臥式金屬罐容量比較法標定及異常罐容曲線的分析與改進

萬　勇　潘云飛　楊　茹　劉雅杰　張　強　洪宇舟　李焯健　盧嘉敏

(廣州能源檢測研究院，廣州 510170)

0　引言

臥式金屬罐(以下簡稱臥式罐)是重要的油品存儲與貿(mào)易交接計量器具，廣泛應用于社會加油站中。現(xiàn)行JJG 266—1996《臥式金屬罐容積檢定規(guī)程》中規(guī)定了尺寸法標定，總不確定度為0.4％，準確度偏低，而且實際臥式罐罐體和封頭都有不同程度的變形，偏離了規(guī)則的形狀，檢定結(jié)果不確定度有時遠超過規(guī)程規(guī)定的0.4％，現(xiàn)已較少采用。目前采用較多的是容量比較法，它利用標準金屬量器，將標定介質(zhì)(一般為水)逐罐注入臥式罐內(nèi)，從而得出臥式罐液位高度與容量值一一對應的罐容表。它的標定結(jié)果不確定度不難做到0.2％，可以滿足實際需要。以下將分別討論容量比較法標定過程、數(shù)據(jù)處理方法及異常罐容曲線分析、補救與改進等問題。

1　容量比較法標定系統(tǒng)及操作過程

容量比較法標定系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1　容量比較法標定系統(tǒng)示意圖

臥式罐應提前清洗干凈、無積水，并經(jīng)測試無泄露。按圖1的方式進行連接，注意整個標定系統(tǒng)需進行防爆處理。先向標準金屬量器中加水至標稱刻度線，打開排液閥向罐內(nèi)注水，直到注水完成后關(guān)閉排液閥，待臥式罐內(nèi)的液面平穩(wěn)后，用量油尺量取液位值，完成單次操作。注意每次操作均需測量標準金屬量器及臥式罐內(nèi)水溫以便進行修正。重復此過程，直到臥式罐內(nèi)液位接近滿罐，完成整個標定工作。標準金屬量器根據(jù)實際情況可以選擇1000L、500L、200L、100L等規(guī)格。

2　數(shù)據(jù)處理方式

按上述操作方法會得到一組包含臥式罐液位高度值與注水累積值的對應數(shù)據(jù)列，見表1(以某標稱30m3的臥式罐為例)。

該表格已經(jīng)算是一份簡單的罐容表了，要得到以5mm為高度間隔的正式罐容表，就要利用已獲得的液位-容量數(shù)據(jù)進行差值運算，得到指定點的數(shù)據(jù)。差值函數(shù)一般采用線性差值、二次差值或三次差值，根據(jù)液位-容量曲線的曲率及已有數(shù)據(jù)密度選用。不建議采用更高階的差值函數(shù)，容易造成數(shù)據(jù)跳躍。差值方法可采用拉格朗日、牛頓、埃爾米特、樣條插值等多種方法。

表1　液位高度與累積容量對應表

3　標定數(shù)據(jù)可靠性與罐容曲線

很顯然，罐容表數(shù)據(jù)的準確度取決于標定點數(shù)據(jù)的準確度。標定點數(shù)據(jù)最重要的是累計容量值和與之對應的液位值。用二等標準金屬量器確定的容量值，在嚴格按照量器操作規(guī)范的情況下，其準確度是可以保證的，而液位測量采用測深尺或其他經(jīng)過溯源的測量方法，可以達到0.5mm以內(nèi)的測量誤差。但是液位測量受影響的因素很多，液面平穩(wěn)性、測點一致性、人員操作技巧和習慣等都會影響液位測量結(jié)果，需加以規(guī)范。實際標定過程中，由于人為失誤、設(shè)備故障、罐內(nèi)介質(zhì)干擾等原因，易造成標定數(shù)據(jù)異常。只有先確認所標定的數(shù)據(jù)可靠無誤之后，才可進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，否則得出的罐容表沒有任何意義。

圖2　液位-容量曲線

獲得一組若干對液位-容量數(shù)據(jù)后，可以做出以液位高度為X軸(單位：mm)，以容量值為Y軸(單位：L)，見圖2。通過這個曲線圖，可以看到該臥式罐的容量-液位走向，也可以從各點間的圓滑連續(xù)程度大致判斷出這些測試點的合理性可靠性。但是數(shù)據(jù)較小的偏離在該曲線上很難被發(fā)現(xiàn)，如果采用液位-容量分度曲線(簡稱罐容曲線)可以較好地發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

罐容曲線：以臥式罐液位高度為X軸(單位：mm)，以容量分度值為Y軸(單位：L/mm，相鄰標定點容量增加值與高度增加值的比值)，利用EXCEL圖表功能，生成一個由有限個標定點組成的罐容曲線(點與點之間用曲線連接)，見圖3。

圖3　典型“液位-容量分度值”罐容曲線

正常的罐容曲線呈平滑的拱形，點與點之間可能由于罐內(nèi)變形或附件影響，造成一定程度的不平滑，屬正?，F(xiàn)象；但點與點之間發(fā)生突變跳躍的可能性很??；罐容曲線上點的分布情況可以直觀地反映出標定質(zhì)量。

4　異常罐容曲線分析

4.1　連續(xù)的兩點對稱性跳躍型曲線(見圖4)

圖4　異常罐容曲線01

曲線上某點及該點的相鄰點發(fā)生跳躍，且相對于整個曲線上下基本對稱(或稱“對稱性跳躍”)，則該點異常，而該點的相鄰點正常。如圖4中A點、C點出現(xiàn)異常；B點、D點正常。(A點表示可能單次液位讀取值偏大；C點表示可能單次液位讀取值偏小)。

4.2　間隔的兩點對稱性跳躍型曲線(見圖5)

圖5　異常罐容曲線02

曲線上某點與該點相鄰點的下一點發(fā)生對稱性跳躍，相鄰點反而處在曲線上，則該點及相鄰點異常，相鄰點的下一點正常。如圖5中A點、B點、D點、E點出現(xiàn)異常；C點、F點正常。(A點、B點表示可能連續(xù)2次液位讀取值偏大；D點、E點表示可能連續(xù)2次液位讀取值偏小)。

4.3　連續(xù)三點非對稱性跳躍型曲線 (見圖6)

圖6　異常罐容曲線03

曲線上某點與該點相鄰點的下一點發(fā)生同向跳躍，相鄰點發(fā)生反向跳躍，且跳躍幅度各不相同，則該點及相鄰點異常，相鄰點的下一點正常。如圖6中A點、B點、D點、E點出現(xiàn)異常；C點、F點正常。(A點表示可能液位讀取值偏大，B點、D點表示可能液位讀取值偏小，E點表示可能液位讀取值偏大)。

4.4　單點向下跳躍型曲線(見圖7)

圖7　異常罐容曲線04

曲線上某點發(fā)生跳躍(曲線下方)，則此點異常。如圖7中A點出現(xiàn)異常。(A點表示可能單次向臥式罐內(nèi)多注入了一定數(shù)量的水且未察覺)。

4.5　連續(xù)兩點向下跳躍型曲線(見圖8)

圖8　異常罐容曲線05

曲線上某點與相鄰點發(fā)生同向跳躍(均在曲線下方)，則此兩點異常。如圖8中A點、B點出現(xiàn)異常。(A點、B點表示可能連續(xù)2次向臥式罐內(nèi)多注入了一定數(shù)量的水且未察覺)。

4.6　單點向上跳躍型曲線(見圖9)

圖9　異常罐容曲線06

曲線上某點發(fā)生跳躍(曲線上方)，則此點異常。如圖9中A點出現(xiàn)異常。(A點表示可能單次向臥式罐內(nèi)少注入了一定數(shù)量的水且未察覺)。

4.7　連續(xù)兩點向上跳躍型曲線(見圖10)

圖10　異常罐容曲線07

曲線上某點與相鄰點發(fā)生同向跳躍(均在曲線上方)，則此兩點異常。如圖10中A點、B點出現(xiàn)異常。(A點、B點表示可能連續(xù)2次向臥式罐內(nèi)少注入了一定數(shù)量的水且未察覺)。

4.8　局部小鋸齒型曲線(見圖11)

圖11　異常罐容曲線08

曲線多處呈鋸齒狀跳躍分布，但幅度不大，則這些點中的部分或全部異常。如圖11中的連續(xù)多點呈鋸齒狀分布的點出現(xiàn)異常(可能是由于液位不穩(wěn)定就讀數(shù)造成的) 。

4.9　無明顯規(guī)律的不平滑曲線 (見圖12)

圖12　異常罐容曲線09

曲線多處產(chǎn)生不平滑現(xiàn)象(但不嚴重)，如圖12所示。(對比圖3進行觀察，可能是由于將液位高度取整后造成曲線的平滑度變差)。

5　失誤產(chǎn)生原因及補救/預防辦法

5.1　第一類曲線產(chǎn)生原因(圖4～圖6)

1)操作人員粗心大意，偶然(或連續(xù))將液位高度讀錯；2)臥式罐的基準點因施工問題偏離罐縱向中軸線且無計量基準板，下尺時量油尺尺砣落在罐壁上，偶然(或連續(xù))打滑；3)下尺點處有雜物，尺砣偶然(或連續(xù))影響液位測量；4)偶然(或連續(xù))液位未穩(wěn)定就讀數(shù)。

補救辦法：將單個或連續(xù)的異常點排除，曲線隨即恢復正常。如圖4去除A點、C點后的曲線見圖13，已恢復正常。

圖13　恢復正常的罐容曲線10

注：排除過多的點會使罐容表的可靠度降低。

預防辦法：注意避免出現(xiàn)原因分析中的1～4點。

5.2　第二類曲線產(chǎn)生原因(圖7～圖10)

1)操作人員粗心大意，偶然(或連續(xù))將標準器液位調(diào)高或調(diào)低；2)標準器排水時，偶然(或連續(xù))水未放完就關(guān)閉排液閥；3)標準器加水時，偶然(或連續(xù)) 排液閥未關(guān)到位，有微量泄露。

補救辦法：這種情況無法補救，必須重新進行標定。

預防辦法：注意避免出現(xiàn)原因分析中的1～3點。

注：當標準金屬量器的排液閥一直關(guān)閉不嚴(微漏)或每次排水時均未排完，以及標準金屬量器的標稱刻度使用有誤時，在罐容曲線上是很難發(fā)現(xiàn)異常點的，應引起足夠重視，確保設(shè)備可靠、操作到位、標準值使用正確。

5.3　第三類曲線產(chǎn)生原因(圖11)

1)臥式罐內(nèi)注水產(chǎn)生的液位波動未穩(wěn)定；2)量油導管內(nèi)液位平衡較慢造成液位未穩(wěn)定；3)量油導管內(nèi)由于空間較小，量油尺尺砣進入時速度過快，造成瞬時液位升高現(xiàn)象(升高的幅值與下尺的速度有關(guān))；4)操作人員水平不高導致液位量取值的不一致性。

補救辦法：如果只是出現(xiàn)少量此類異常點，可以通過排除法進行修復；如果出現(xiàn)大量異常點，則應該重新標定。

預防辦法：注意避免出現(xiàn)原因分析中的1～4點。

5.4　第四類曲線產(chǎn)生原因(圖12)

該類原因比較復雜，原因之一可能是由于液位高度取整后，相鄰點之間最大可能帶來1mm的高度偏差，足以使整個罐容曲線變差。

補救辦法：如記錄液位高度時已經(jīng)保留1位或1位以上小數(shù)，則可恢復這些記數(shù)；如記錄時已經(jīng)將數(shù)據(jù)取整，則只能保留這些數(shù)據(jù)，但罐容曲線的平滑性會變差。

預防辦法：確保記錄液位高度數(shù)值時至少保留1位小數(shù)。

6　應用改進

1)編制專門罐容曲線實時觀測程序，以便操作人員能在現(xiàn)場對罐容曲線進行實時監(jiān)控，做到隨時發(fā)現(xiàn)問題隨時處理。

2)為了盡量減少個人操作失誤帶來的風險，應采取必要措施改進操作程序。如多人復核標準器或液位讀數(shù)；操作步驟確認制度；核對加水/放水時間等。

3)改進硬件條件或設(shè)計專門標定系統(tǒng)。如采用液位儀自動讀數(shù)的方式降低人工讀錯液位風險；增加控制閥門，使得標準器液位調(diào)節(jié)、開/關(guān)排液閥、罐液位讀數(shù)、設(shè)備故障報警、罐容異常曲線提示、數(shù)據(jù)記錄等功能均由軟件和控制電路完成，最終實現(xiàn)全自動標定。

7　結(jié)束語

應用容量比較法標定臥式罐時往往存在標定時間長且不準的問題，多是由于操作人員無法對整個標定過程進行監(jiān)控和把握，更談不上補救與預防措施了。筆者結(jié)合本單位多年臥式罐標定經(jīng)驗，通過對異常罐容曲線進行分析與監(jiān)控，能夠準確把握標定過程中的問題所在，從而解決標不快、標不準的問題。

[1]董波,等.JJG266-1996臥式金屬罐容積檢定規(guī)程

[2]孔慶彥,等.JJG 133—2005汽車油罐車容量檢定規(guī)程

[3]劉子勇,等.JJG 259—2005標準金屬量器檢定規(guī)程

[4]郭立功,劉子勇,佟林,王金濤.自動容積比較法臥式金屬罐容量現(xiàn)場檢測研究.計量學報，2010,31(6)

[5]孫大勇.地埋臥式金屬罐容積測量的探討.計量與測試技術(shù)，2007,34(9)

[6]黃勇.地埋平頂臥式金屬罐容積的標定方法探討.中國計量，2010(9)