小信号切除.docx

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小信号切除

流量计小信号切除的最优化

流量仪表中的小信号切除是为了克服各种原因引起的小信号所导致的不良后果。

各种不同原理的流量计，产生小信号现象的机理也不同。

同一种原理的流量计，由于其精确度、仪表品质、被渊介质、现场环境以及安装情况的差异，所以零点不确定性也有很大差异。

调试人员应根据具体要求和具体条件合理设定切除点。

关于流量计中小信号切除的重要性，可从一个小故事说起。

作者几年前为上海的一家热电厂做了一个小项目，目标是解决小流量测量问题。

该厂通过一根大管道向一家大用户供应低压过热蒸汽，选用的是标准孔板流量计，测量范围为0

一160m3/h。

运行一段时间后发现，在用户主要生产装置运行的时候，流量计能进行正常测量；在主要生产装置停车的时候，流量计指示零。

按照热电厂提供的调查资料，主要生产装置停车时，相对流量虽然较小，但不会是零，仅仅烧饭、洗澡就应当有10m3/h左右的流量。

为此，委托仪表公司对原有仪表进行改造。

现场检查后发现，原有流量计的小信号切除为固定点，切除点为满量程的8.7%，对应13.9m3/h。

也就是说，当实际流量13.9m3/h时，仪表显示零属正常。

但是，作为供汽方，蒙受的损失是巨大的。

因为该用户的主要生产装置是新工艺、新流程，经常开开停停。

在这个项目中，作者采用了小信号切除点可任意设置的差压变送器和流量演算器代替了原来的固定切除点仪表，并合理确定了小信号切除点，运行结果、生活用蒸汽均能被如实地显示出来，从而维持了公正，为供方挽回了损失。

1差压流量计的小信号切除

差压式流量计是投人工业应用的多种流量计中，应用最广泛、历史最悠久的一种流量计之一，也是人们应用小信号切除技术最早的一种流量计。

在早期的差压式流量计中，人们用U形管差压计显示节流装置送出的差压信号并换算到瞬时流量，用浮子式差压计、环秤式差压计显示瞬时流量并进行积算，由于技术条件的限制，无法应用小信号切除技术，只能用经常查对零点并在发现零点漂移时予以校正的方法消除零漂的影响。

自从电子技术进人差压式流量计后，模拟量运算电路和逻辑运算技术得到迅速发展，才使小信号切除有了技术基础。

在使用老式差压流量计来显示瞬时流量和进行积算时，使用者对流量计的零点漂移总是不满意，差压计很小的零漂就会导致实际流量为零时，出现较大的流量示值，以致以较快的速率积算或指示负值，使得仪表设计、制造和维修人员承受很大的压力。

自从仪表中成功应用了小信号切除方法后，仪表维修人员卸下了一个包袱，因为它可以掩盖零漂的矛盾。

小信号切除方法在差压式流量计中尤其重要，是由差压式流量计的输入输出关系式中的平方根特性决定的。

在差压式流量计中有如下式

（1）所示关系式:

q=PA·qmax

（1）

式中:

q为流量示值，单位与q

max一致;?

P

A，为经无量纲化处理的差压信号,

0一1;qmax为流量测量上限,Kg/h或Nm/s等。

与式

（1）相对应的关系如图1所示。

图1流量q与差压?

P

A的关系

从图1可看出，在流量接近0的时候，曲线的斜率dq/d?

P

A却近似无穷大，这就决定了流量零点示值的不稳定性。

早期的差压计为1.5级精确度，即在一段

时间内，差压示值零点漂移士1.5%也算正常，这样的漂移所对应的流量值即为12.2%。

为了自圆其说，仪表制造厂就规定流量示值在30%以下不计差，这就是老的仪表工程师所说的差压式流量计量程比（范围度）为3:

1的由来。

当电动单元组合仪表发展到DDZ-Ⅱ系列后，差压变送器精确度等级提高到0.5级，仪表制造厂推荐将小信号切除点调整到差压上限的1%，对应的流量值为10%FS。

当差压变送器精确度进一步提高到0.2级时，差压变送器的零点漂移性能得到进一步改善，但是差压变送器的零漂仅仅是差压式流量计零漂的一个方面。

差压流量计是一个系统，除了差压变送器零漂之外还有差压信号的传递失真和流量演算器等也都会引人零漂。

综合多方面的因素，世界上很多仪表制造厂都将差压切除点减小为0.75%，对应的流量值为8.7%。

仪表制造技术还在不断改进，现在的差压变送器已经提高到0.075级，差压信号传递也有了改进。

由于采用一体化结构，差压信号传递失真忽略不计，所以对于由中低差压变送器组成的一体化

节流式流量计，小信号切除值降到2%q

max

，系统仍能很好地工作，不会出现小信号现象。

人们热衷于将小信号切除点一降再降是因为小信号切除既有得又有失。

得到的是掩盖了各种原因引起的流量显示值的零点漂移，从而消除烦人的小信号现象；失去的是当实际流量低于切除点时，一概显示零，从而引起使用者的不满，因此，仪表制造厂和系统调试人员，在确保不出现小信号的前提下，总是尽量降低小信号切除点，而仪表制造技术的改进，也为这一做法提供了物质基础，所以随着差压变送器精确度、稳定性的提高，随着仪表结构的改进，小信号切除点也越来越

小。

2流量小信号切除的意义与目的

流量仪表小信号切除的目的，总的来说是掩盖小信号的情况。

但是，各种不同原理的流量计，切除的意义和切除值的合理确定，也有很大差异。

2.1电磁流量计

电磁流量计零点漂移的原因主要有下列几点:

①电极表面被粘附了一层绝缘物;

②流体的电导率有明显的变化;

③受到外界干扰;

④电极送出的mV信号，在放大和转换过程中出现零漂;

⑤流量测量管上下游某一段管内未充满液，而管道压力又有波动时，使得平均流量为零，而流经电极的轴向流速却有一定幅度的摆动。

这种摆动幅值虽然很小，但由于电磁流量计精确度已经达到很高的水平，所以仍然能够观察到。

电磁流量计的小信号切除点，一般比差压式流量计小得多，设置在1%FS处就能满足要求。

2.2涡街流里计

涡街流量计号称不存在零点漂移，但是流量信号用4一20mA输出时，由于模拟电路总有一定幅值的零漂，所以需要设置小信号切除，而当流量信号用脉冲形式输出时，也必须设置小信号切除，这就耐人寻味了。

从工作原理来说，涡街流量计不存在零点漂移，理由是在流速为零时，旋涡发生体装置后不会有旋涡产生，因此也就无脉冲输出。

其实，用不到流速为零，只要流体的流速低到一定数值，相应的雷诺数脱离紊流区间（Re<2300），旋涡已经不会产生。

既然如此，在祸街流量计中为什么还要设置小信号切除呢?

原因很简单，即在雷诺数很低时，虽然没有旋涡产生，也没有因此而输出的脉冲，但是干扰会趁虚而入，例如管道振动产生的干扰或射频干扰等。

由于涡街流量计的脉冲信号放大器是变增益放大器，输入脉冲信号幅值越低，增益越大，所以，在无脉冲信号输入时，增益最大，这就为干扰信号的钻入开了方便之门。

好在人们还有小信号切除这个手段。

由于涡街流量计的探头输出的脉冲信号，其幅值与流过旋祸发生体的流体的流速平方成正比，在仪表制造厂承诺的Re≥20000而保证正常测量的流速区间，探头输出的信号幅值较大，因而信噪比也较大，干扰不易侵入，而在流速较低，干扰容易侵人时，则采用小信号（以频率来表征）切除方法，从而使仪表既能做到在流速较高时保证正常测量，又能做到在流速低于承诺的可测最小流量对应值时，稳定地指示零。

2.3超声流量计

时差法超声流量计是现在应用较广泛的一种超声流量计，它是基于超声顺流传播时间和逆流传播时间差的测定，不仅能测量正向流流量，也能测量反向流流量。

当流速为零时，顺流传播时间和逆流传播时间应相等，但是由于换能器不完全对称和性能的时漂、温漂，也会出现流量示值的零漂，因此，流量转换器中也设置有小信号切除，但切除点设置到1%FS飞已足够。

2.4涡轮流量计

涡轮流量计是基于流过涡轮流量传感器时，流体对涡轮叶片产生推力，从而导致涡轮旋转。

当流速为零和流速虽不为零但低于起动灵敏度时，祸轮不会旋转，因此，就原理来说，也不存在零点漂移问题。

但是，如果以4一20mA的形式

输出流量信号，则因模拟电路本身的特殊性，也会产生一定的零漂，因此也需引人不大于1%FS的小信号切除。

3流量小信号切除的实现方法与选用

3.1在非智能型仪表中的实现方法

在CPU进入流量测量仪表之前，小信号切除均采用硬件的方法实现，图2所示是DDZ一Ⅲ系列仪表开方积算仪中典型的小信号切除电路原理图。

它由比较电路和电子开关组成。

图中的vL由高稳定度电压源以及含有电阻器、电位器的分压电路组成，用来提供小信号切除的设定值。

自从流量测量仪采用了CPU，小信号切除采用软件的方法来实现，不仅切除点准确可靠，而且操作使用方便。

只要在对话框或菜单中，选定切除模式和切除点数值，仪表运行后，就能准确无误地完成切除操作。

3.2切除模式的选定

图3所示为智能差压变送器两种典型切换模式下差压与流量的关系曲线。

其

），也中图3a为开平方关系切换到零，切除点既可以选用制造厂推荐值（8.7%q

max

可以自行选定。

这种切换模式的优点是流量信号低于设定值后，变送器能稳定地输出零信号（4mA或数字信号），但是，在实际流量确实为零（例如切断阀已关闭并确认无泄漏）时，零点漂移值究竟是多少，却完全不知，如果选用图3b的切换模式，则可从变送器的残余输出中观察漂移量。

残余输出尽管很小但毕竟不为零。

由于差压变送器输出信号一般都要送后级仪表如流量演算器、积算仪或DCS、PLC，在后级仪表中只需将切除点设置在输入信号的075%FS已足够。

3a

3b

图3两种典型切换模式的流量差压曲线

3.3利用折线法实现小信号切除

有些老式流量转换器、变送器，由于出厂年份较早，没有设计小信号切除功能，还有些流量转换器、变送器虽有小信号切除功能，但开放这一功能和对其设定值进行调试需要专用软件或专用手持终端，这时，就可用后级仪表中的折线表完成小信号切除任务。

不管是模拟输入信号还是频率输入信号，切除原理是相同的。

图4所示是利用9段折线法实现小信号切除的图解示意图。

从图4中可看出,X1~X10为流量二次表的输入信号;Y1~Y10为X1~X10各点相对应的

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输出值。

其中X

1为输入信号零点;X

1~

X

3

为切除转换点；只要将X

3~

X

10

各点对应的放大

系数设置为1，而将X

1和X

2

点所对应的放大系数设置为接近0的足够小的数值（如

果Y

1=Y

2

=0不允许）.仪表运行后就可实现小信号切除。

4切除点选定的最优化

仪表制造厂提供的小信号切除点一般有两种。

一种是固定切除点，另一种是

自定切除点，其中固定切除点又有0%q

max切除点和8.7%q

max

切除点。

这里,0%q

max

切除点其实就是不切除。

看上去，切除点的选定具有很大的自由度，其实不然，流量小信号切除有最优化的概念。

前面说到，流量小信号切除是一种为了解决流量计零点漂移的掩盖矛盾的方法，并不是采用了小信号切除后仪表的零漂就不存在了，而是零漂依旧，只是不让观察者看到而已，因此，就需要而言，如果不设置小信号切除能够达到要求，最好不要切除。

但是模拟器件的温漂、时漂对流量计零点的影响往往是双向的，差压信号的传递失真以及振动等干扰的侵人均属不确定因素，所以，小信号切除又是必须的。

对于小信号要不要切除，切除值大与小之间如何取值，这就是最优化的概念。

总的原则是在能达目的的前提下，将切除值尽量选得小一些。

前面说到，对差压式流量计来说，如果被测介质是干气体，由于可忽略差压信号的传递失真，同时，差压上限又取得较高，差压变送器的精确度也较高，可以将切除点设置得很小，甚至可暂不切除，待仪表投运后如果不出现小信号情况，就可一直用下去，如果出现小信号情况，则可根据漂移的幅值，适当放些余量，设定切除点。

零点漂移严重的差压式流量计，被测介质往往是湿气体和蒸汽，引压管线又较长，有的还带伴热保温，差压信号传递失真严重。

差压变送器精确度较低，有的还属微差压等级。

这时候，切除点如果设置太低，解决不了问题。

涡街流量计的小信号切除具有特殊的意义，有些品牌的产品，在仪表出厂前，已根据承诺的可测最小流量预先设定好。

在现场开表投运时，可根据具体的使用要求和具体的现场环境合理调试。

一般可分以下几种情况:

①如果仪表用于过程控制，对可测最小流量一般要求不高，可保持制造厂设置的切除点。

②如果仪表用于计量，一般要求可测最小流量尽可能小，可根据现场振动情况和干扰情况对切除点进行合理调整，适当减小切除值。

③在现场调试中，小信号切除值的设定往往还要与其他可调参数如触发电平调整、增益调整等相配合，才能达到满意的效果。

④切除点调整后，应注意观察仪表运行情况，如果出现小信号现象，可将切除点适当升高或作其他处理。

即使切除点是制造商的设定值，也需注意观察。

5结束语

流量仪表中的小信号切除，是流量测量中的特殊需要，它是为了克服各种原因引起的小信号所导致的不良后果。

各种不同原理的流量计，产生小信号现象的机理也不同。

同一种原理的流量计，由于其精确度的差异、仪表品质的差异、被测介质的差异、现场环境的差异以及安装情况的差异，零点的不确定性电有很大差异。

调试人员应根据具体的要求和具体条件合理设定切除点。

流量小信号切除最优化没有一个固定的公式，它只是在使用要求与可能达到的可测最小流量之间寻找一个最佳点，通常由现场调试决定。

振荡的原因:

①调节阀的弹簧刚度不足，调节阀输出信号不稳定而急剧变动易引起调节阀振荡;②管道、基座剧烈振动，使调节阀随之振动;③选型不当，调节阀工作在小开度存在着急剧的流阻、流速、压力的变化，当超过阀刚度，稳定性变差，严重时产生振荡。

解决对策：

由于产生振荡的原因是多方面的，因此具体问题具体分析。

对振动轻微的振动，可增加刚度来消除。

①如选用大刚度弹簧，改用活塞执行结构;

②管道、基座剧烈震动通过增加支撑消除振动干扰;③工作在小开度造成的振荡，则是选型不当流通能力Kv值选大，必须重新选型流通能力Kv值较小的或采用分程控制来解决。

调节阀又称控制阀，是执行器的主要类型，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。

调节阀一般由执行机构和阀门组成。

如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质（如油等）压力为动力的电液动调节阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。

调节阀的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化。

一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其他执行机构匹配。

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