差压补偿液位测量的不确定度评定方法研究.pdf

'第37卷第7期2016年7月仪器仪表学报ChineseJournalofScientificInstrumentV01．37No．7Jul．2016差压补偿液位测量的不确定度评定方法研究术崔明涛，田芳，李玉全，石美，王嘉鹏(国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司北京102209)摘要：对使用差压仪表进行补偿液位测量的不确定度评估方法进行了研究；建立了补偿差压液位测量的模型，分析了测量和补偿计算中的主要误差源，通过合理和保守的简化，提出了补偿后液位测量的不确定度评估方法，并对难度较大的导压管密度和工质密度引入的不确定度评估进行了深入的研究；最后，以第3代先进压水堆核电站CAPl400的大比例非能动堆芯冷却系统试验台架ACME的稳压器液位测量为例进行了应用。此不确定度评估方法可结合实际工况在各类差压补偿液位测量中广泛的推广使用。关键词：差压液位；补偿；不确定度中图分类号：TB938．1TH812+．2文献标识码：A国家标准学科分类代码：460．50ResearchonuncertaintyevaluationofthecompensateddifferentialpressurelevelmeasurementCuiMingtao，TianFang，LiYuquan，ShiYan，WangJiapeng(StateNuclearPowerTechnologyR&DCenter，Belling102209，China)Abstract：Themethodforevaluatingthecompensateddifferentialpressurelevelmeasurementispresented．Ameasurementmodelisestablished，andmajoruncertaintycomponentsarerecognized．Withreasonableandconservativesimplification，anevaluationmethodofcompensatedlevelmeasurementforthedifferentialpressuretransmitterisproposed．Furthermore，anin—depthstudyofuncertaintyevaluationofdensityofconnectingpipeandworkingmediumispresented．Finally，themethodisappliedonuncertaintyevaluationofPressurizerlevelmeasurementofACMEfacility，whichisalarge—scalepassivecorecoolingexperimentalequipmentofthethirdgenerationadvancedpressurizedwaterreactornuclearpowerplantCAPl400．Thisevaluationmethodcanbeextendedtovariousdifferentialpressurelevelmeasurementfieldswithalittlemodification．Keywords：differentialpressurelevel；compensation；measurementuncertainty1引言在现代工业和科学研究中，高温高压容器有着广泛的应用。在工业生产中，高温高压容器多工作在水和水蒸气共同存在的饱和状态，温度压力也较为稳定。如压水堆核电站中使用的稳压器、蒸汽发生器，火力发电中的锅炉汽包等。而在科学研究中，为了得到更深入的研究数据，高温高压容器的工况跨度有时会很大，如在对CAPl400新型核电站的非能动系统安全性能进行验证的先进堆芯冷却机理试验(advancedcore—coolingmechanism收稿日期：2016-04ReceivedDate：2016-04m基金项目：国家重大专项项目资金(2015ZX06002007—001)项目资助expreiment，ACME)中，试验系统的工况就涵盖了由近300℃、10MPa到常温常压的整个过程。对高温高压容器液位进行精确的测量对生产和科研有着重要的意义，一方面保证工业生产设备的安全性，并能有效提高生产效率；另一方面，能够给科学研究提供大量测量数据，便于对研究模型的进一步分析。差压变送器因为其高可靠性、免维护性和高精度，在容器液位测量中得到广泛的应用。差压变送器通过测量承压容器顶部和底部的差压，经过密度补偿后计算实际液位值。文献[1-7]对差压液位测量方式、补偿计算和测量误差进行了分析，但这些文 第7期崔明涛等：差压补偿液位测量的不确定度评定方法研究1525献并未对补偿计算所引入的误差及液位测量的综合不确定度进行分析。而有关液位测量的文献[8一l1]，主要是对液位校准不确定度进行评估。目前还未有对补偿差压液位测量的总体不确定度进行评定的文献。测量不确定度是对测量系统测量精度进行国际认可的一致性评定的重要指标，主要参考国际标准《GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement)>(GUM㈦)及国家计量技术规范¨3I。在工业生产中，对关键液位进行测量不确定度分析可以帮助分析液位测量误差源，提高系统测量能力，而在科学研究中，指出受国际认可的试验数据测量指标显然是必不可少的。为此，对差压补偿液位测量的不确定度评定的方法进行了研究，建立了精确的液位测量模型，评估了液位测量的主要不确定度来源，并根据实际应用特点，对模型进行了一定的简化，最后以ACME试验稳压器为例，进行了具体的计算，给出了保守的液位不确定度评定结果。2差压补偿液位测量模型信号的转换关系为：卯。sml。，=p。。。。Ill。，g日。。。ill。，(2)式中：卯。。。m。，为变送器差压信号；p。。。。m。，为变送器中默认的水密度，为1000kg／m3；g为重力加速度，9．8m／s2。因此，密度补偿的基本公式为：卯～响。，=皿一。。。护。。响。g=(Hd。。一r)p。。。。。，g(3)在正常测量时，差压变送器两端的差压为：卯。硼。mm。，=PH神一Ph，=p。,eamg(￡一H陀d)+P。。时gH陀d—p。ldgL(4)式中：PHish为压力变送器高压侧压力，Pk。为低压侧压力，p。。～为所测系统中蒸汽密度，P。。，为所测系统中液体密度，p洲为容器外部引压管的冷水密度。密度补偿后的实际液位应为：％=堕气杀笋㈥式中：日州为密度补偿后的实际液位。差压补偿液位测量的典型模型如图1所示。3补偿计算参数的选择与简化译瓜液忙÷f降I1蔗压液f髓i则f}；示意冈Fig．1DifferentialPressureLevelMeasurement容器压力经引压管引出后分别进入差压变送器高低压端。变送器参考侧连接低压侧，测量侧连接高压侧，其量程设定为一L～0mm。液位变送器信号经DCS4～20mA模块输入后转换输出进行补偿计算，量程设定为0～Lmm，因此有：甄一枷。，+L=Hd。。(1)式中：日～舶。为液位变送器输出值，矾。。为液位经DCS转换后的输出值，￡为液位量程。在变送器设定中，液位变送器输出液位信号与压力式(5)含有多个参数，其中，除了p。。响。和￡为固定参数保持不变外，其他为变化参数，会随着系统和环境条件的更改而产生变化。在工业生产和科学研究中，一个系统通常有很多仪控设备，需要占用大量的数采控制系统资源，为了减少系统资源占用情况，提高性价比，往往对式(5)中的部分变化参数进行简化。3．1引压管水密度p州引压管水密度与环境温度以及引压管中水温有关。高温高压工况下，引压管中会形成一定的热分层现象，但由于引压管中的水并不流动，引压管中介质温度会比较稳定。为了有效节约数采控制系统资源和建设成本，引压管中一般不设置温度仪表，一般工业上会把引压管水柱温度设定为50℃，特殊情况可使用红外测温仪对水柱温度进行测量，据此估算密度平均值，并设定为固定值。3．2水密度p～，和蒸汽密度p。～高温高压承压容器中水和水蒸汽一般处于或近似于饱和状态，此时，p。。，和p。⋯是温度的单值函数，可以通过多种方式进行拟合，较常见的方式是在工况范围内建立饱和温度和密度的线性函数关系或多项式函数关系，即P。。=‘一(t)和p。。=‘～(t)。这里的温度一般取容器中的多个温度仪表的平均值计算获得。4差压液位不确定度评定补偿差压液位不确定度来源主要有6个方面，除了 1526仪器仪表学报第37卷在公式中进行计算的矾。L,p。。小P。。，、p。⋯等变量分别引入了一定的不确定度，还有一项为测量侧的水密度误差，其引压管中的水会存在一定的热分层现象，对最终结果也有一定影响，此项不确定度在P训。中进行讨论。根据GUM综合不确定度公式，可以得到：^kd=八茹I，戈2，石3，戈4，戈5)=八风。，L,p。。ld"p。，，p。。一)(6)式中：Ⅳ抵、L．p。。。。没有明显的相关关系，视为独立变量，P。盯、p。。一般根据同一平均温度计算出密度值，因此有互相关关系，补偿液位的不确定度计算公式为：u(H蚓)=√砉[簧】2u2(铂+主i=1砉丢篙M(铂≈)={[南]2u2(Hdcs)+(气等p叭(iL⋯∥)2u2鼬小[旦塑竺型坐』三坐{；三：}竺{差：：}掣2U2cp。。，+[巳塑竺堕坐』j舌：三三{号主笋]2u2cp。。一，+2鳖生等业坠等血型．№丛竽旦鼍乒型．“(Pwater,Pste。)1／2-[。z(Hdcs)12,2(Hacs)+LP。ale，一P。t—JLpwal。，一psIe。，JC2(L)u2(L)+c2(D。．)U2(D．．1+C2fD．)2fo．)+C2fD．)2fD．1+2cfo．1c(D．)“(D．．o．)]1／2f7)式中：icj，c称为灵敏度系数，每个主要不确定度分量均有一个对应的灵敏度系数。从式(6)可以看到，由于Hd。。、P。。，、Ps,e。在不同情况下取值不同，补偿液位值的不确定度u(月l。。)在每一个测量工况下取值不同。液位不确定度评定的目标是衡量在某一工况范围内，补偿液位测量的总体不确定性，因此，可以根据实际的工作环境简化评定过程。如果属于较稳定的工作工况(例如工业生产环境)，工况变化范围小，可以在工作工况上选取几个不确定性最大的典型测量点进行评定，并取其中最大的不确定度作为这一工况范围的测量不确定度；如果工况范围变动较大(如试验环境)，为了得到保守的不确定度评估结果，可以假设各灵敏度系数和各参数的取值是独立的，通过分析得到工况范围内每一参数的最大可能值，以此计算综合不确定度。4．1变送器差压测量值的不确定度及灵敏系数评定变送器差压测量值的不确定度主要包括仪表精度误差、数采通道误差、仪表安装误差、环境温度影响、静压影响。仪表精度、数采通道、静压影响误差根据说明书获得。仪表安装过程中由于不完全水平产生的安装误差如在满水位零位检查时得到矫正，则可忽略不计，否则根据实际情况进行评估。仪表所在环境温度可使用温度仪表进行测量，根据说明书计算其不确定度。以上的不确定度分量相互独立，变送器总的不确定度为各分量均方根之和。变送器不确定分量的灵敏系数C(矾。。)可以根据实际情况选取典型工况点进行计算，或计算工况范围内的最大取值。以下几个分量的灵敏系数评定方法类似，不再赘述。4．2量程的不确定度评定液位计量程一般可通过卷尺测量或图纸计算得到，其精度根据实际情况进行评估。4．3导压管水柱密度的不确定度评定导压管水柱密度一般设定为固定值，其不确定度主要有4方面影响。1)导压管中形成热分层现象使水柱密度在不同高度处不同，与设定的固定水柱密度会有一定偏差，代入的不确定度为M。(P训。)；2)长期运行情况下环境温度变化，会与估计固定值产生偏差，代入不确定度“：(P。剁)；3)如系统工况变化较大，水柱密度在工况变化时会产生相应的变化，与估计值产生偏差，代入不确定度地(P洲)；4)在上述不确定度中可能使用红外测温仪，其引入的不确定度为／2,。(P蒯。)。最后，将测量侧热分层现象引入的u，(P一。)在此节一并考虑。文献[14]对17MPa下的火电厂锅炉汽包差压液位的导压管中水柱温度进行了精确的测量，在导压管500mm的长度内，水柱温度由最高3000C迅速下降为35℃，并且这一下降过程是非线性的，500Film以下水柱的温度基本不再变化。实测结果表明，虽然导压管中水柱会存在热分层现象，但这种现象只存在于冷凝罐下的短距离内，超过一定距离后，引压管水柱的温度就基本不再变化。对于u。(P。圳)，虽然对热分层段的引压管密度不能精确进行计算，但是可以进行粗略的估计。假设液位计有效量程为L，热分层段为L。。导压管密度的上限可认为￡。段均处于测得的最热状态的情况下，密度为P。i吐，下段处于测得的最低温度状态下，密度为Ph，下限可认为为整个三段均处于最低温度Ph的情况下，则实际的平均密度Pcold介于这两种情况中间，有：!：!——!!．』!!!g!—．!：—!—；：—：：—!业