關(guān)于流量計(jì)中小信號(hào)切除的重要性，可從一個(gè)小故事說(shuō)起。昌暉儀表曾為某熱電廠做了一個(gè)小項(xiàng)目，目標(biāo)是解決小流量測(cè)量問(wèn)題。該廠通過(guò)一根大管道向一家大用戶供應(yīng)低壓過(guò)熱蒸汽，選用的是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，測(cè)量范圍為0-160t/h。運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，在用戶主要生產(chǎn)裝置運(yùn)行的時(shí)候，流量計(jì)能進(jìn)行正常測(cè)量；在主要生產(chǎn)裝置停車的時(shí)候，流量計(jì)指示零。按照熱電廠提供的調(diào)查資料，主要生產(chǎn)裝置停車時(shí)，相對(duì)流量雖然較小，但不會(huì)是零，僅僅燒飯、洗澡就應(yīng)當(dāng)有10t/h左右的流量。為此，委托昌暉儀表制造有限公司對(duì)原有儀表進(jìn)行改造。
現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)，原有流量計(jì)的小信號(hào)切除為固定點(diǎn)，切除點(diǎn)為滿量程的8.7%，對(duì)應(yīng)13.9t/h。也就是說(shuō)，當(dāng)實(shí)際流量≤13.9t/h時(shí)，儀表顯示零屬正常。但是，作為供汽方，蒙受的損失是巨大的。因?yàn)樵撚脩舻闹饕a(chǎn)裝置是新工藝、新流程，經(jīng)常開開停停。
在這個(gè)項(xiàng)目中，昌暉儀表采用了小信號(hào)切除點(diǎn)可任意設(shè)置的單晶硅差壓變送器和流量積算儀代替了原來(lái)的固定切除點(diǎn)儀表，并合理確定了小信號(hào)切除點(diǎn)，運(yùn)行結(jié)果、生活用蒸汽均能被如實(shí)地顯示出來(lái)，從而維持了公正，為供方挽回了損失。
1、差壓流呈計(jì)的小信號(hào)切除
差壓式流量計(jì)是投入工業(yè)應(yīng)用的多種流量計(jì)中，應(yīng)用最廣泛、歷史最悠久的一種流量計(jì)之一，也是人們應(yīng)用小信號(hào)切除技術(shù)最早的一種流量計(jì)。
在早期的差壓式流量計(jì)中，人們用U形管差壓計(jì)顯示節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)并換算到瞬時(shí)流量，用浮子式差壓計(jì)、環(huán)秤式差壓計(jì)顯示瞬時(shí)流量并進(jìn)行積算，由于技術(shù)條件的限制，無(wú)法應(yīng)用小信號(hào)切除技術(shù)，只能用經(jīng)常查對(duì)零點(diǎn)并在發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)漂移時(shí)予以校正的方法消除零漂的影響。
自從電子技術(shù)進(jìn)入差壓式流量計(jì)后，模擬量運(yùn)算電路和邏輯運(yùn)算技術(shù)得到迅速發(fā)展，才使小信號(hào)切除有了技術(shù)基礎(chǔ)。在使用老式差壓流量計(jì)來(lái)顯示瞬時(shí)流量和進(jìn)行積算時(shí)，使用者對(duì)流量計(jì)的零點(diǎn)漂移總是不滿意，差壓計(jì)很小的零漂就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際流量為零時(shí)，出現(xiàn)較大的流量示值，以致以較快的速率積算或指示負(fù)值，使得儀表設(shè)計(jì)、制造和維修人員承受很大的壓力。自從儀表中成功應(yīng)用了小信號(hào)切除方法后，儀表維修人員卸下了一個(gè)包袱，因?yàn)樗梢匝谏w零漂的矛盾。
小信號(hào)切除方法在差壓式流量計(jì)中尤其重要，是由差壓式流量計(jì)的輸入輸出關(guān)系式中的平方根特性決定的。在差壓式流量計(jì)中有如下式所示關(guān)系式：
公式中q為流量示值，單位與qmax一致；A△P為經(jīng)無(wú)量綱化處理的差壓信號(hào)，0-1；qmax為流量測(cè)量上限，kg/h或Nm3/s等。與公式相對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖1所示。
圖1 流量q與差壓A△P如的關(guān)系
從圖1可看出，在流量接近0的時(shí)候，曲線的斜率dp/dA△P卻近似無(wú)窮大，這就決定了流量零點(diǎn)示值的不穩(wěn)定性。早期的差壓計(jì)為1.5級(jí)精確度，即在一段時(shí)間內(nèi)，差壓示值零點(diǎn)漂移±1.5%也算正常，這樣的漂移所對(duì)應(yīng)的流量值即為12.2%。為了自圓其說(shuō)，儀表制造廠就規(guī)定流量示值在30%以下不計(jì)差，這就是老的儀表工程師所說(shuō)的差壓式流量計(jì)量程比為3:1的由來(lái)。
當(dāng)電動(dòng)單元組合儀表發(fā)展到DDZ-Ⅱ系列后，差壓變送器精確度等級(jí)提高到0.5級(jí)，儀表制造廠推薦將小信號(hào)切除點(diǎn)調(diào)整到差壓上限的1%，對(duì)應(yīng)的流量值為10%FS。
當(dāng)差壓變送器精確度進(jìn)一步提高到0.2級(jí)時(shí)，差壓變送器的零點(diǎn)漂移性能得到進(jìn)一步改善，但是差壓變送器的零漂僅僅是差壓式流量計(jì)零漂的一個(gè)方面。差壓流量計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)，除了差壓變送器零漂之外還有差壓信號(hào)的傳遞失真和流量積算儀等也都會(huì)引入零漂。綜合多方面的因素，世界上很多儀表制造廠都將差壓切除點(diǎn)減小為0.75%，對(duì)應(yīng)的流量值為8.7%。儀表制造技術(shù)還在不斷改進(jìn)，現(xiàn)在的差壓變送器已經(jīng)提高到0.075級(jí)，差壓信號(hào)傳遞也有了改進(jìn)。由于采用一體化結(jié)構(gòu)，差壓信號(hào)傳遞失真忽略不計(jì)，所以對(duì)于由中低差壓變送器組成的一體化節(jié)流式流量計(jì)，小信號(hào)切除值降到2%qmax，系統(tǒng)仍能很好地工作，不會(huì)出現(xiàn)小信號(hào)現(xiàn)象。
人們熱衷于將小信號(hào)切除點(diǎn)一降再降是因?yàn)樾⌒盘?hào)切除既有得又有失。得到的是掩蓋了各種原因引起的流量顯示值的零點(diǎn)漂移，從而消除煩人的小信號(hào)現(xiàn)象；失去的是當(dāng)實(shí)際流量低于切除點(diǎn)時(shí)，一概顯示零，從而引起使用者的不滿，因此，儀表制造廠和系統(tǒng)調(diào)試人員，在確保不出現(xiàn)小信號(hào)的前提下，總是盡量降低小信號(hào)切除點(diǎn)，而儀表制造技術(shù)的改進(jìn)，也為這一做法提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，所以隨著差壓變送器精確度、穩(wěn)定性的提高，隨著儀表結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，小信號(hào)切除點(diǎn)也越來(lái)越小。
2、流量計(jì)小信號(hào)切除的意義與目的
流量計(jì)小信號(hào)切除的目的，總的來(lái)說(shuō)是掩蓋小信號(hào)的情況。但是，各種不同原理的流量計(jì)，切除的意義和切除值的合理確定，也有很大差異。
①電磁流t計(jì)
電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因主要有下列幾點(diǎn)：
a、電極表面被粘附了一層絕緣物；
b、流體的電導(dǎo)率有明顯的變化；
c、受到外界干擾
d、電極送出的mV信號(hào)，在放大和轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)零漂；
e、流量測(cè)量管上下游某一段管內(nèi)未充滿液，而管道壓力又有波動(dòng)時(shí)，使得平均流量為零，而流經(jīng)電極的軸向流速卻有一定幅度的擺動(dòng)。這種擺動(dòng)幅值雖然很小，但由于電磁流量計(jì)精確度已經(jīng)達(dá)到很高的水平，所以仍然能夠觀察到。
電磁流量計(jì)的小信號(hào)切除點(diǎn)，一般比差壓式流量計(jì)小得多，設(shè)置在1%FS處就能滿足要求。
②渦街流里計(jì)
渦街流量計(jì)號(hào)稱不存在零點(diǎn)漂移，但是流量信號(hào)用4-20mA輸出時(shí)，由于模擬電路總有一定幅值的零漂，所以需要設(shè)置小信號(hào)切除，而當(dāng)流量信號(hào)用脈沖形式輸出時(shí)，也必須設(shè)置小信號(hào)切除，這就耐人尋味了。從工作原理來(lái)說(shuō)，渦街流量計(jì)不存在零點(diǎn)漂移，理由是在流速為零時(shí)，旋渦發(fā)生體裝置后不會(huì)有旋渦產(chǎn)生，因此也就無(wú)脈沖輸出。其實(shí)，用不到流速為零，只要流體的流速低到一定數(shù)值，相應(yīng)的雷諾數(shù)脫離紊流區(qū)間(Re＜2300)，旋渦已經(jīng)不會(huì)產(chǎn)生。既然如此，在禍街流量計(jì)中為什么還要設(shè)置小信號(hào)切除呢？原因很簡(jiǎn)單，即在雷諾數(shù)很低時(shí)，雖然沒有旋渦產(chǎn)生，也沒有因此而輸出的脈沖，但是干擾會(huì)趁虛而入，例如管道振動(dòng)產(chǎn)生的干擾或射頻干擾等。由于渦街流量計(jì)的脈沖信號(hào)放大器是變?cè)鲆娣糯笃?，輸入脈沖信號(hào)幅值越低，增益越大，所以，在無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，增益最大，這就為干擾信號(hào)的鉆入開了方便之門。好在人們還有小信號(hào)切除這個(gè)手段。
由于渦街流量計(jì)的探頭輸出的脈沖信號(hào)，其幅值與流過(guò)旋禍發(fā)生體的流體的流速平方成正比，在儀表制造廠承諾的Re≥2300而保證正常測(cè)量的流速區(qū)間，探頭輸出的信號(hào)幅值較大，因而信噪比也較大，干擾不易侵入，而在流速較低，干擾容易侵入時(shí)，則采用小信號(hào)(以頻率來(lái)表征)切除方法，從而使儀表既能做到在流速較高時(shí)保證正常測(cè)量，又能做到在流速低于承諾的可測(cè)最小流量對(duì)應(yīng)值時(shí)，穩(wěn)定地指示零。
③超聲流量計(jì)
時(shí)差法超聲流量計(jì)是現(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的一種超聲流量計(jì)，它是基于超聲順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間差的測(cè)定，不僅能測(cè)量正向流流量，也能測(cè)量反向流流量。當(dāng)流速為零時(shí)，順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間應(yīng)相等，但是由于換能器不完全對(duì)稱和性能的時(shí)漂、溫漂，也會(huì)出現(xiàn)流量示值的零漂，因此，流量轉(zhuǎn)換器中也設(shè)置有小信號(hào)切除，但小信號(hào)切除點(diǎn)設(shè)置到1%FS已足夠。
④渦輪流量計(jì)
渦輪流量計(jì)是基于流過(guò)渦輪流量傳感器時(shí)，流體對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生推力，從而導(dǎo)致渦輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流速為零和流速雖不為零但低于起動(dòng)靈敏度時(shí)，渦輪不會(huì)旋轉(zhuǎn)，因此，就原理來(lái)說(shuō)，也不存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題。但是，如果以4-20mA的形式輸出流量信號(hào)，則因模擬電路本身的特殊性，也會(huì)產(chǎn)生一定的零漂，因此也需引入不大于1%FS的小信號(hào)切除。
3、流量計(jì)小信號(hào)切除的實(shí)現(xiàn)方法與選用
自從流量測(cè)量?jī)x采用了CPU，小信號(hào)切除采用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅切除點(diǎn)準(zhǔn)確可靠，而且操作使用方便。只要在對(duì)話框或菜單中，選定切除模式和切除點(diǎn)數(shù)值，儀表運(yùn)行后，就能準(zhǔn)確無(wú)誤地完成切除操作。
①切除模式的選定
圖2所示為智能差壓變送器兩種典型切換模式下差壓與流量的關(guān)系曲線。其中圖2a為開平方關(guān)系切換到零，切除點(diǎn)既可以選用制造廠推薦值(8.7%qmax)，也可以自行選定。
圖2 兩種典型切換模式的流量差壓曲線
這種切換模式的優(yōu)點(diǎn)是流量信號(hào)低于設(shè)定值后，變送器能穩(wěn)定地輸出零信號(hào)(4mA或數(shù)字信號(hào))，但是，在實(shí)際流量確實(shí)為零(例如切斷閥已關(guān)閉并確認(rèn)無(wú)泄漏)時(shí)，零點(diǎn)漂移值究竟是多少，卻完全不知，如果選用圖2b的切換模式，則可從變送器的殘余輸出中觀察漂移量。殘余輸出盡管很小但畢竟不為零。由于差壓變送器輸出信號(hào)一般都要送后級(jí)儀表如流量積算儀或DCS、PLC，在后級(jí)儀表中只需將切除點(diǎn)設(shè)置在輸入信號(hào)的0.75%FS已足夠。
②利用折線法實(shí)現(xiàn)小信號(hào)切除
有些老式流量轉(zhuǎn)換器、變送器，由于出廠年份較早，沒有設(shè)計(jì)小信號(hào)切除功能，還有些流量轉(zhuǎn)換器、變送器雖有小信號(hào)切除功能，但開放這一功能和對(duì)其設(shè)定值進(jìn)行調(diào)試需要專用軟件或?qū)Ｓ檬殖纸K端，這時(shí)，就可用流量積算儀或DCS等后級(jí)儀表中的折線表完成小信號(hào)切除任務(wù)。不管是模擬輸入信號(hào)還是頻率輸入信號(hào)，切除原理是相同的。圖3所示是利用9段折線法實(shí)現(xiàn)小信號(hào)切除的圖解示意圖。
圖3 9段折線法圖解示意
從圖3中可看出，X1-X10為流量積算儀的輸入信號(hào)；Y1-Y10為X1-X10各點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的輸出值。其中X1為輸入信號(hào)零點(diǎn)；X2-X3為切除轉(zhuǎn)換點(diǎn)；只要將X3-X10各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的放大系數(shù)設(shè)置為1，而將X1和X2點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的放大系數(shù)設(shè)置為接近0的足夠小的數(shù)值(如果Y1=Y2=0不允許)，儀表運(yùn)行后就可實(shí)現(xiàn)小信號(hào)切除。
4、流量計(jì)小信號(hào)切除點(diǎn)選定的最優(yōu)化
儀表制造廠提供的小信號(hào)切除點(diǎn)一般有兩種。一種是固定切除點(diǎn)，另一種是自定切除點(diǎn)，其中固定切除點(diǎn)又有0%qmax切除點(diǎn)和8.7%qmax切除點(diǎn)。這里，0%qmax切除點(diǎn)其實(shí)就是不切除?？瓷先?，切除點(diǎn)的選定具有很大的自由度，其實(shí)不然，流量小信號(hào)切除有最優(yōu)化的概念。
前面說(shuō)到，流量小信號(hào)切除是一種為了解決流量計(jì)零點(diǎn)漂移的掩蓋矛盾的方法，并不是采用了小信號(hào)切除后儀表的零漂就不存在了，而是零漂依舊，只是不讓觀察者看到而已，因此，就需要而言，如果不設(shè)置小信號(hào)切除能夠達(dá)到要求，最好不要切除。
但是模擬器件的溫漂、時(shí)漂對(duì)流量計(jì)零點(diǎn)的影響往往是雙向的，差壓信號(hào)的傳遞失真以及振動(dòng)等干擾的侵入均屬不確定因素，所以，小信號(hào)切除又是必須的。
對(duì)于小信號(hào)要不要切除，切除值大與小之間如何取值，這就是最優(yōu)化的概念?？偟脑瓌t是在能達(dá)目的的前提下，將切除值盡量選得小一些。
前面說(shuō)到，對(duì)差壓式流量計(jì)來(lái)說(shuō)，如果被測(cè)介質(zhì)是干氣體，由于可忽略差壓信號(hào)的傳遞失真，同時(shí)，差壓上限又取得較高，差壓變送器的精確度也較高，可以將切除點(diǎn)設(shè)置得很小，甚至可暫不切除，待儀表投運(yùn)后如果不出現(xiàn)小信號(hào)清況，就可一直用下去，如果出現(xiàn)小信號(hào)情況，則可根據(jù)漂移的幅值，適當(dāng)放些余量，設(shè)定切除點(diǎn)。
零盧漂移嚴(yán)重的差壓式流量計(jì)，被測(cè)介質(zhì)往往是濕氣體和蒸汽，引壓管線又較長(zhǎng)，有的還帶伴熱保溫，差壓信號(hào)傳遞失真嚴(yán)重。差壓變送器精確度較低，有的還屬微差壓等級(jí)。這時(shí)候，切除點(diǎn)如果設(shè)置太低，解決不了問(wèn)題。
渦街流量計(jì)的小信號(hào)切除具有特殊的意義，有些品牌的產(chǎn)品，在儀表出廠前，已根據(jù)承諾的可測(cè)最小流量預(yù)先設(shè)定好。在現(xiàn)場(chǎng)開表投運(yùn)時(shí)，可根據(jù)具體的使用要求和具體的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境合理調(diào)試。一般可分以下幾種情況：
①如果儀表用于過(guò)程控制，對(duì)可測(cè)最小流量一般要求不高，可保持制造廠設(shè)置的切除點(diǎn)。
②如果儀表用于計(jì)量，一般要求可測(cè)最小流量盡可能小，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)情況和干擾情況對(duì)切除點(diǎn)進(jìn)行合理調(diào)整，適當(dāng)減小切除值。
③在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中，小信號(hào)切除值的設(shè)定往往還要與其他可調(diào)參數(shù)如觸發(fā)電平調(diào)整、增益調(diào)整等相配合，才能達(dá)到滿意的效果。
④切除點(diǎn)調(diào)整后，應(yīng)注意觀察儀表運(yùn)行情況，如果出現(xiàn)小信號(hào)現(xiàn)象，可將切除點(diǎn)適當(dāng)升高或作其他處理。即使切除點(diǎn)是制造商的設(shè)定值，也需注意觀察。
流量?jī)x表中的小信號(hào)切除，是流量測(cè)量中的特殊需要，它是為了克服各種原因引起的小信號(hào)所導(dǎo)致的不良后果。各種不同原理的流量計(jì)，產(chǎn)生小信號(hào)現(xiàn)象的機(jī)理也不同。同一種原理的流量計(jì)，由于其精確度的差異、儀表品質(zhì)的差異、被測(cè)介質(zhì)的差異、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的差異以及安裝情況的差異，零點(diǎn)的不確定性電有很大差異。調(diào)試人員應(yīng)根據(jù)具體的要求和具體條件合理設(shè)定切除點(diǎn)。
流量計(jì)小信號(hào)切除最優(yōu)化沒有一個(gè)固定的公式，它只是在使用要求與可能達(dá)到的可測(cè)最小流量之間尋找一個(gè)最佳點(diǎn)，通常由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試決定。
作者：劉政利、紀(jì)綱
