液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置的開發(fā)與研究

＊孟繁辰

（玉衡檢測（天津）有限公司 天津 300459）

引言

化工工藝生產(chǎn)中液位計(jì)的檢定、校準(zhǔn)很重要；我公司設(shè)計(jì)開發(fā)了一套自動檢測校準(zhǔn)裝置，是利用不同原理來測量液位計(jì)能否滿足自身準(zhǔn)確度要求的標(biāo)準(zhǔn)裝置；按照國家液位計(jì)檢定規(guī)程開發(fā)的一套液位計(jì)檢測校準(zhǔn)專用設(shè)備?；すに嚿a(chǎn)中液位計(jì)檢測校準(zhǔn)設(shè)備，既滿足了各種液位計(jì)檢測、校準(zhǔn)、調(diào)試技術(shù)要求；又可以通過西門子PLC S7-1200可編程控制器的編程、組態(tài)王組態(tài)，在計(jì)算機(jī)上自動顯示（示值誤差、輸出值誤差及設(shè)定點(diǎn)誤差、回差等參數(shù)）值；設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)技術(shù)，配置有三套多功能標(biāo)準(zhǔn)信號源，4～20mA、1～5V，標(biāo)準(zhǔn)智能壓力信號發(fā)生器；交直流穩(wěn)壓電源及溫度傳感器、標(biāo)尺、耐壓及密封性試驗(yàn)裝置；完全符合國家液位計(jì)檢定規(guī)程。

1.化工工藝生產(chǎn)中液位計(jì)檢測校準(zhǔn)裝置開發(fā)

液位計(jì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中的罐、釜、塔、器、爐、渠等內(nèi)部液位或界面的測量。

液位計(jì)作為各種液位的計(jì)量器具，通過液位計(jì)進(jìn)行液位測量在很大程度上避免了人工檢尺檢測所帶來的不利因素。同時(shí)液位計(jì)的類型有磁浮式、壓力式、超聲波、磁翻板和雷達(dá)等。液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置作為重要的計(jì)量器具，它的準(zhǔn)確度檢測校準(zhǔn)，直接關(guān)系到企業(yè)的整體經(jīng)營情況，所用能源節(jié)檢等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，對液位計(jì)的檢測具有很大的意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，在檢測液位計(jì)尤其是大量程液位計(jì)時(shí)由于其長度容易造成液位計(jì)的彎曲影響檢測精度。因此液位計(jì)檢測裝置顯得尤為重要。

目前已經(jīng)產(chǎn)生了很多位計(jì)檢測裝置，根據(jù)其原理和方式不同可以分為反射式液位計(jì)檢定裝置、差壓式液位計(jì)檢定裝置和水箱式液位計(jì)檢定裝置?，F(xiàn)有技術(shù)中的計(jì)檢測裝置的功能局限性太小，現(xiàn)如今自動化以及物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，如何將檢測校準(zhǔn)裝置與自動化以及物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合是現(xiàn)如今需要解決的問題。

2.液位計(jì)檢測校準(zhǔn)裝置功能

液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置，用于采集液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置中的各個(gè)參數(shù)，上位機(jī)連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于接收并顯示采集到的數(shù)據(jù)。

表1 檢定項(xiàng)目和使用中校準(zhǔn)項(xiàng)目表

如圖1所示，液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置的尺寸為1800mm×800mm×2800mm，液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置包括測量儲水罐、移動腳輪、底座、儲水箱、電器箱和頂板，其中底座的底部安裝四個(gè)移動腳輪，底座的頂部分別安裝測量儲水罐和蓄水箱，儲水箱的出水口通過水泵和進(jìn)水截止閥連接測量儲水罐的入水口，測量儲水罐的出水口通過出水截止閥連接儲水箱的入水口，入水口與出水口使用PPR管路與其他設(shè)備進(jìn)行連接。測量儲水罐的底部分別安裝高精度變送器（高精度變送器是針對什么進(jìn)行檢測的：高精度（0.02級）變送器作為標(biāo)準(zhǔn)壓力、液位的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，與被檢測校準(zhǔn)的各種液位測量儀表的測量參數(shù)進(jìn)行比對，比對出的測量值，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PLC可編程控制器的編程及運(yùn)算，可自動顯示出比對的測量誤差值。）和溫度變送器，儲水箱的頂部安裝電器箱，電器箱的輸入端連接液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置，電器箱的內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，頂板固裝在測量儲水罐的頂部，用于放置雷達(dá)式與投入型液位計(jì)。

圖1 液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置圖

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考“液位計(jì)檢測標(biāo)準(zhǔn)”達(dá)到技術(shù)要求0.5～1級；利用PC/PPI電纜線組成PLC與組態(tài)王工控組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，以及利用物聯(lián)網(wǎng)組成組態(tài)王工控組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，組態(tài)王工控組態(tài)軟件還可以自動顯示，編制顯示策略，輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，打印檢測校準(zhǔn)報(bào)表，操作菜單設(shè)計(jì)等一系列強(qiáng)大的功能。

自動顯示檢測校準(zhǔn)數(shù)據(jù)：根據(jù)液位計(jì)量程，自動設(shè)置測點(diǎn)、設(shè)定點(diǎn)，通過設(shè)定的控制和測量時(shí)序，準(zhǔn)確控制液位計(jì)位置、采集液位計(jì)電流及相關(guān)溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)，控制水泵的進(jìn)排液和溢流閥的啟閉，由溢流口準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)液位高度，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的自動檢定；對檢定過程采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到檢定點(diǎn)、設(shè)定點(diǎn)、液位計(jì)信號輸出誤差的檢定結(jié)果。其中，根據(jù)液位計(jì)量程，將采集的液位計(jì)電流信號轉(zhuǎn)化為液位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)示數(shù)獲取。

3.液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置組成

（1）設(shè)備外形尺寸：1800mm×800mm×2800mm（長寬高）；40mm×40mm鋁合金框架結(jié)構(gòu)，4個(gè)移動腳輪（其中兩個(gè)可鎖定）；液位控制組件，包括PPR管路、溢流口、供液泵、溢流閥、手動閥，實(shí)現(xiàn)液位的準(zhǔn)確自動復(fù)現(xiàn)。預(yù)留幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可外接法蘭和螺紋，各種液位計(jì)都可在設(shè)備上檢測校準(zhǔn)，就可以實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的垂直安裝，方便、快捷、牢固。

（2）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)：PLC S7-1200編程環(huán)境軟件為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它可以對S7-1200所有功能進(jìn)行編程。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、伺服驅(qū)動器、繼電器模塊、傳感器，傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器及編碼器。控制器：內(nèi)含PLC、采集模塊及配電模塊；上位計(jì)算機(jī)安裝Win10及組態(tài)王工控組態(tài)軟件，自動顯示當(dāng)前溫度；可直接讀取標(biāo)準(zhǔn)表和被校驗(yàn)表參數(shù)（示值誤差、輸出值誤差及設(shè)定點(diǎn)誤差、回差），（加裝交流2kW穩(wěn)定度1%穩(wěn)壓電源與直流穩(wěn)壓電源），手動填寫直尺數(shù)據(jù)等。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考“液位計(jì)檢測標(biāo)準(zhǔn)”達(dá)到技術(shù)要求即可；利用PC/PPI電纜線組成PLC與組態(tài)王工控組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，以及利用物聯(lián)網(wǎng)組成組態(tài)王工控組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，組態(tài)王工控組態(tài)軟件還可以自動顯示，編制顯示策略，輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，打印檢測校準(zhǔn)報(bào)表，操作菜單設(shè)計(jì)等一系列強(qiáng)大的功能。

（3）自動顯示檢測校準(zhǔn)數(shù)據(jù)：根據(jù)液位計(jì)量程，自動設(shè)置測點(diǎn)、設(shè)定點(diǎn)，通過設(shè)定的控制和測量時(shí)序，準(zhǔn)確控制液位計(jì)位置、采集液位計(jì)電流及相關(guān)溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)，控制水泵的進(jìn)排液和溢流閥的啟閉，由溢流口準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)液位高度，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的自動檢定；對檢定過程采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到檢定點(diǎn)、設(shè)定點(diǎn)、液位計(jì)信號輸出誤差的檢定結(jié)果。其中，根據(jù)液位計(jì)量程，將采集的液位計(jì)電流信號轉(zhuǎn)化為液位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)示數(shù)獲取。

4.液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)操作方法[1]

(1)硬件系統(tǒng)操作

①設(shè)備牢靠插好三項(xiàng)插座；②打開交流穩(wěn)壓電源的漏電保護(hù)開關(guān)，使其工作2min后，正常提供220V交流電壓，電源箱的電源指示燈亮；③將水泵的水閥F1-1打開30°角，打開進(jìn)水閥F1-2；④將電源箱的按鍵開關(guān)按下接通，水泵通電啟動；⑤這時(shí)液位檢測罐開始進(jìn)水，手動控制進(jìn)水閥F1-2與回水閥F2-1，穩(wěn)定檢測位置；⑥通過手動控制進(jìn)水量，選擇檢測點(diǎn)位置，0%、25%、50%、75%、100%上行程和下行程；⑦壓力標(biāo)準(zhǔn)器（0.05級）與標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器（0.075級），作為標(biāo)準(zhǔn)器。

(2)軟件系統(tǒng)操作

①打開交流穩(wěn)壓電源的漏電保護(hù)開關(guān)，使其工作2min后，正常提供220V交流電壓，電源箱的電源指示燈亮；電源箱中的可編程控制器S7-1200 PLC及模塊上電工作；②連接好物聯(lián)網(wǎng)通訊網(wǎng)線，使可編程控制器S7-1200 PLC與計(jì)算機(jī)主機(jī)相聯(lián)接；③連接好后，啟動計(jì)算機(jī)安裝好的圖標(biāo)，進(jìn)入組態(tài)編程界面；④點(diǎn)擊圖標(biāo)計(jì)算機(jī)進(jìn)入自動檢測校準(zhǔn)界面；⑤計(jì)算機(jī)自動檢測校準(zhǔn)界面上自動顯示：罐內(nèi)溫度、濕度、絕緣電阻、耐壓值及檢測點(diǎn)位置，0%、25%、50%、75%、100%上行程和下行程等參數(shù)；⑥自動計(jì)算出最大誤差、回差，并在界面上設(shè)置兩個(gè)開關(guān)，更方便顯示和反復(fù)操作。

5.液位計(jì)檢測校準(zhǔn)示值誤差（計(jì)算機(jī)自動顯示）[2]

(1)液位計(jì)示值的最大允許誤差有兩種表示方式

①示值的最大允許誤差為±α%FS

其中：α可以是0.01、0.02、(0.03)、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5；

FS為液位計(jì)的量程，mm或cm。

②示值的最大允許誤差為±N

其中：N為直接用長度單位表示的最大允許誤差，mm或cm，可在0.5、1、2、5、10、20、50中選取。

(2)輸出值誤差

具有信號輸出功能的液位計(jì)，輸出值最大允許誤差應(yīng)不超過輸出量程的±C%FS。其中：C可以是O.05、O.1、O.2、O.5、1.0、1.5、2.0、2.5；

FS為液位計(jì)輸出值的量程，mA或V。

(3)回差

液位計(jì)示值和輸出值的回差應(yīng)不超過其最大允許誤差的絕對值。

(4)設(shè)定點(diǎn)誤差

具有位式控制的液位計(jì)，其設(shè)定點(diǎn)誤差限為±α’%FS或（±N'）。

其中：α’可以是O.1、O.2、O.5、1.0、1.5、2.0、2.5；

N’為直接用長度單位表示的最大允許誤差，mm或cm。

(5)切換差

具有位式控制的液位計(jì)，切換差應(yīng)不超過設(shè)定點(diǎn)誤差限絕對值的2倍。

表2 標(biāo)準(zhǔn)儀器及配套設(shè)備

液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)設(shè)備屬于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，是液位計(jì)檢定工作必不可少的主要設(shè)備，具有較好的實(shí)用價(jià)值，對液位計(jì)檢測技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動作用。同時(shí)裝置具有成本低、操作簡便、準(zhǔn)確度高、適應(yīng)性廣、針對性強(qiáng)、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合在全行業(yè)甚至全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)設(shè)備經(jīng)過了長時(shí)間的重復(fù)性和穩(wěn)定性考核，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，符合JJG 971-2019《液位計(jì)》對檢定設(shè)備的要求，能夠滿足各種類型液位計(jì)的檢定，取得良好的效果。特別是提高了檢定過程的自動化程度和檢定效率，降低了勞動強(qiáng)度。同時(shí)，也減少了人為操作對檢定結(jié)果的影響，提高了檢定的準(zhǔn)確度。

圖2 自動顯示檢測校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

6.結(jié)束語

化工工藝生產(chǎn)中液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)設(shè)備屬于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，是液位計(jì)檢定工作必不可少的主要設(shè)備，具有較高的先進(jìn)性及實(shí)用價(jià)值。同時(shí)液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置研制，具有操作簡便、準(zhǔn)確度高、針對性強(qiáng)、使用方便、自動計(jì)算顯示等優(yōu)點(diǎn)，適合在全檢定校準(zhǔn)行業(yè)乃至推廣到全國范圍內(nèi)應(yīng)用。

經(jīng)調(diào)研與研究，新開發(fā)裝置與原有的裝置對比，實(shí)現(xiàn)了自動化檢定過程，檢定時(shí)間縮短了3/4，準(zhǔn)確度提高1倍。同時(shí)實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控、自動檢定、數(shù)據(jù)采集、自動計(jì)算、精準(zhǔn)檢測、參數(shù)處理等功能，具有操作人為干預(yù)少、檢定校準(zhǔn)效率高、檢測結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢的液位計(jì)自動檢測校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對各種類型液位開關(guān)及液位計(jì)的檢測校準(zhǔn)。具有良好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。