輔助艙容量比較法自動校準裝置設計

楊榮淇

（上海船舶研究設計院，上海201203）

艙容計量

輔助艙容量比較法自動校準裝置設計

楊榮淇

（上海船舶研究設計院，上海201203）

介紹了在常規(guī)船舶輔助艙容量計量工作方法的基礎上，基于容量比較法原理，結合數據采集和現場控制等設備，并依靠虛擬儀器程序開發(fā)平臺研制的輔助艙容量校準裝置。系統(tǒng)設計以標準金屬量器組為主要計量設備，通過研究控制閥門安裝、管路連接、液位自動采集方式、量器組合算法、電氣設備集成控制和軟件操作系統(tǒng)的開發(fā)設計，實現了輔助艙容量校準過程程序控制和自動化操作。這樣可在保證量值傳遞和容量校準可靠穩(wěn)定的同時，提高輔助艙容量測量的工作效率，減輕計量人員的勞動強度。

輔助艙；容量校準；虛擬儀器；集成控制

0 前言

船舶輔助艙主要是指除貨艙外的燃油艙、壓載水艙、柴油艙、滑油艙、淡水艙以及其他非主要艙室。這些輔助艙的特點是結構復雜，空間狹小，難以使用常規(guī)的幾何數學模型描述內部結構及型線特征。

目前，船舶艙容量計量技術按照工作原理一般可分為幾何測量法和容量比較法兩大類。雖然大尺寸測量技術的發(fā)展，幾何測量法在大空間容量計量領域的應用范圍越來越廣，但是無法解決狹小空間或內部結構較為復雜的艙室容量計量難題。因此目前只能通過容量比較法進行量值傳遞［1］。根據現行國家計量檢定規(guī)程JJG 702—2005《船舶液貨計量艙容量》中容量比較法的技術要求，在進行檢定工作時，要求連續(xù)進行，不可中斷。對于只能使用常規(guī)工作方法的計量人員，這種方式工作時間長、勞動強度大、工作效率低。以容量規(guī)格為50 m3的艙室為例，完成檢定需要連續(xù)工作8～10 h，耗時耗力。因此，亟待研制出一種可以提高工作效率的標準裝置來替代現用方法。

基于以上需求，本文針對現階段容量比較法進行船舶艙容量計量時存在的缺點，研究使用標準金屬量器組作為容量量值傳遞標準，并設計自動控制系統(tǒng)，實現量器的自動注水、排水，溫度參數實時采集，測量數據實現自動記錄、計算等功能。主要研究內容包括量器結構設計改造、罐內液位自動采集方式、控制閥門快速響應調試、測量管路連接、量器組合工作算法、電氣設備集成控制和測控軟件操作系統(tǒng)的開發(fā)等。

1 系統(tǒng)設計原理

容量比較法是以水為檢定介質，用標準量器與被檢量器相比較，然后以標準量器的量值來確定被檢量器量值的容量測量方法。

在使用容量比較法進行船艙容量校準工作時，具體操作流程是：首先向經過檢定的相應等級的標準金屬量器中注入水并保持在測量范圍內，等待液位穩(wěn)定后讀取游標卡尺液位值得到標準金屬量器內的檢定介質容積；將標準金屬量器內的水放入被檢船艙內，等待被檢艙液位穩(wěn)定后，測量被檢艙液位高度，得到被檢艙內一個容量校準點的容量和液位；重復校準操作得到被檢艙內多個不同液位高度時的容積值，將原始校準數據經過擬合插值處理后，最終得到船艙艙容表數據，完成被檢艙容量校準。

在目前使用容量比較法進行船艙容量校準的工作過程中，測量得到每個容量校準點時工作人員需要完成開啟標準金屬量器注水放水閥門，等待液位穩(wěn)定和控水，讀取量器游標卡尺示數及記錄測量數據等人工操作。整個校準測量工作需要多個工作人員較長時間的連續(xù)工作才能完成，計量周期長和自動化程度低。

針對現階段輔助艙使用容量比較法進行容量校準工作時存在的缺點，設計輔助艙自動校準裝置，使用電氣集成控制和軟件操作系統(tǒng)，使校準工作過程中液位測量讀取、標準金屬量器注水放水和數據記錄處理等工作能夠實現程序控制和自動操作，代替檢定人員的人工操作，提高工作效率和自動化程度。

2 裝置設計方案

輔助艙容量校準裝置主要包括硬件設備和軟件系統(tǒng)兩部分。

2.1 硬件設備

硬件設備包括若干不同規(guī)格型號的標準金屬量器、磁致伸縮液位計、傳感器、電磁閥、電動球閥、閥門執(zhí)行器、連接管路等。校準時，可以根據需要選用合適規(guī)格的金屬量器組合并連接測量管路，快速完成計量裝置的現場安裝。裝置系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 輔助艙容量校準裝置設計示意

校準裝置采用5個不同型號的二等標準金屬量器作為主標準器具實現容量量值的準確傳遞。規(guī)格分別為1 000L、500L、200L、100L和50L，最大允許相對誤差為±2.5×10-4。5個標準金屬量器采用快速接頭進行連接，既可以單個使用，也可以任意個數組合使用。電器控制箱內安裝有可編程控制器及連接設備，使用航空接頭可快速連接控制閥和液位計，計算機直接與電器控制箱通信?，F場校準時，安裝連接計量設備后，計量人員通過操作界面即可完成測量工作。

現場安裝時，外部供水管路通過入口端與手動調節(jié)閥的進口連接，電磁閥的出口與標準金屬量器的進水管路連接，考慮到各量器的規(guī)格不同，進水流量需根據實際條件各自設定。出水管路與電動球閥的進水口連接，電動球閥的出水口與被檢艙體的注水口相連，匯總至入艙管路，直接排入被校準輔助艙底部。

2.1.1 標準金屬量器改裝設計

標準金屬量器注水口依次安裝電磁閥和止回閥。電磁閥控制注水管路開閉，止回閥可防止水路逆流影響計量準確。標準金屬量器出水口安裝電動球閥，控制出水管路開閉。電磁閥控制進水、電動球閥控制出水。在每個標準金屬量器的計量頸處均安裝有磁致伸縮液位計，并通過定制工裝固定，通過測量磁性浮球的位移數據得到量器內液位高度，并可同時測量罐內液體溫度。標準金屬量器結構設計如圖2所示。

圖2 標準金屬量器結構設計示意

2.1.2 電器控制箱設計

電器控制箱用于安裝邏輯控制模塊、閥門控制電路和供電模塊，以便在應用現場線路連接和使用操作。電器控制箱內主要包括邏輯控制器、24 V電源模塊、中間繼電器、狀態(tài)指示燈及線路接口。電器控制箱封裝面板上安裝電源及通信線路接口和指示燈元件，封裝面板內固定安裝控制器等電器元件。電器控制箱內電器連接示意如圖3所示。

圖3 電器連接示意

邏輯控制器基于MODBUS通信協(xié)議，通過數字量輸出端控制標準金屬量器管路閥門及自動采集液位數據［2］。電器控制箱與上位機連接，接收處理上位機發(fā)送的控制指令開閉對應閥門。上位機接收邏輯控制器發(fā)送的液位數據，并依靠控制程序按照檢定規(guī)程發(fā)送量器控制指令、液位計算處理和數據記錄等操作。電器控制箱內封裝面板用于安裝電源通信接口和狀態(tài)指示燈元件，面板上元件包括接口區(qū)和指示燈區(qū)，見圖4。指示燈區(qū)分別顯示5個電磁閥和5個電動球閥的開閉狀態(tài)；接口區(qū)包括用于10個控制閥門的線路連接和電源接線。封裝面板上集成控制閥門、液位計通信和上位機通信的快速連接端口，可快速完成設備通信接線。

圖4 封裝面板示意

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括測量程序控制系統(tǒng)和邏輯控制執(zhí)行程序。在測量現場將電器控制箱與計算機連接通信后，由控制系統(tǒng)提供操作界面，完成對校準裝置的測量控制和數據計算處理等工作。

控制程序主要包括上位機軟件程序和執(zhí)行控制程序，完成不同的數據處理和過程控制任務。執(zhí)行控制程序安裝在電氣控制箱內，負責完成上位機端控制指令的接收執(zhí)行、按指令開閉閥門、液位計通信和數據發(fā)送。測量控制及工作流程如圖5所示。

圖5 程序控制流程

程序初始化后，循環(huán)采集液位計數值并設置查詢通信中斷，收到通信信號時發(fā)送液位和溫度數據到上位機端，檢測閥門控制信息。若有，則將相應控制指令轉換為開關量，控制對應閥門開閉實現注水或放水操作。

上位機軟件程序配置在筆記本電腦上，現場校準時與控制箱連接，負責控制整個校準裝置有效運行、處理存儲測量數據、輸出閥門控制指令以及提供用戶操作界面。

測量設置共有兩種工作模式，分別為自動工作模式和手動工作模式。

1）自動工作模式下，校準工作過程中向被校準輔助艙中不間斷注水。通過實時記錄累積流量和對應液位高度值，計算和繪制容量表。這種工作方式所需要的校準時間短、效率高，適用于需要快速校準的場合。在程序設計中，為了提高注水效率，采用組合測量的方式，使單次注水量可以根據實際需要有更多的選擇，每次注水通過測控軟件系統(tǒng)操作實現。

2）在手動工作模式下，需要預先設定一組預估分量體積或者液位間隔。校準工作過程中每次注入預定分量的介質后，系統(tǒng)自動關閉閥門并延時等待液位穩(wěn)定，然后讀取對應的液位高度。一次測量結束后進入同組下一預定分量的注入、延時和測量，重復該過程直到整個校準工作完成。這種工作方式下，系統(tǒng)獲得的液位穩(wěn)定性較高，可以獲得更高的液位測量精度。

軟件程序按照界面功能分為船艙校準和數據處理，程序主界面有功能按鈕選擇進入不同的功能界面完成不同的程序操作，如圖6所示。

圖6 程序運行主界面

程序主界面中的功能選擇按鈕包括開始校準按鈕、數據處理按鈕和停止按鈕，子面板用于顯示功能控制界面。開始校準按鈕用于設置運行容量校準控制子程序，其中校準模式設置包括手動模式和自動模式，提供不同的校準控制方式。數據處理按鈕用于在校準試驗結束后運行數據處理子程序，對原始測量數據使用不同方法擬合分析后生成艙容報表結果。

使用主界面開始校準按鈕設置運行容量校準控制子程序后，子面板上顯示出校準操作界面。校準操作界面包括參數設置、校準控制、量器狀態(tài)顯示和測量數據記錄等功能。

程序界面上的參數控制模塊包含參數設置按鈕、通信端口選擇控件、通信狀態(tài)指示燈和開始運行按鈕。通信狀態(tài)指示燈可顯示通信是否正常；通信端口選擇控件用于計算機與電器控制箱通信時計算機端口選擇輸入；點擊參數設置按鈕可以彈出校準參數設置的對話框，在對話框內輸入校準試驗的參數。

校準過程中，動態(tài)顯示裝置的狀態(tài)變化，包括量器運行狀態(tài)和通信連接狀態(tài)。程序內5個量器的圖形界面用于標識量器不同的操作狀態(tài)；通信指示燈用于顯示計算機端與電器控制箱的通信狀態(tài)。

在程序主界面選擇進入數據處理數據處理功能后，子面板顯示數據處理功能界面。數據處理功能界面上包含多個用于處理算法的選擇面板控件、參數設置輸入控件、報表設置按鈕和程序退出按鈕。

算法選擇面板控件上根據選擇算法和處理參數的不同在圖形框圖上顯示處理前后的數據點，并以不同顏色標識。對比不同方法的處理效果，選擇最優(yōu)的擬合插值方法。數據處理界面用在船艙容量校準試驗后對測量數據分析處理，應用不同的數學算法處理原始數據，優(yōu)化選擇算法后生成報表信息。

3 試驗結果與分析

為了驗證輔助艙校準裝置的技術性能，使用校準裝置對1 000 L二等標準金屬量器進行比對試驗。由于需要驗證組合測量結果的準確度，因此選用了50 L、100 L、200 L和500 L的量器連接，組合使用。

評價校準裝置性能指標的基本參數可以分為兩項，分別為測量精度誤差和測量重復性。該試驗中，測量誤差由多次測量示值與標準數值的相對差值表示。測量重復性采用多次獨立重復測量的標準偏差表示，使用貝塞爾法計算。試驗數據及結果如表1所示。

由表1數據分析可知：輔助艙校準裝置10次測量結果的相對測量誤差為4.47×10-4，均為正值，說明校準裝置的測量結果相較于標準量偏大。這可能是由于個別量器底部的電磁閥響應時間過長或磁致伸縮液位計數值偏差等因素引起。測量重復性為0.153 L，與標準量相比較，為1.53×10-4，可作為重復性不確定度分量引入分析。綜合以上兩項指標，試驗結果滿足預期設計技術指標要求。在實際現場工作條件中，還需考慮環(huán)境條件對測量結果的影響。

4 結語

輔助艙容量校準系統(tǒng)的設計，實現了基于容量比較法校準輔助艙容量的程序控制和自動化操作。重點研究了液位自動采集方法、標準金屬量器組合連接控制裝置和軟件系統(tǒng)開發(fā)，在保證容積計量準確可靠的同時，提高了輔助艙容量測量的工作效率，減輕了計量人員的勞動強度，彌補了現階段輔助艙容量校準方法的不足。本文的試驗中環(huán)境溫度控制為標準溫度20℃，正負偏差不大于2K。若溫度浮動超過2K時，還應考慮引入溫度影響的誤差修正。

表1 試驗數據及結果

［1］劉子勇，郭立功.容量計量研究方向［J］.現代測量與實驗室管理.2007（6）：11-13.

［2］王吉平，趙哲，田克純，等.基于LabVIEW的通信測量技術研究［J］.自動化與儀表，2011（1）：29-31.

Design of Capacity Calibration System of Auxiliary Tanks Based on Comparison Method

YANG Rong-qi
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Based on the capacity measurement method of auxiliary tanks in routine ships，in view of the principle of capacity comparison method and combined with data acquisition and field control equipment，capacity calibration device of auxiliary tanks developed on virtual instrument program development platform was introduced in the paper. System design in the standard metallic measurer group was taken as the main measurement equipment and by researching installment of control valve，pipe connection，liquid level automatic acquisition，gauges combination algorithm，electrical equipment integrated control and operating system software development and design，the process control and automation of the auxiliary tank capacity calibration was realized.The system ensured stable and reliable transmission and capacity calibration value，improved the work efficiency of the auxiliary tank capacity measurement and also reduced the labor intensity of measuring personnel.

auxiliary tank；capacity calibration；virtual instrument；integrated control

TB938.3

A

1001－4624（2016）02－0087－06

2016-06-03；

2016-08-25

楊榮淇（1985—），男，工程師，從事船舶艙容量計量工作。