新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制

周 艷，李 寧，向德華

(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器是用于液體和氣體體積量值傳遞的重要計(jì)量器具，被廣泛應(yīng)用于石油化工等行業(yè)[1]。一等金屬量器與被檢金屬量器按照容量比較法檢測(cè)過(guò)程要求，試驗(yàn)室環(huán)境溫度范圍為(20±5)℃，環(huán)境溫度與水溫之差不超過(guò)±5 ℃[2]，一般采用人工手動(dòng)控制三通閥。通過(guò)游標(biāo)刻線與凹液面的最低端相重合，讀取一等金屬量器的標(biāo)稱液位高度[3]。整個(gè)測(cè)量過(guò)程既耗時(shí)又費(fèi)力，工作效率不高，測(cè)量準(zhǔn)確性和重復(fù)性受人為因素影響較大。

國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)金屬量器自動(dòng)化改造進(jìn)行了研究。陳文琳[4]等設(shè)計(jì)了三等金屬量器自動(dòng)進(jìn)出水系統(tǒng)；黃雪蓮[5]設(shè)計(jì)了自動(dòng)進(jìn)出水的汽車油罐容量自動(dòng)檢定系統(tǒng)；呂研[6]等設(shè)計(jì)了用于在線液(油)體流量計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)；張海鵬等[7]提出了標(biāo)準(zhǔn)金屬量器液位頭像識(shí)別裝置；劉曉偉等[8]提出了基于圖像傳感器的測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的方法；尹義海等[9]提出了適用于二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的溢流液位可調(diào)控系統(tǒng)。上述研究?jī)H局限于二等及以下標(biāo)準(zhǔn)金屬量器，且大多只涉及標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的局部改進(jìn)。

本文設(shè)計(jì)了一種新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置，用于恒定一等金屬量器液位，自動(dòng)控制進(jìn)出水，精確控制環(huán)境溫度與水溫的溫差。該裝置實(shí)現(xiàn)了一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置量值傳遞過(guò)程自動(dòng)化控制，提高了檢測(cè)重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性。

1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置原有基本組成的基礎(chǔ)上，加裝浮子式液位計(jì)、防水步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、微型隔膜泵、支架板、套管、溫度變送器、軸流風(fēng)機(jī)等部件。標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of standard device

支架板俯視示意圖如圖2所示。

圖2 支架板俯視示意圖Fig.2 Top view of support plate

一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量頸液位控制是整個(gè)裝置的技術(shù)核心。在溢流罩上方放置一個(gè)支架板，中間打孔固定和支架板相同厚度且內(nèi)壁有螺紋的套管，套管兩端用六角螺帽將帶外螺紋的不銹鋼管固定。不銹鋼管一端放置于計(jì)量頸標(biāo)稱容積值所對(duì)應(yīng)液位高度的中心水平位置，并安裝單向閥以防止泵抽水完成后少量殘留液體流入計(jì)量頸；另一端連接微型隔膜泵，當(dāng)注入一等金屬量器罐內(nèi)水位達(dá)到設(shè)定液位高度時(shí)，開(kāi)啟隔膜泵的抽水功能。套管內(nèi)徑與鋼管外徑之間約0.5 mm的距離，以便鋼管可以上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)合適的高度。液位恒定控制系統(tǒng)截面示意圖如圖3所示。

圖3 液位恒定控制系統(tǒng)截面示意圖Fig.3 Sectional diagram of constant liquid level control system

高位水箱和一等金屬量器的溢流罩內(nèi)分別安裝一個(gè)浮子式液位計(jì)，以便根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整和控制放液補(bǔ)水的液位高度。

一等金屬量器底端設(shè)計(jì)采用現(xiàn)有三通閥連接防水步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)三通閥的進(jìn)液、關(guān)閉、放液三個(gè)位置的自動(dòng)控制。

在試驗(yàn)室，距地面1.5 m和2.7 m處各安裝一支溫度變送器；高位水箱底部位置以及一等金屬量器上錐體和被檢金屬量器各安裝一支溫度傳感器，以便對(duì)環(huán)境溫度、高位水箱水溫和罐體水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為使試驗(yàn)室內(nèi)部空間溫度更加均衡，地面放置兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮控制測(cè)量的流程、檢測(cè)方法、開(kāi)關(guān)輸出、脈沖輸出、鉑電阻信號(hào)等因素。系統(tǒng)采用模塊架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定過(guò)程邏輯控制、過(guò)程控制以及數(shù)據(jù)采集。控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Principle block diagram of control system

控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄高位水箱水溫、環(huán)境溫度以及標(biāo)準(zhǔn)金屬量器罐內(nèi)水溫。溫度控制設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在測(cè)量過(guò)程中，將環(huán)境溫度、水箱水溫和罐內(nèi)水溫之差控制在±1 ℃以內(nèi)。當(dāng)溫度不均衡時(shí)，裝置將自動(dòng)開(kāi)啟軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。溫度變送器采用同品牌、同型號(hào)Pt100的溫度傳感器搭配4～20 mA輸出變送器，接入可編程控制器模擬量模塊，以避免不同傳感器引入誤差?？删幊踢壿嬁刂破髟O(shè)置有等溫修正程序，在溫度環(huán)境穩(wěn)定的狀態(tài)下，可對(duì)溫度變送器零點(diǎn)進(jìn)行修正。

為避免高位水箱在進(jìn)水和排水過(guò)程中出現(xiàn)溢水或缺水現(xiàn)象，在水箱的底部安裝一個(gè)浮子式液位計(jì)[10-11]。若水箱處于低液位，則控制系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟電磁閥注水，直至水箱設(shè)定的高液位。在檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)注入的水升至一等金屬量器計(jì)量頸時(shí)，液位上升速度會(huì)很快。為避免液面外溢，在溢流罩內(nèi)安裝浮子液位計(jì)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)有溢流水位值，當(dāng)液面達(dá)到溢流水位時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)將三通閥置于停止位置。

三通閥通過(guò)聯(lián)軸器連接防水步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行三通閥的位置控制。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制角度可精確到0.5°以內(nèi)，可避免發(fā)生開(kāi)關(guān)閥門(mén)不到位的情況。

原一等金屬量器計(jì)量頸液位控制采用人工讀數(shù)和微調(diào)閥門(mén)進(jìn)行液位調(diào)整，新型標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)采用不銹鋼管搭配工業(yè)級(jí)微型隔膜水泵自動(dòng)完成液位調(diào)整，隔膜泵設(shè)定的抽水流量為2.5 L/min左右。

考慮試驗(yàn)室濕度大，控制系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)器件，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有人機(jī)界面觸摸屏，向下通過(guò)RS-422工業(yè)總線連接控制器，向上通過(guò)局域網(wǎng)連接辦公系統(tǒng)，可自動(dòng)生成原始記錄?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of control system

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)量程序流程如圖6所示。

圖6 測(cè)量程序流程圖Fig.6 Flow chart of measurement procedure

標(biāo)準(zhǔn)裝置按給定流程，完成高位水箱補(bǔ)水、放液，控制各個(gè)閥門(mén)啟停，采集和判斷環(huán)境溫度、水箱溫度和罐內(nèi)水溫。一旦金屬量器進(jìn)液、放液，微型隔膜泵啟停。最后，將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存。

4 驗(yàn)證

4.1 溫度控制驗(yàn)證

為驗(yàn)證溫度控制的必要性，在試驗(yàn)室環(huán)境溫度、水溫處于在控溫(環(huán)境溫度與水溫的溫差≤±1 ℃)和不控溫(環(huán)境溫度與水溫的溫差在±5 ℃以內(nèi))的條件下，對(duì)同一臺(tái)50 L二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器液位高度值進(jìn)行六次測(cè)量。溫差試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫差試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature difference test data

從表1可知，在測(cè)量過(guò)程中，環(huán)境溫度、水箱水溫和罐內(nèi)水溫的溫差值越小，被檢金屬量器液位高度值測(cè)量的重復(fù)性就越好。因此，必須對(duì)檢定環(huán)境以及水溫進(jìn)行精確控制。

4.2 復(fù)現(xiàn)性驗(yàn)證

4.2.1 一等金屬量器液位值復(fù)現(xiàn)性

一等金屬量器注水的過(guò)程中，當(dāng)液面達(dá)到溢流水位時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)將三通閥置于停止位置，在預(yù)留的液面平衡等待時(shí)間之后，控制系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟微型隔膜泵抽水。為驗(yàn)證抽水后一等金屬量器計(jì)量頸液位恒定值的復(fù)現(xiàn)性，設(shè)計(jì)在一個(gè)月內(nèi)，分別對(duì)同一臺(tái)20 L和50 L一等金屬量器的液位恒定值各進(jìn)行6組復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)，每組測(cè)量次數(shù)為3次。在測(cè)量過(guò)程中，環(huán)境溫度、水箱水溫和罐內(nèi)水溫之差不超過(guò)±1 ℃。液位高度復(fù)現(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 液位高度復(fù)現(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Reproducibility measurement data of level height

從表2可知，20 L和50 L一等金屬量器一個(gè)月內(nèi)液位恒定值測(cè)量的最大差值為0.04 mm，誤差在讀數(shù)游標(biāo)卡尺兩倍最小分度值以內(nèi)。這就表明，新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置恒定液位的方法切實(shí)可行，滿足一等金屬量器準(zhǔn)確度要求，一等金屬量器液位恒定值的復(fù)現(xiàn)性得到驗(yàn)證。

4.2.2 一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性

微型隔膜泵抽水完成后，控制系統(tǒng)自動(dòng)停泵并將三通閥置于放液位置，一等金屬量器中的水全部排入二等金屬量器內(nèi)，滴流2 min后，觀測(cè)并記錄液位高度。為驗(yàn)證一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置的復(fù)現(xiàn)性，一個(gè)月內(nèi)，分別對(duì)同一臺(tái)20 L和50 L二等金屬量器的液位高度各進(jìn)行六組復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)。每組測(cè)量次數(shù)為三次。在測(cè)量過(guò)程中，環(huán)境溫度、水箱水溫和罐內(nèi)水溫之差不超過(guò)±1 ℃。標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Reproducibility measurement data of standard device

從表3可知，20 L二等金屬量器一個(gè)月內(nèi)液位高度測(cè)量的最大差值為0.66 mm,50 L二等金屬量器一個(gè)月內(nèi)液位高度測(cè)量的最大差值為0.46 mm，滿足二等金屬量器準(zhǔn)確度要求。一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置的復(fù)現(xiàn)性得到驗(yàn)證。

4.3 不同裝置對(duì)比

為驗(yàn)證新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量重復(fù)性的提升，設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)，采用傳統(tǒng)人工讀數(shù)測(cè)量方式和新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置，分別對(duì)同一臺(tái)20 L和50 L的二等金屬量器各進(jìn)行10次計(jì)量頸液位高度的重復(fù)性測(cè)量。20 L、50 L二等金屬量器用不同測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比分別如表4和表5所示。

表5 50 L二等金屬量器用不同測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比表Tab.5 Comparison table of measurement results of 50 L second-class metal tank with different measurement methods

5 結(jié)論

新型一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置能實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化，精確控制試驗(yàn)室環(huán)境溫度與水溫的差值，恒定一等金屬量器液位高度，大幅提升了測(cè)量準(zhǔn)確度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。