關(guān)于流量計中小信號切除的重要性，可從一個小故事說起。昌暉儀表曾為某熱電廠做了一個小項目，目標(biāo)是解決小流量測量問題。該廠通過一根大管道向一家大用戶供應(yīng)低壓過熱蒸汽，選用的是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，測量范圍為0-160t/h。運行一段時間后發(fā)現(xiàn)，在用戶主要生產(chǎn)裝置運行的時候，流量計能進行正常測量；在主要生產(chǎn)裝置停車的時候，流量計指示零。按照熱電廠提供的調(diào)查資料，主要生產(chǎn)裝置停車時，相對流量雖然較小，但不會是零，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原有儀表進行改造。
現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)，原有流量計的小信號切除為固定點，切除點為滿量程的8.7%，對應(yīng)13.9t/h。也就是說，當(dāng)實際流量≤13.9t/h時，儀表顯示零屬正常。但是，作為供汽方，蒙受的損失是巨大的。因為該用戶的主要生產(chǎn)裝置是新工藝、新流程，經(jīng)常開開停停。
在這個項目中，昌暉儀表采用了小信號切除點可任意設(shè)置的單晶硅差壓變送器和流量積算儀代替了原來的固定切除點儀表，并合理確定了小信號切除點，運行結(jié)果、生活用蒸汽均能被如實地顯示出來，從而維持了公正，為供方挽回了損失。
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(yīng)用的多種流量計中，應(yīng)用最廣泛、歷史最悠久的一種流量計之一，也是人們應(yīng)用小信號切除技術(shù)最早的一種流量計。
在早期的差壓式流量計中，人們用U形管差壓計顯示節(jié)流裝置送出的差壓信號并換算到瞬時流量，用浮子式差壓計、環(huán)秤式差壓計顯示瞬時流量并進行積算，由于技術(shù)條件的限制，無法應(yīng)用小信號切除技術(shù)，只能用經(jīng)常查對零點并在發(fā)現(xiàn)零點漂移時予以校正的方法消除零漂的影響。
自從電子技術(shù)進入差壓式流量計后，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(chǔ)。在使用老式差壓流量計來顯示瞬時流量和進行積算時，使用者對流量計的零點漂移總是不滿意，差壓計很小的零漂就會導(dǎo)致實際流量為零時，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、制造和維修人員承受很大的壓力。自從儀表中成功應(yīng)用了小信號切除方法后，儀表維修人員卸下了一個包袱，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(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的時候，曲線的斜率dp/dA△P卻近似無窮大，這就決定了流量零點示值的不穩(wěn)定性。早期的差壓計為1.5級精確度，即在一段時間內(nèi)，差壓示值零點漂移±1.5%也算正常，這樣的漂移所對應(yīng)的流量值即為12.2%。為了自圓其說，儀表制造廠就規(guī)定流量示值在30%以下不計差，這就是老的儀表工程師所說的差壓式流量計量程比為3:1的由來。
當(dāng)電動單元組合儀表發(fā)展到DDZ-Ⅱ系列后，差壓變送器精確度等級提高到0.5級，儀表制造廠推薦將小信號切除點調(diào)整到差壓上限的1%，對應(yīng)的流量值為10%FS。
當(dāng)差壓變送器精確度進一步提高到0.2級時，差壓變送器的零點漂移性能得到進一步改善，但是差壓變送器的零漂僅僅是差壓式流量計零漂的一個方面。差壓流量計是一個系統(tǒng)，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減小為0.75%，對應(yīng)的流量值為8.7%。儀表制造技術(shù)還在不斷改進，現(xiàn)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。由于采用一體化結(jié)構(gòu)，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(jié)流式流量計，小信號切除值降到2%qmax，系統(tǒng)仍能很好地工作，不會出現(xiàn)小信號現(xiàn)象。
人們熱衷于將小信號切除點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漂移，從而消除煩人的小信號現(xiàn)象；失去的是當(dāng)實際流量低于切除點時，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)小信號的前提下，總是盡量降低小信號切除點，而儀表制造技術(shù)的改進，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，小信號切除點也越來越小。
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，總的來說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
電磁流量計零點漂移的原因主要有下列幾點：
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，在放大和轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)零漂；
e、流量測量管上下游某一段管內(nèi)未充滿液，而管道壓力又有波動時，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。這種擺動幅值雖然很小，但由于電磁流量計精確度已經(jīng)達到很高的水平，所以仍然能夠觀察到。
電磁流量計的小信號切除點，一般比差壓式流量計小得多，設(shè)置在1%FS處就能滿足要求。
②渦街流里計
渦街流量計號稱不存在零點漂移，但是流量信號用4-20mA輸出時，由于模擬電路總有一定幅值的零漂，所以需要設(shè)置小信號切除，而當(dāng)流量信號用脈沖形式輸出時，也必須設(shè)置小信號切除，這就耐人尋味了。從工作原理來說，渦街流量計不存在零點漂移，理由是在流速為零時，旋渦發(fā)生體裝置后不會有旋渦產(chǎn)生，因此也就無脈沖輸出。其實，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)不會產(chǎn)生。既然如此，在禍街流量計中為什么還要設(shè)置小信號切除呢？原因很簡單，即在雷諾數(shù)很低時，雖然沒有旋渦產(chǎn)生，也沒有因此而輸出的脈沖，但是干擾會趁虛而入，例如管道振動產(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，在無脈沖信號輸入時，增益最大，這就為干擾信號的鉆入開了方便之門。好在人們還有小信號切除這個手段。
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而保證正常測量的流速區(qū)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，則采用小信號(以頻率來表征)切除方法，從而使儀表既能做到在流速較高時保證正常測量，又能做到在流速低于承諾的可測最小流量對應(yīng)值時，穩(wěn)定地指示零。
③超聲流量計
時差法超聲流量計是現(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的一種超聲流量計，它是基于超聲順流傳播時間和逆流傳播時間差的測定，不僅能測量正向流流量，也能測量反向流流量。當(dāng)流速為零時，順流傳播時間和逆流傳播時間應(yīng)相等，但是由于換能器不完全對稱和性能的時漂、溫漂，也會出現(xiàn)流量示值的零漂，因此，流量轉(zhuǎn)換器中也設(shè)置有小信號切除，但小信號切除點設(shè)置到1%FS已足夠。
④渦輪流量計
渦輪流量計是基于流過渦輪流量傳感器時，流體對渦輪葉片產(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靈敏度時，渦輪不會旋轉(zhuǎn)，因此，就原理來說，也不存在零點漂移問題。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現(xiàn)方法與選用
自從流量測量儀采用了CPU，小信號切除采用軟件的方法來實現(xiàn)，不僅切除點準(zhǔn)確可靠，而且操作使用方便。只要在對話框或菜單中，選定切除模式和切除點數(shù)值，儀表運行后，就能準(zhǔn)確無誤地完成切除操作。
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)點是流量信號低于設(shè)定值后，變送器能穩(wěn)定地輸出零信號(4mA或數(shù)字信號)，但是，在實際流量確實為零(例如切斷閥已關(guān)閉并確認(rèn)無泄漏)時，零點漂移值究竟是多少，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設(shè)置在輸入信號的0.75%FS已足夠。
②利用折線法實現(xiàn)小信號切除
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)計小信號切除功能，還有些流量轉(zhuǎn)換器、變送器雖有小信號切除功能，但開放這一功能和對其設(shè)定值進行調(diào)試需要專用軟件或?qū)Ｓ檬殖纸K端，這時，就可用流量積算儀或DCS等后級儀表中的折線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段折線法實現(xiàn)小信號切除的圖解示意圖。
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；Y1-Y10為X1-X10各點相對應(yīng)的輸出值。其中X1為輸入信號零點；X2-X3為切除轉(zhuǎn)換點；只要將X3-X10各點對應(yīng)的放大系數(shù)設(shè)置為1，而將X1和X2點所對應(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)，儀表運行后就可實現(xiàn)小信號切除。
4、流量計小信號切除點選定的最優(yōu)化
儀表制造廠提供的小信號切除點一般有兩種。一種是固定切除點，另一種是自定切除點，其中固定切除點又有0%qmax切除點和8.7%qmax切除點。這里，0%qmax切除點其實就是不切除?？瓷先?，切除點的選定具有很大的自由度，其實不然，流量小信號切除有最優(yōu)化的概念。
前面說到，流量小信號切除是一種為了解決流量計零點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，只是不讓觀察者看到而已，因此，就需要而言，如果不設(shè)置小信號切除能夠達到要求，最好不要切除。
但是模擬器件的溫漂、時漂對流量計零點的影響往往是雙向的，差壓信號的傳遞失真以及振動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，這就是最優(yōu)化的概念。總的原則是在能達目的的前提下，將切除值盡量選得小一些。
前面說到，對差壓式流量計來說，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，差壓上限又取得較高，差壓變送器的精確度也較高，可以將切除點設(shè)置得很小，甚至可暫不切除，待儀表投運后如果不出現(xiàn)小信號清況，就可一直用下去，如果出現(xiàn)小信號情況，則可根據(jù)漂移的幅值，適當(dāng)放些余量，設(shè)定切除點。
零盧漂移嚴(yán)重的差壓式流量計，被測介質(zhì)往往是濕氣體和蒸汽，引壓管線又較長，有的還帶伴熱保溫，差壓信號傳遞失真嚴(yán)重。差壓變送器精確度較低，有的還屬微差壓等級。這時候，切除點如果設(shè)置太低，解決不了問題。
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，在儀表出廠前，已根據(jù)承諾的可測最小流量預(yù)先設(shè)定好。在現(xiàn)場開表投運時，可根據(jù)具體的使用要求和具體的現(xiàn)場環(huán)境合理調(diào)試。一般可分以下幾種情況：
①如果儀表用于過程控制，對可測最小流量一般要求不高，可保持制造廠設(shè)置的切除點。
②如果儀表用于計量，一般要求可測最小流量盡可能小，可根據(jù)現(xiàn)場振動情況和干擾情況對切除點進行合理調(diào)整，適當(dāng)減小切除值。
③在現(xiàn)場調(diào)試中，小信號切除值的設(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，才能達到滿意的效果。
④切除點調(diào)整后，應(yīng)注意觀察儀表運行情況，如果出現(xiàn)小信號現(xiàn)象，可將切除點適當(dāng)升高或作其他處理。即使切除點是制造商的設(shè)定值，也需注意觀察。
流量儀表中的小信號切除，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(dǎo)致的不良后果。各種不同原理的流量計，產(chǎn)生小信號現(xiàn)象的機理也不同。同一種原理的流量計，由于其精確度的差異、儀表品質(zhì)的差異、被測介質(zhì)的差異、現(xiàn)場環(huán)境的差異以及安裝情況的差異，零點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。
流量計小信號切除最優(yōu)化沒有一個固定的公式，它只是在使用要求與可能達到的可測最小流量之間尋找一個最佳點，通常由現(xiàn)場調(diào)試決定。
作者：劉政利、紀(jì)綱
