流量計小信號切除點(diǎn)選定與優(yōu)化
zui流量計小信號切除是為了克服各種原因引起的小信號所導致的不良后果。各種不同原理的流量計，產(chǎn)生小信號現象的機理也不同。同一種原理的流量計，由于其度、儀表品質(zhì)、被測介質(zhì)、現場(chǎng)環(huán)境以及安裝情況的差異，所以零點(diǎn)不確定性也有很大差異。調試人員應根據具體要求和具體條件合理設定小信號切除點(diǎn)。
1、差壓流呈計的小信號切除
差壓式流量計是投入工業(yè)應用的多種流量計中，應用廣泛、歷史zui悠久的一種流量計之一，也是人們應用小信號切除技術(shù)早的一種流量計。
在早期的差壓式流量計中，人們用U形管差壓計顯示節流裝置送出的差壓信號并換算到瞬時(shí)流量，用浮子式差壓計、環(huán)秤式差壓計顯示瞬時(shí)流量并進(jìn)行積算，由于技術(shù)條件的限制，無(wú)法應用小信號切除技術(shù)，只能用經(jīng)常查對零點(diǎn)并在發(fā)現零點(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)入差壓式流量計后，模擬量運算電路和邏輯運算技術(shù)得到迅速發(fā)展，才使小信號切除有了技術(shù)基礎。在使用老式差壓流量計來(lái)顯示瞬時(shí)流量和進(jìn)行積算時(shí)，使用者對流量計的零點(diǎn)漂移總是不滿(mǎn)意，差壓計很小的零漂就會(huì )導致實(shí)際流量為零時(shí)，出現較大的流量示值，以致以較快的速率積算或指示負值，使得儀表設計、制造和維修人員承受很大的壓力。自從儀表中成功應用了小信號切除方法后，儀表維修人員卸下了一個(gè)包袱，因為它可以掩蓋零漂的矛盾。
小信號切除方法在差壓式流量計中尤其重要，是由差壓式流量計的輸入輸出關(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，0-1；qmax為流量測量上限，kg/h或Nm3/s等。與公式相對應的關(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(xiàn)的斜率dp/dA△P卻近似無(wú)窮大，這就決定了流量零點(diǎn)示值的不穩定性。早期的差壓計為1.5級度，即在一段時(shí)間內，差壓示值零點(diǎn)漂移±1.5%也算正常，這樣的漂移所對應的流量值即為12.2%。為了自圓其說(shuō)，儀表制造廠(chǎng)就規定流量示值在30%以下不計差，這就是老的儀表工程師所說(shuō)的差壓式流量計量程比為3:1的由來(lái)。
當電動(dòng)單元組合儀表發(fā)展到DDZ-Ⅱ系列后，差壓變送器度等級提高到0.5級，儀表制造廠(chǎng)推薦將小信號切除點(diǎn)調整到差壓上限的1%，對應的流量值為10%FS。
當差壓變送器度進(jìn)一步提高到0.2級時(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零漂的一個(gè)方面。差壓流量計是一個(gè)系統，除了差壓變送器零漂之外還有差壓信號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(chǎng)都將差壓切除點(diǎn)減小為0.75%，對應的流量值為8.7%。儀表制造技術(shù)還在不斷改進(jìn)，現在的差壓變送器已經(jīng)提高到0.075級，差壓信號傳遞也有了改進(jìn)。由于采用一體化結構，差壓信號傳遞失真忽略不計，所以對于由中低差壓變送器組成的一體化節流式流量計，小信號切除值降到2%qmax，系統仍能很好地工作，不會(huì )出現小信號現象。
人們熱衷于將小信號切除點(diǎn)一降再降是因為小信號切除既有得又有失。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現象；失去的是當實(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(mǎn)，因此，儀表制造廠(chǎng)和系統調試人員，在確保不出現小信號的前提下，總是盡量降低小信號切除點(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，所以隨著(zhù)差壓變送器度、穩定性的提高，隨著(zhù)儀表結構的改進(jìn)，小信號切除點(diǎn)也越來(lái)越小。
2、流量計小信號切除的意義與目的
流量計小信號切除的目的，總的來(lái)說(shuō)是掩蓋小信號的情況。但是，各種不同原理的流量計，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
電磁流量計零點(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、流體的電導率有明顯的變化；
c、受到外界干擾
d、電極送出的mV信號，在放大和轉換過(guò)程中出現零漂；
e、流量測量管上下游某一段管內未充滿(mǎn)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，但由于電磁流量計度已經(jīng)達到很高的水平，所以仍然能夠觀(guān)察到。
電磁流量計的小信號切除點(diǎn)，一般比差壓式流量計小得多，設置在1%FS處就能滿(mǎn)足要求。
②渦街流里計
渦街流量計號稱(chēng)不存在零點(diǎn)漂移，但是流量信號用4-20mA輸出時(shí)，由于模擬電路總有一定幅值的零漂，所以需要設置小信號切除，而當流量信號用脈沖形式輸出時(shí)，也必須設置小信號切除，這就耐人尋味了。從工作原理來(lái)說(shuō)，渦街流量計不存在零點(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值，相應的雷諾數脫離紊流區間(Re＜2300)，旋渦已經(jīng)不會(huì )產(chǎn)生。既然如此，在禍街流量計中為什么還要設置小信號切除呢？原因很簡(jiǎn)單，即在雷諾數很低時(shí)，雖然沒(méi)有旋渦產(chǎn)生，也沒(méi)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。由于渦街流量計的脈沖信號放大器是變增益放大器，輸入脈沖信號幅值越低，增益越大，所以，在無(wú)脈沖信號輸入時(shí)，增益大，這就為干擾信號的鉆入開(kāi)了方便之門(mén)。好在人們還有小信號切除這個(gè)手段。
由于渦街流量計的探頭輸出的脈沖信號，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(chǎng)承諾的Re≥2300而保證正常測量的流速區間，探頭輸出的信號幅值較大，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(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)保證正常測量，又能做到在流速低于承諾的可測小流量對應值時(shí)，穩定地指示零。
③超聲流量計
時(shí)差法超聲流量計是現在應用較廣泛的一種超聲流量計，它是基于超聲順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間差的測定，不僅能測量正向流流量，也能測量反向流流量。當流速為零時(shí)，順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間應相等，但是由于換能器不*對稱(chēng)和性能的時(shí)漂、溫漂，也會(huì )出現流量示值的零漂，因此，流量轉換器中也設置有小信號切除，但小信號切除點(diǎn)設置到1%FS已足夠。
④渦輪流量計
渦輪流量計是基于流過(guò)渦輪流量傳感器時(shí)，流體對渦輪葉片產(chǎn)生推力，從而導致渦輪旋轉。當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，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，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的小信號切除。
3、流量計小信號切除的實(shí)現方法與選用
自從流量測量?jì)x采用了CPU，小信號切除采用軟件的方法來(lái)實(shí)現，不僅切除點(diǎn)準確可靠，而且操作使用方便。只要在對話(huà)框或菜單中，選定切除模式和切除點(diǎn)數值，儀表運行后，就能準確無(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(xiàn)。其中圖2a為開(kāi)平方關(guān)系切換到零，切除點(diǎn)既可以選用制造廠(chǎng)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(xiàn)
這種切換模式的優(yōu)點(diǎn)是流量信號低于設定值后，變送器能穩定地輸出零信號(4mA或數字信號)，但是，在實(shí)際流量確實(shí)為零(例如切斷閥已關(guān)閉并確認無(wú)泄漏)時(shí)，零點(diǎn)漂移值究竟是多少，卻*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(guān)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一般都要送后級儀表如流量積算儀或DCS、PLC，在后級儀表中只需將切除點(diǎn)設置在輸入信號的0.75%FS已足夠。
②利用折線(xiàn)法實(shí)現小信號切除
有些老式流量轉換器、變送器，由于出廠(chǎng)年份較早，沒(méi)有設計小信號切除功能，還有些流量轉換器、變送器雖有小信號切除功能，但開(kāi)放這一功能和對其設定值進(jìn)行調試需要軟件或手持終端，這時(shí)，就可用流量積算儀或DCS等后級儀表中的折線(xiàn)表完成小信號切除任務(wù)。不管是模擬輸入信號還是頻率輸入信號，切除原理是相同的。圖3所示是利用9段折線(xiàn)法實(shí)現小信號切除的圖解示意圖。
圖3 9段折線(xiàn)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；Y1-Y10為X1-X10各點(diǎn)相對應的輸出值。其中X1為輸入信號零點(diǎn)；X2-X3為切除轉換點(diǎn)；只要將X3-X10各點(diǎn)對應的放大系數設置為1，而將X1和X2點(diǎn)所對應的放大系數設置為接近0的足夠小的數值(如果Y1=Y2=0不允許)，儀表運行后就可實(shí)現小信號切除。
4、流量計小信號切除點(diǎn)選定的*化
儀表制造廠(chǎng)提供的小信號切除點(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，流量小信號切除有*化的概念。
前面說(shuō)到，流量小信號切除是一種為了解決流量計零點(diǎn)漂移的掩蓋矛盾的方法，并不是采用了小信號切除后儀表的零漂就不存在了，而是零漂依舊，只是不讓觀(guān)察者看到而已，因此，就需要而言，如果不設置小信號切除能夠達到要求，不要切除。
但是模擬器件的溫漂、時(shí)漂對流量計零點(diǎn)的影響往往是雙向的，差壓信號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，小信號切除又是必須的。
對于小信號要不要切除，切除值大與小之間如何取值，這就是*化的概念?？偟脑瓌t是在能達目的的前提下，將切除值盡量選得小一些。
前面說(shuō)到，對差壓式流量計來(lái)說(shuō)，如果被測介質(zhì)是干氣體，由于可忽略差壓信號的傳遞失真，同時(shí)，差壓上限又取得較高，差壓變送器的度也較高，可以將切除點(diǎn)設置得很小，甚至可暫不切除，待儀表投運后如果不出現小信號清況，就可一直用下去，如果出現小信號情況，則可根據漂移的幅值，適當放些余量，設定切除點(diǎn)。
零盧漂移嚴重的差壓式流量計，被測介質(zhì)往往是濕氣體和蒸汽，引壓管線(xiàn)又較長(cháng)，有的還帶伴熱保溫，差壓信號傳遞失真嚴重。差壓變送器度較低，有的還屬微差壓等級。這時(shí)候，切除點(diǎn)如果設置太低，解決不了問(wèn)題。
渦街流量計的小信號切除具有特殊的意義，有些品牌的產(chǎn)品，在儀表出廠(chǎng)前，已根據承諾的可測小流量預先設定好。在現場(chǎng)開(kāi)表投運時(shí)，可根據具體的使用要求和具體的現場(chǎng)環(huán)境合理調試。一般可分以下幾種情況：
①如果儀表用于過(guò)程控制，對可測小流量一般要求不高，可保持制造廠(chǎng)設置的切除點(diǎn)。
②如果儀表用于計量，一般要求可測小流量盡可能小，可根據現場(chǎng)振動(dòng)情況和干擾情況對切除點(diǎn)進(jìn)行合理調整，適當減小切除值。
③在現場(chǎng)調試中，小信號切除值的設定往往還要與其他可調參數如觸發(fā)電平調整、增益調整等相配合，才能達到滿(mǎn)意的效果。
④切除點(diǎn)調整后，應注意觀(guān)察儀表運行情況，如果出現小信號現象，可將切除點(diǎn)適當升高或作其他處理。即使切除點(diǎn)是制造商的設定值，也需注意觀(guān)察。
流量?jì)x表中的小信號切除，是流量測量中的特殊需要，它是為了克服各種原因引起的小信號所導致的不良后果。各種不同原理的流量計，產(chǎn)生小信號現象的機理也不同。同一種原理的流量計，由于其度的差異、儀表品質(zhì)的差異、被測介質(zhì)的差異、現場(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。調試人員應根據具體的要求和具體條件合理設定切除點(diǎn)。
流量計小信號切除*化沒(méi)有一個(gè)固定的公式，它只是在使用要求與可能達到的可測小流量之間尋找一個(gè)*點(diǎn)，通常由現場(chǎng)調試決定。