年以来，虽然诞生了多种新型流量计，但由于差压式流量计的诸多优点，令其在很多领域仍具有突出的优势，应用仍然很广泛。

人们在利用这种流量计优点的同时，也受制于其量程比不够宽广的缺点。因此，本文通过增设一台低量程差压变送器，组成双量程差压流量计，可有效地扩大量程比。

在差压式流量计中，人们习惯于使用4～20 mA模拟信号将变送器的输出信号传送到流量演算器(流量显示装置)。这在模拟仪表时代无可厚非，因为别无选择。但在变送器和流量演算器已经实现数字化的现在，仍然采用模拟信号传送，就显得不合时宜。为了实现模拟信号的传送，需进行D/A转换和A/D转换，这两项转换要损失大约0.1%FS的精度，这对流量量程低段产生的影响非常大。因此，人们开始研究用数字通信的方法实现信号的传送。

1 差压流量计低量程点测量误差分析

差压式流量计虽然应用很广泛，但存在量程比不理想的固有缺陷，这是由差压式流量计的测量原理决定的。差压式流量计的工作原理可用式(1)来描述[1-3]。

(1)

式中：qm为质量流量，kg/s；ΔP为差压，Pa；k为综合流量系数。

流量和差压关系如图1所示。

图1 流量与差压关系图

图1中：当qm=100%FS时，ΔP=100%FS；当qm=50%FS时，ΔP=25%FS；而当qm=10%FS时，差压只有差压上限的1%。

目前，差压变送器准确度已经达到非常高的水平。0.065%准确度等级的差压变送器已被广泛使用，但仍不能满足所有的使用需求。

因为差压变送器的准确度等级是用引用误差表示的，将引用误差换算到示值误差就要除以测量值[4-5]。例如在1%FS测量点：示值误差=引用误差/测量值=±0.065%FS/1%FS=±6.5%。

而差压式流量计的系统不确定度是由六个因素合成的[6-7]，仅差压测量一项已经有±6.5%的最大误差，准确度不高。

在双量程差压流量计中，根据需要配有两台差压变送器。在流量量程高段，高量程差压变送器输出有效；在量程低段，低量程差压变送器输出有效，从而提高了量程低段的测量精度，扩大了量程比[1-2]。这一方法不仅在理论上得到了论证[3]，而且通过了在流量标准装置上进行的实流检定[8]。

例如：在用双量程差压流量计测量蒸汽流量时，取高量程差压变送器为0～100 kPa，取低量程差压变送器为0～3 kPa，量程低段差压测量精度提高了33倍，满足系统精度的需要。

双量程差压流量计的典型结构如图2所示。图2(a)中所标注的设备如下：①差压变送器；②三阀组；③支架；④差压装置和管；⑤引压管；⑥承插焊闸阀；⑦冷凝罐。

图2 典型结构图

信号连接图如图3所示。

图3 信号连接图

2 数字量传送信号的方法研究

在流量测量系统中，人们习惯用4～20 mA信号进行传送，这个信号制已经使用了几十年。因为流量演算器和DCS的模拟信号输入通道大约有0.05%FS的精度，一般认为已经足够。

自从现场总线变送器面世后，人们认为以数字量传送这些信号更准确，还可节省大量电缆及工程费用。这也体现了从模拟技术到数字技术的飞跃。在智能差压变送器等现场变送器中，信号的处理和显示都以数字量运算的方式进行，运算精度极高，但是为了最终输出，必须将数字量转换成4～20 mA，即D/A转换。此信号送到流量演算器或DCS的AI通道后，又必须再转换成数字信号，才能进行进一步计算、处理，这一环节即A/D转换。这两次转换大约要损失0.1%FS的精度。在相对流量比较大的时候，这0.1%FS的损失算不了什么；但在相对流量较小时，这0.1%FS的影响就非常大了。

例如在20%FS流量测量点，0.1%的引用误差换算到示值误差就变成2.5%，相应的差压测量不确定度为1.67%[6-7]，对差压式流量计的流量示值影响约为0.83%。如果相对流量更加小，则影响更可观。采用数字通信的方法传递这些信号后，流量演算器转换为无差运算。

3 基于HART总线流量测量系统的组成

基于HART总线的流量测量系统由智能差压变送器(一台或多台)、智能压力变送器、智能流量演算器、智能温度变送器(或温度传感器)等组成[9-11]，其系统如图4所示。温度信号可选智能温度变送器挂在HART总线上。为了节省投资，也可采用Pt100信号直接送入流量演算器。智能流量演算器中的24 VDC电源经隔离电阻为每个智能变送器供电，每台变送器消耗4 mA电流。流量演算器采用轮询的方式依次读取变送器中的数字输出信号，并运算处理。采集得到的数据和中间计算结果在原始数据画面中显示。

图4 流量测量系统组成图

图4中，差压变送器和压力变送器就是普通的智能差压变送器和压力变送器。所不同的是，在投运前用手持终端将变送器中的通信站号从0修改为1～15，一台上位机所挂的设备地址不能重复(一般是从1开始的连续自然数)，使上位机能与多个智能变送器进行HART通信。在流量演算器中，设置从低量程到中量程的差压切换点，以及从中量程到高量程(如果有)的差压切换点。信号投运后，系统就能用数字通信的方法传送数字信号，并进行无差演算。

4 单量程仪表的适用性

以上讨论都是针对双量程差压流量计展开的。当相对流量越小，这一方法的优越性就越显著。

这一方法同样适用于单量程差压流量计。在流量满度为30%的测量点，差压测量误差约可减小1.1%MV，流量测量误差约可减小0.55%。

5 结束语

在双量程差压式流量计中，通过引入一台低量程差压变送器，可大幅度提高量程低段的差压测量精度，进而提高量程低段的流量测量精度，扩大量程比。

将智能差压变送器的输出信号用4～20 mA信号传送到流量演算器或DCS，由于在变送器中经D/A转换环节，在流量演算器中经A/D转换环节，总共要损

失0.1%FS的精度，这对流量量程低段的影响特别大[12-13]。改用数字量传送后，流量演算器实现0级运算，从而提高了全量程(尤其流量量程低段)的精度，扩大了量程比的范围。

采用HART总线的方法传送信号后，现场变送器可以挂在总线上，用一路电缆代替了几路电缆，显著节省了电缆支出(在防爆场所还有安全栅支出)和工程开支。

通过4～20 mA信号传送变送器到流量演算器的信号时，信号值的变化可以无限小，因此容易受到外界干扰，稳定性较差、零点易漂移。而通过数字信号传送时，信号的有效值只有0和1，电平较高，抗干扰能力强；同时，信号电流恒定在4 mA，仪表功耗显著降低。

采用HART总线的方法传送差压、压力信号，组成的双量程(和单量程)差压流量计，已经获得广泛使用，既准确、可靠又经济、实惠。

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[13]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，2012:37-39.

Dual Range Differential Pressure Flowmeter Based on HART Bus

Differential pressure (DP) flowmeter features a low turndown ratio because of its inherent characteristics. To effectively increase its turndown ratio,a lower range DP transmitter is added,and 4～20mA is still used as transmitting signal. Because two times of conversions,D/A and A/D are needed,the accuracy may lose by 0.1%FS. By using digital signal,this loss can be avoided,and the flow signal processing will be no error operation. This method not only improves system accuracy,reduces zero drift,decreases power consumption,but also saves investment of project. This method is also available in single range DP flowmeters.

Differential pressure flowmeter Smart transmitters Dual range Analog-to-digital conversion Uncertainty Turndown ratio

张宝良(1972—)，男，1992年毕业于中国计量学院力学计量测试专业，获学士学位，高级工程师；主要从事流体计量方向的研究。

TH814;TP336

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608023

修改稿收到日期：2016-06-02。