一種質(zhì)量流量計在線比對裝置的設(shè)計

鞏緒雄，陳華斌，許舒婷

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

質(zhì)量流量計是一種智能精密質(zhì)量流量測量儀表，具有計量準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性和可靠性強、故障率低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程調(diào)節(jié)控制、貿(mào)易結(jié)算、能源計量及節(jié)能管理等領(lǐng)域。使用企業(yè)對質(zhì)量流量計的關(guān)注通常集中于控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可靠性等方面，國內(nèi)外對質(zhì)量流量計檢定、比對方法研究的也比較多，如稱重法、容積法、標(biāo)準(zhǔn)流量計法等，采用的方式可劃分為靜態(tài)檢定和動態(tài)檢定兩大類。

雖然目前已經(jīng)實現(xiàn)了流量計的檢定，但仍然存在一些不足：①準(zhǔn)確性不高，基于質(zhì)量法的檢定過程中，人為、環(huán)境影響因素較多，而這些因素也直接影響了整個檢定過程的準(zhǔn)確性；②檢定效率較低，通常完成一次檢定需要耗費大量的人力物力與時間，整個檢定過程繁瑣且低效，不滿足精益質(zhì)量控制要求；③檢定周期內(nèi)自行組織的比對辦法相對缺乏，不利于過程流量計工作狀態(tài)的監(jiān)控。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一套煙草制絲線在線質(zhì)量流量計快速比對系統(tǒng)，它具有準(zhǔn)確性高、操作簡單便捷等特點，為其他行業(yè)流量計的在線比對工作拓展了思路。

1 設(shè)計思路

質(zhì)量流量計工作的基本依據(jù)為科里奧利現(xiàn)象，通過測量振動管兩端相位差實現(xiàn)質(zhì)量測量，其基本關(guān)系為

其中，qm為質(zhì)量流量，K0為U形管的剛度系數(shù)，Δt為兩側(cè)直管通過中心平衡位置時間差，L為U形測量管兩側(cè)直管長度，R為U形測量管曲率半徑，M為流體中產(chǎn)生的總力矩，θ為U形管在扭力作用下產(chǎn)生扭曲，K為比例系數(shù)。

由公式不難看出，工藝介質(zhì)、工藝介質(zhì)溫度、工藝介質(zhì)壓力、環(huán)境溫度、振動等會影響儀表測量值與實際值的偏差。檢定過程中，各項影響因素及流量計使用過程中各項影響因素均會發(fā)生變化，導(dǎo)致流量計出現(xiàn)計量誤差。

傳統(tǒng)的離線比對模式，需要拆卸流量計，過程較繁瑣，且經(jīng)常拆卸可能會對流量計的接線端子、接口等造成損傷；更重要的是離線模式下，各種工況與生產(chǎn)模式不一致，可能產(chǎn)生比對誤差。為消除上述因素影響，本裝置使用在線比對模式取代傳統(tǒng)的離線比對模式。

在循環(huán)系統(tǒng)方面，可選用自備循環(huán)設(shè)計系統(tǒng)和使用原有循環(huán)系統(tǒng)。綜合成本和比對精確性考慮，選用使用原有循環(huán)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工作流程設(shè)計

（1）選擇合適量程的流量計（已檢驗合格）作為快速校準(zhǔn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)流量計。

（2）將流量計快速比對系統(tǒng)串接至待檢測流量計系統(tǒng)。

（3）打開管道上閥門進行預(yù)填充，使介質(zhì)充滿管道。

（4）開始校準(zhǔn)，同時對兩臺流量計進行統(tǒng)計，一段時間后同時結(jié)束。

（5）快速比對系統(tǒng)中錄入標(biāo)準(zhǔn)流量計與待檢流量計累計流量，計算誤差值。

（6）“誤差值≤精度值”為正常，“誤差值≥精度值”需對流量計進行檢修，檢修后再重新進行校準(zhǔn)。

2.2 臺體設(shè)計

為滿足本系統(tǒng)快速、便捷、簡便的需求，需要設(shè)計相應(yīng)的移動單元作為比對裝置。移動單元的實際需要考慮實際使用的需求，移動單元尺寸、重量、可移動性必須滿足相應(yīng)的要求。

考慮到使用的便捷性，使用華為UPS2000-A-3KTTS UPS為比對系統(tǒng)供電，該供電方式一方面有著高可靠性和高抗干擾性等優(yōu)點，另一方面也避免了現(xiàn)場接電，既安全又簡便。

2.3 硬件及電路設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子S7-300系統(tǒng)，其具體組成見表1。

表1 系統(tǒng)組成

2.4 通信方式

由于作者現(xiàn)場實際，流量計快速比對系統(tǒng)若想完成整個制絲線的流量計快速比對可采用如下兩種通信方案：①與各個流量計所在的工藝段分別建立通信；②與環(huán)網(wǎng)中的某一個工藝段建立通信。

考慮單點通信硬件設(shè)計相對簡單、對原環(huán)網(wǎng)的影響小，整個系統(tǒng)更為穩(wěn)定，因此選用與環(huán)網(wǎng)中的某一個工藝段建立通信。

2.5 組態(tài)畫面設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能需求分析，觸摸屏操作界面共設(shè)計了多個界面，包括主界面（待機界面）、加料A、加料B、加香A、加香B、梗加料、梗加香、其他界面等。Human Machine Interface即人機界面，其操作界面見圖1。

圖1 HMI設(shè)計

（1）系統(tǒng)顯示：包括“啟動”按鈕、“比對時間”設(shè)置和“運行”狀態(tài)顯示。

（2）待比對流量計顯示：由于A線加料有大、小、水共3臺流量計，所以界面設(shè)置了流量計選擇界面，用戶在界面中選擇所需比對流量計，畫面顯示對應(yīng)流量計的累計量和瞬時流量。

（3）檢驗流量計顯示：包括系統(tǒng)大流量流量計和小流量流量計的累計量和瞬時流量。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 比對方法

使用軟管將快速比對系統(tǒng)與待比對流量計管道三通接口相連接；使用以太網(wǎng)網(wǎng)線連接快速比對系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)交換機，開啟觸摸屏，啟動裝置軟件控制系統(tǒng)。將待比對系統(tǒng)設(shè)置在“測試模式”，合理設(shè)置瞬時流量，并啟動料液循環(huán)，當(dāng)料液回入加料（加香）罐內(nèi)，即循環(huán)管路內(nèi)充滿液體時。點擊“比對時間”設(shè)定比對時間。點擊“啟動”按鈕，系統(tǒng)進入比對狀態(tài)，達到設(shè)定的比對時間后系統(tǒng)比對自動停止，系統(tǒng)比對完成。比對界面顯示計量精度，如果計量精度在0.5%之內(nèi)則認(rèn)為流量計的準(zhǔn)確度可信，否則需進行再次校準(zhǔn)。

3.2 計量精度測試

精度計算公式為：計量精度=（比對質(zhì)量-流量計累計值）÷比對質(zhì)量×100%。

現(xiàn)場任意選擇三個流量計采集點，采用靜態(tài)質(zhì)量法進行流量計精度的測試：在環(huán)境溫度20℃，水為測試介質(zhì)，項目組選取加料A大流量流量計、加料B水流量流量計、梗加香流量計作為3個測試點，每個測試點分別測試比對質(zhì)量為5 kg和10 kg的流量累計值（表2）。

表2 計量精度測試記錄

由表2可知，任選3臺流量計進行系統(tǒng)比對精度測試，其計量精度均小于1%。

3.3 流量重復(fù)性測試

流量復(fù)現(xiàn)性誤差公式為：復(fù)現(xiàn)性誤差=（|最大值-最小值|÷平均值）×100%。

任意選擇一個流量計采集點，采用靜態(tài)質(zhì)量法進行流量復(fù)現(xiàn)性指標(biāo)測試：在環(huán)境溫度19℃，水為測試介質(zhì)，項目組選取梗加香流量計作為測試點，連續(xù)測試3次比對質(zhì)量為5 kg、10 kg、15 kg的流量累計值，取記錄數(shù)據(jù)的最大值與最小值之差除以3次記錄數(shù)據(jù)的平均值為單次流量重復(fù)性誤差（表3）。

表3 流量復(fù)現(xiàn)性測試記錄

由表3可知，系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)性誤差不大于0.04%。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種質(zhì)量流量計在線比對裝置的設(shè)計：

（1）系統(tǒng)根據(jù)實際生產(chǎn)線，配置了兩只不同量程的專用比對流量計，可以通過快接插頭串入原管路系統(tǒng)，利用流過比對流量計和被比對流量計介質(zhì)重量一致的特性開展比對。

（2）系統(tǒng)配置了PLC，通過接入車間環(huán)網(wǎng)，讀取被比對流量計瞬時流量，由PLC自動計算比對流量計和被比對流量計累計量和計量誤差。

（3）系統(tǒng)高度貼合產(chǎn)線實際情況，利用原有循環(huán)系統(tǒng)，不額外配置水箱、泵、變頻器等系統(tǒng)。比對過程中不用拆卸流量計，比對介質(zhì)、環(huán)境等外界影響因素與實際生產(chǎn)情況完全一致，從而顯著提升比對精度。

（4）系統(tǒng)具有操作簡單、快捷、運行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。

該系統(tǒng)的應(yīng)用，一方面克服了流量計現(xiàn)場比對的技術(shù)難題，另一方面通過效率的提升有效保障了產(chǎn)品質(zhì)量過程控制水平，具有重要的實際意義。