制絲流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置研究與應(yīng)用

朱 敏 劉加樹(shù)

（1、山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，山東 青島266000 2、華東交通大學(xué)理工學(xué)院，江西 南昌330000 3、安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠233000）

1 概述

質(zhì)量流量計(jì)需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)，按照中國(guó)煙草總公司《卷煙加工設(shè)備工藝性能點(diǎn)檢技術(shù)指南》和廠級(jí)管理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，要求質(zhì)量流量計(jì)每年定期溯源，重點(diǎn)工序（加香、加料工序）質(zhì)量流量計(jì)每月進(jìn)行計(jì)量驗(yàn)證。企業(yè)現(xiàn)有流量計(jì)的定期溯源采用委外校準(zhǔn)方式進(jìn)行，每次校準(zhǔn)或檢定一般需要給質(zhì)量流量計(jì)拆下送到專(zhuān)業(yè)計(jì)量單位校準(zhǔn)或檢定。也有采用現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)方式，現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)采用容積法、比對(duì)法和稱(chēng)重法三種方法。容積法需要拆下被檢測(cè)質(zhì)量流量計(jì)裝到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)管路裝置中，利用試管容積體積和流量計(jì)累計(jì)量進(jìn)行比對(duì)。采用比對(duì)法時(shí)標(biāo)準(zhǔn)精密流量計(jì)和在線流量計(jì)口徑量程的不同都會(huì)影響到比對(duì)的精度。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)一般使用電子天平和計(jì)時(shí)器，需要借用在線流量計(jì)輔連的管道和關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)，校準(zhǔn)時(shí)需要采用現(xiàn)場(chǎng)人工計(jì)時(shí)，電子天平稱(chēng)重的方式，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些較大的測(cè)量誤差，同時(shí)對(duì)水流量的流量范圍很難進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法對(duì)流量計(jì)線性進(jìn)行全量程校準(zhǔn)。

下表是三種方法校準(zhǔn)精度和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表。

序號(hào) 方法 具體內(nèi)容 校準(zhǔn)精度 優(yōu)缺點(diǎn) 1 容積法 2 比對(duì)法 3 稱(chēng)重法 將被檢流量計(jì)安裝到試驗(yàn)管路中,利用試管容積體積和流量計(jì)累計(jì)量進(jìn)行比對(duì)。 0.50% 需要拆卸流量計(jì),送檢或校準(zhǔn)部分來(lái)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),精度低。 將被檢流量計(jì)安裝到有高精度標(biāo)準(zhǔn)表管路中,利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)累計(jì)量和被檢流量計(jì)累計(jì)量進(jìn)行比對(duì)。 0.10% 需要拆卸流量計(jì),不同口徑,不同流量計(jì)需要不同的高精度標(biāo)準(zhǔn)表,精度一般。 將被檢流量計(jì)到稱(chēng)重容器中,對(duì)稱(chēng)重容器水的重量稱(chēng)重,利用流量計(jì)累計(jì)量和水質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)。 0.1%-0.01% 不需要拆卸流量計(jì),需要高精度電子天平進(jìn)行稱(chēng)重。精度高。

2 流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則是不拆卸在線質(zhì)量流量計(jì)就能在線校準(zhǔn)。校驗(yàn)裝置具有流量控制系統(tǒng)，流量可調(diào)范圍（0～200）kg/h，穩(wěn)態(tài)時(shí)瞬時(shí)流量波動(dòng)不大于±5%。校驗(yàn)裝置自身帶有電控系統(tǒng)。校準(zhǔn)精度滿足0.5%煙草加工工藝精度要求。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置電控系統(tǒng)圖

PLC 選用西門(mén)子S7-300,CPU 型號(hào)選用CPU315-2PN/DP,電源選用PS307，數(shù)字量DI 選用321 系列,數(shù)字量DO 選用322 系列，模擬量AI 選用331 系列，模擬量AO 選用332 系列，高速計(jì)算模塊選用FM350 系列，外加變頻器和操作屏等組成。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械類(lèi)由計(jì)量泵、水箱、電磁三通閥、手動(dòng)閥、節(jié)流閥、不銹鋼球閥、不銹鋼快裝接頭組成。水箱要求儲(chǔ)水量大于25L，設(shè)注水口、水泵接口、校驗(yàn)回流口、自循環(huán)回流口及排污口。與水泵連接管路、回流管均采用采用DN15 卡箍式快裝接頭，排污口設(shè)計(jì)DN25 手動(dòng)排污閥。本裝置結(jié)構(gòu)上主要由柜體、臺(tái)面、水箱、循環(huán)系統(tǒng)部件及管路、在線流量計(jì)連接軟管等組成。

測(cè)量設(shè)備主要有壓力表、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、稱(chēng)重儀器。稱(chēng)重儀器選用電子天平，電子天平量程為50kg，檢定分度值為2g。

3 工作原理

3.1 自循環(huán)系統(tǒng)

打開(kāi)移動(dòng)式流量控制裝置電源，系統(tǒng)啟動(dòng)后，點(diǎn)擊操作屏裝置電控系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，標(biāo)準(zhǔn)精密質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)口三通閥切換到計(jì)量泵和水箱相通狀態(tài)，電控系統(tǒng)按照監(jiān)控操作屏設(shè)定頻率送給變頻器，由變頻器控制計(jì)量泵運(yùn)行速度，計(jì)量泵從水箱抽出的循環(huán)水流經(jīng)電磁三通閥，再經(jīng)自循環(huán)回流管路直接回流到水箱。節(jié)流閥作用為調(diào)節(jié)計(jì)量泵的出口水流速，防止小流量情況下變頻器的低頻率運(yùn)行。壓力表能監(jiān)測(cè)管路壓力。

圖2 流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)控制圖

3.2 稱(chēng)重法校準(zhǔn)

需要把在線流量計(jì)累積量信號(hào)接入電控PLC 高速計(jì)數(shù)模塊中，在線流量計(jì)累積量是通過(guò)電控PLC 進(jìn)行計(jì)算。校準(zhǔn)流量點(diǎn)選擇及要求。校準(zhǔn)流量點(diǎn)為接近實(shí)際工作條件下的流量點(diǎn)，校準(zhǔn)次數(shù)不少于3 次。如果條件允許可分別在流量點(diǎn)上、下各增加一個(gè)校準(zhǔn)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)校準(zhǔn)次數(shù)不少于3 次。

用實(shí)際測(cè)量物料或水倒入移動(dòng)式流量控制裝置水箱，接料容器放在電子天平上。關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備系統(tǒng)中在線流量計(jì)工作管路前后手閥，使用2 根軟管把移動(dòng)式流量控制裝置流出、流入快接頭和在線質(zhì)量流量計(jì)管道校準(zhǔn)管道上的流入、流出快接頭進(jìn)行對(duì)接，打開(kāi)在線流量計(jì)和移動(dòng)式流量控制裝置的連通手閥。啟動(dòng)移動(dòng)式流量控制裝置自循環(huán)系統(tǒng)，觀察其自身系統(tǒng)是否工作正常，管道、接頭是否有泄露，觀察液體流入接料容器電子天平稱(chēng)重是否正常。啟動(dòng)移動(dòng)式流量控制裝置泵，給校準(zhǔn)前流量計(jì)管道中充滿水，使得水流入稱(chēng)重系統(tǒng)的接料容器，停止移動(dòng)式流量控制裝置泵。流量計(jì)零點(diǎn)的校驗(yàn)，使流過(guò)流量計(jì)的流量為零，觀察讀取流量計(jì)的是否為0 示值。啟動(dòng)泵，調(diào)整泵的速度，使得流量達(dá)到所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)流量值附近。稱(chēng)重水箱下的電子天平進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，電子天平通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸把水實(shí)時(shí)重量傳輸?shù)诫娍豍LC。標(biāo)準(zhǔn)精密質(zhì)量流量計(jì)水流量值通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娍豍LC，電控系統(tǒng)通過(guò)PID 閉環(huán)控制變頻器的頻率，變頻器控制計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制水流量值達(dá)到設(shè)定的流量值。

當(dāng)水流達(dá)到設(shè)定的流量值穩(wěn)態(tài)后，啟動(dòng)監(jiān)控操作屏稱(chēng)重校準(zhǔn)按鈕，PLC 自動(dòng)記錄開(kāi)始計(jì)算電子天平和在線流量計(jì)流過(guò)水累計(jì)量，當(dāng)累積量達(dá)到要求時(shí)，PLC 自動(dòng)記錄在線流量計(jì)累積量的測(cè)量值和電子天平累積量。標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)流量值不變，當(dāng)下一次累積量達(dá)到要求時(shí)，記錄在線流量計(jì)累積量的測(cè)量值和電子天平累積量的標(biāo)準(zhǔn)值，重復(fù)次數(shù)不少于3 次。通過(guò)計(jì)算現(xiàn)累計(jì)量和初始值累計(jì)量的差值計(jì)算此流量點(diǎn)的精度。調(diào)整泵的速度，使得流量達(dá)到所設(shè)定的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)流量值且流量穩(wěn)定，重復(fù)上述工作。通過(guò)比對(duì)電子天平水的稱(chēng)重量平均值和在線流量計(jì)水的累積量平均值之間的誤差來(lái)判斷在線流量計(jì)精度是否在誤差范圍內(nèi)。

3.3 比對(duì)法校準(zhǔn)

比對(duì)法校準(zhǔn)和稱(chēng)重法校準(zhǔn)原理不同，比對(duì)法要求高，不同的測(cè)量范圍需要不同的標(biāo)準(zhǔn)精密質(zhì)量流量計(jì)，一般只用于計(jì)量單位鑒定質(zhì)量流量計(jì)使用。采用現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)法校準(zhǔn)，需要每次更換流量計(jì)在線校準(zhǔn)裝置中標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)匹配度的流量計(jì)測(cè)量范圍應(yīng)匹配。比對(duì)校準(zhǔn)前，把在線流量計(jì)累積量脈沖信號(hào)接入電控PLC 高速計(jì)數(shù)模塊，通過(guò)電控PLC 計(jì)算高速計(jì)數(shù)模塊脈沖信號(hào)，計(jì)算在線流量計(jì)的累積量。

先把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備系統(tǒng)中在線流量計(jì)工作管路前后手閥關(guān)閉，使得在線流量計(jì)管路和設(shè)備系統(tǒng)中管路截止，在使用兩根軟管把在線流量計(jì)校準(zhǔn)裝置的進(jìn)、出管路和設(shè)備中的在線質(zhì)量流量計(jì)接通。在監(jiān)控操作屏上設(shè)定流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)的水流量值，當(dāng)按下比對(duì)啟動(dòng)按鈕，齒輪泵與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)相通，在線流量計(jì)與水箱相通。齒輪泵從水箱抽出的水流經(jīng)電磁三通閥、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)、手動(dòng)閥、在線流量計(jì)、手動(dòng)閥、電磁三通閥流回到水箱。標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)的水流量值通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋到電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)通過(guò)PID 閉環(huán)控制變頻器的頻率，當(dāng)水流達(dá)到設(shè)定的流量值穩(wěn)態(tài)后，啟動(dòng)監(jiān)控操作屏稱(chēng)重校準(zhǔn)按鈕，PLC 自動(dòng)記錄開(kāi)始計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)和在線流量計(jì)流過(guò)水累計(jì)量，當(dāng)累積量達(dá)到要求時(shí)，PLC 自動(dòng)記錄在線流量計(jì)累積量的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)累積量，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)流量值不變，當(dāng)下一次累積量達(dá)到要求時(shí)，記錄在線流量計(jì)累積量的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)累積量的標(biāo)準(zhǔn)值，重復(fù)次數(shù)不少于3 次。通過(guò)計(jì)算現(xiàn)累計(jì)量和初始值累計(jì)量的差值計(jì)算此流量點(diǎn)的精度。調(diào)整齒輪泵的速度，使得流量達(dá)到所設(shè)定的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)流量值且流量穩(wěn)定，重復(fù)上述工作。通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)的累積量平均值和在線流量計(jì)水的累積量平均值之間誤差值來(lái)判別在線流量計(jì)精度是否在誤差范圍內(nèi)。

4 精度計(jì)算

流量計(jì)示值誤差計(jì)算

式中：Eij——第i 校準(zhǔn)點(diǎn)示值相對(duì)誤差；n——校準(zhǔn)次數(shù)。

流量計(jì)重復(fù)性計(jì)算

5 結(jié)論

在線流量計(jì)校準(zhǔn)裝置，該裝置精度高、流量范圍寬、靈活性強(qiáng)，由于在線校準(zhǔn)裝置中有標(biāo)準(zhǔn)精密質(zhì)量流量計(jì)，使得該裝置又具有在線比對(duì)校準(zhǔn)功能，這樣在線流量計(jì)校準(zhǔn)具有比對(duì)校準(zhǔn)和稱(chēng)重校準(zhǔn)雙重功能，能快捷、方便對(duì)在線電磁流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。