張寶良 紀(jì)波峰 紀(jì) 綱

(中石化股份天津分公司1，天津 300271；上海同欣自動化儀表有限公司2，上海 200070)

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基于HART總線的雙量程差壓流量計

張寶良1紀(jì)波峰2紀(jì) 綱2

(中石化股份天津分公司1，天津 300271；上海同欣自動化儀表有限公司2，上海 200070)

差壓式流量計由于其自身的固有特點，量程比不夠?qū)拸V。采用增設(shè)一臺低量程差壓變送器的方法，能有效地擴(kuò)大量程比，但仍沿用4～20 mA模擬量傳送信號。由于信號要經(jīng)過D/A和A/D兩次轉(zhuǎn)換，將會損失0.1%FS的準(zhǔn)確度，因此采用數(shù)字信號傳送的方式挽回這一損失，使流量信號處理成為無差運(yùn)算。該方法不僅提高了系統(tǒng)準(zhǔn)確度、減小了零漂、降低了儀表功耗，而且節(jié)省了工程投資。這一方法也同樣適用于單量程差壓流量計。

差壓式流量計 智能變送器 雙量程 模數(shù)轉(zhuǎn)換 不確定度 量程比 HART總線 節(jié)能降耗

HART bus Energy saving

0 引言

差壓式流量計是歷史最悠久、使用范圍最廣泛的流量計之一。幾十年以來，雖然誕生了多種新型流量計，但由于差壓式流量計的諸多優(yōu)點，令其在很多領(lǐng)域仍具有突出的優(yōu)勢，應(yīng)用仍然很廣泛。

人們在利用這種流量計優(yōu)點的同時，也受制于其量程比不夠?qū)拸V的缺點。因此，本文通過增設(shè)一臺低量程差壓變送器，組成雙量程差壓流量計，可有效地擴(kuò)大量程比。

在差壓式流量計中，人們習(xí)慣于使用4～20 mA模擬信號將變送器的輸出信號傳送到流量演算器(流量顯示裝置)。這在模擬儀表時代無可厚非，因為別無選擇。但在變送器和流量演算器已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化的現(xiàn)在，仍然采用模擬信號傳送，就顯得不合時宜。為了實現(xiàn)模擬信號的傳送，需進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換，這兩項轉(zhuǎn)換要損失大約0.1%FS的精度，這對流量量程低段產(chǎn)生的影響非常大。因此，人們開始研究用數(shù)字通信的方法實現(xiàn)信號的傳送。

1 差壓流量計低量程點測量誤差分析

差壓式流量計雖然應(yīng)用很廣泛，但存在量程比不理想的固有缺陷，這是由差壓式流量計的測量原理決定的。差壓式流量計的工作原理可用式(1)來描述[1-3]。

(1)

式中：qm為質(zhì)量流量，kg/s；ΔP為差壓，Pa；k為綜合流量系數(shù)。

流量和差壓關(guān)系如圖1所示。

圖1 流量與差壓關(guān)系圖

圖1中：當(dāng)qm=100%FS時，ΔP=100%FS；當(dāng)qm=50%FS時，ΔP=25%FS；而當(dāng)qm=10%FS時，差壓只有差壓上限的1%。

目前，差壓變送器準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到非常高的水平。0.065%準(zhǔn)確度等級的差壓變送器已被廣泛使用，但仍不能滿足所有的使用需求。

因為差壓變送器的準(zhǔn)確度等級是用引用誤差表示的，將引用誤差換算到示值誤差就要除以測量值[4-5]。例如在1%FS測量點：示值誤差=引用誤差/測量值=±0.065%FS/1%FS=±6.5%。

而差壓式流量計的系統(tǒng)不確定度是由六個因素合成的[6-7]，僅差壓測量一項已經(jīng)有±6.5%的最大誤差，準(zhǔn)確度不高。

在雙量程差壓流量計中，根據(jù)需要配有兩臺差壓變送器。在流量量程高段，高量程差壓變送器輸出有效；在量程低段，低量程差壓變送器輸出有效，從而提高了量程低段的測量精度，擴(kuò)大了量程比[1-2]。這一方法不僅在理論上得到了論證[3]，而且通過了在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行的實流檢定[8]。

例如：在用雙量程差壓流量計測量蒸汽流量時，取高量程差壓變送器為0～100 kPa，取低量程差壓變送器為0～3 kPa，量程低段差壓測量精度提高了33倍，滿足系統(tǒng)精度的需要。

雙量程差壓流量計的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2(a)中所標(biāo)注的設(shè)備如下：①差壓變送器；②三閥組；③支架；④差壓裝置和管；⑤引壓管；⑥承插焊閘閥；⑦冷凝罐。

圖2 典型結(jié)構(gòu)圖

信號連接圖如圖3所示。

圖3 信號連接圖

2 數(shù)字量傳送信號的方法研究

在流量測量系統(tǒng)中，人們習(xí)慣用4～20 mA信號進(jìn)行傳送，這個信號制已經(jīng)使用了幾十年。因為流量演算器和DCS的模擬信號輸入通道大約有0.05%FS的精度，一般認(rèn)為已經(jīng)足夠。

自從現(xiàn)場總線變送器面世后，人們認(rèn)為以數(shù)字量傳送這些信號更準(zhǔn)確，還可節(jié)省大量電纜及工程費用。這也體現(xiàn)了從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的飛躍。在智能差壓變送器等現(xiàn)場變送器中，信號的處理和顯示都以數(shù)字量運(yùn)算的方式進(jìn)行，運(yùn)算精度極高，但是為了最終輸出，必須將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成4～20 mA，即D/A轉(zhuǎn)換。此信號送到流量演算器或DCS的AI通道后，又必須再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能進(jìn)行進(jìn)一步計算、處理，這一環(huán)節(jié)即A/D轉(zhuǎn)換。這兩次轉(zhuǎn)換大約要損失0.1%FS的精度。在相對流量比較大的時候，這0.1%FS的損失算不了什么；但在相對流量較小時，這0.1%FS的影響就非常大了。

例如在20%FS流量測量點，0.1%的引用誤差換算到示值誤差就變成2.5%，相應(yīng)的差壓測量不確定度為1.67%[6-7]，對差壓式流量計的流量示值影響約為0.83%。如果相對流量更加小，則影響更可觀。采用數(shù)字通信的方法傳遞這些信號后，流量演算器轉(zhuǎn)換為無差運(yùn)算。

3 基于HART總線流量測量系統(tǒng)的組成

基于HART總線的流量測量系統(tǒng)由智能差壓變送器(一臺或多臺)、智能壓力變送器、智能流量演算器、智能溫度變送器(或溫度傳感器)等組成[9-11]，其系統(tǒng)如圖4所示。溫度信號可選智能溫度變送器掛在HART總線上。為了節(jié)省投資，也可采用Pt100信號直接送入流量演算器。智能流量演算器中的24 VDC電源經(jīng)隔離電阻為每個智能變送器供電，每臺變送器消耗4 mA電流。流量演算器采用輪詢的方式依次讀取變送器中的數(shù)字輸出信號，并運(yùn)算處理。采集得到的數(shù)據(jù)和中間計算結(jié)果在原始數(shù)據(jù)畫面中顯示。

圖4 流量測量系統(tǒng)組成圖

圖4中，差壓變送器和壓力變送器就是普通的智能差壓變送器和壓力變送器。所不同的是，在投運(yùn)前用手持終端將變送器中的通信站號從0修改為1～15，一臺上位機(jī)所掛的設(shè)備地址不能重復(fù)(一般是從1開始的連續(xù)自然數(shù))，使上位機(jī)能與多個智能變送器進(jìn)行HART通信。在流量演算器中，設(shè)置從低量程到中量程的差壓切換點，以及從中量程到高量程(如果有)的差壓切換點。信號投運(yùn)后，系統(tǒng)就能用數(shù)字通信的方法傳送數(shù)字信號，并進(jìn)行無差演算。

4 單量程儀表的適用性

以上討論都是針對雙量程差壓流量計展開的。當(dāng)相對流量越小，這一方法的優(yōu)越性就越顯著。

這一方法同樣適用于單量程差壓流量計。在流量滿度為30%的測量點，差壓測量誤差約可減小1.1%MV，流量測量誤差約可減小0.55%。

5 結(jié)束語

在雙量程差壓式流量計中，通過引入一臺低量程差壓變送器，可大幅度提高量程低段的差壓測量精度，進(jìn)而提高量程低段的流量測量精度，擴(kuò)大量程比。

將智能差壓變送器的輸出信號用4～20 mA信號傳送到流量演算器或DCS，由于在變送器中經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，在流量演算器中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，總共要損

失0.1%FS的精度，這對流量量程低段的影響特別大[12-13]。改用數(shù)字量傳送后，流量演算器實現(xiàn)0級運(yùn)算，從而提高了全量程(尤其流量量程低段)的精度，擴(kuò)大了量程比的范圍。

采用HART總線的方法傳送信號后，現(xiàn)場變送器可以掛在總線上，用一路電纜代替了幾路電纜，顯著節(jié)省了電纜支出(在防爆場所還有安全柵支出)和工程開支。

通過4～20 mA信號傳送變送器到流量演算器的信號時，信號值的變化可以無限小，因此容易受到外界干擾，穩(wěn)定性較差、零點易漂移。而通過數(shù)字信號傳送時，信號的有效值只有0和1，電平較高，抗干擾能力強(qiáng)；同時，信號電流恒定在4 mA，儀表功耗顯著降低。

采用HART總線的方法傳送差壓、壓力信號，組成的雙量程(和單量程)差壓流量計，已經(jīng)獲得廣泛使用，既準(zhǔn)確、可靠又經(jīng)濟(jì)、實惠。

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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

張寶良(1972—)，男，1992年畢業(yè)于中國計量學(xué)院力學(xué)計量測試專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師；主要從事流體計量方向的研究。

TH814;TP336

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608023

修改稿收到日期：2016-06-02。