新型金屬量器標準裝置的研制

周 艷，李 寧，向德華

(湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙 410014)

0 引言

標準金屬量器是用于液體和氣體體積量值傳遞的重要計量器具，被廣泛應用于石油化工等行業[1]。一等金屬量器與被檢金屬量器按照容量比較法檢測過程要求，試驗室環境溫度范圍為(20±5)℃，環境溫度與水溫之差不超過±5 ℃[2]，一般采用人工手動控制三通閥。通過游標刻線與凹液面的最低端相重合，讀取一等金屬量器的標稱液位高度[3]。整個測量過程既耗時又費力，工作效率不高，測量準確性和重復性受人為因素影響較大。

國內有很多學者對標準金屬量器自動化改造進行了研究。陳文琳[4]等設計了三等金屬量器自動進出水系統；黃雪蓮[5]設計了自動進出水的汽車油罐容量自動檢定系統；呂研[6]等設計了用于在線液(油)體流量計的檢測系統；張海鵬等[7]提出了標準金屬量器液位頭像識別裝置；劉曉偉等[8]提出了基于圖像傳感器的測量技術實現液位測量的方法；尹義海等[9]提出了適用于二等標準金屬量器的溢流液位可調控系統。上述研究僅局限于二等及以下標準金屬量器，且大多只涉及標準金屬量器的局部改進。

本文設計了一種新型金屬量器標準裝置，用于恒定一等金屬量器液位，自動控制進出水，精確控制環境溫度與水溫的溫差。該裝置實現了一等金屬量器標準裝置量值傳遞過程自動化控制，提高了檢測重復性、復現性。

1 裝置結構

本裝置結構設計是在一等金屬量器標準裝置原有基本組成的基礎上，加裝浮子式液位計、防水步進電機、電磁閥、微型隔膜泵、支架板、套管、溫度變送器、軸流風機等部件。標準裝置結構示意圖如圖1所示。

圖1 標準裝置結構示意圖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

一等金屬量器標準裝置計量頸液位控制是整個裝置的技術核心。在溢流罩上方放置一個支架板，中間打孔固定和支架板相同厚度且內壁有螺紋的套管，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量頸標稱容積值所對應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量頸；另一端連接微型隔膜泵，當注入一等金屬量器罐內水位達到設定液位高度時，開啟隔膜泵的抽水功能。套管內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調節合適的高度。液位恒定控制系統截面示意圖如圖3所示。

圖3 液位恒定控制系統截面示意圖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分別安裝一個浮子式液位計，以便根據實際需要調整和控制放液補水的液位高度。

一等金屬量器底端設計采用現有三通閥連接防水步進電機，可實現三通閥的進液、關閉、放液三個位置的自動控制。

在試驗室，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，以便對環境溫度、高位水箱水溫和罐體水溫進行實時監控。為使試驗室內部空間溫度更加均衡，地面放置兩臺軸流風機。

2 控制系統設計

控制系統設計需要考慮控制測量的流程、檢測方法、開關輸出、脈沖輸出、鉑電阻信號等因素。系統采用模塊架構，實現對一等金屬量器標準裝置的檢定過程邏輯控制、過程控制以及數據采集。控制系統原理框圖如圖4所示。

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

控制系統可實時監測并記錄高位水箱水溫、環境溫度以及標準金屬量器罐內水溫。溫度控制設計的目標是在測量過程中，將環境溫度、水箱水溫和罐內水溫之差控制在±1 ℃以內。當溫度不均衡時，裝置將自動開啟軸流風機運轉。溫度變送器采用同品牌、同型號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。可編程邏輯控制器設置有等溫修正程序，在溫度環境穩定的狀態下，可對溫度變送器零點進行修正。

為避免高位水箱在進水和排水過程中出現溢水或缺水現象，在水箱的底部安裝一個浮子式液位計[10-11]。若水箱處于低液位，則控制系統自動開啟電磁閥注水，直至水箱設定的高液位。在檢測過程中，當注入的水升至一等金屬量器計量頸時，液位上升速度會很快。為避免液面外溢，在溢流罩內安裝浮子液位計。控制系統設有溢流水位值，當液面達到溢流水位時，控制系統自動將三通閥置于停止位置。

三通閥通過聯軸器連接防水步進電機，進行三通閥的位置控制。步進驅動器控制角度可精確到0.5°以內，可避免發生開關閥門不到位的情況。

原一等金屬量器計量頸液位控制采用人工讀數和微調閥門進行液位調整，新型標準裝置控制系統采用不銹鋼管搭配工業級微型隔膜水泵自動完成液位調整，隔膜泵設定的抽水流量為2.5 L/min左右。

考慮試驗室濕度大，控制系統采用工業級器件，現場設有人機界面觸摸屏，向下通過RS-422工業總線連接控制器，向上通過局域網連接辦公系統，可自動生成原始記錄。控制系統結構如圖5所示。

圖5 控制系統結構圖Fig.5 Structure diagram of control system

3 軟件系統設計

一等金屬量器標準裝置自動控制系統的測量程序流程如圖6所示。

圖6 測量程序流程圖Fig.6 Flow chart of measurement procedure

標準裝置按給定流程，完成高位水箱補水、放液，控制各個閥門啟停，采集和判斷環境溫度、水箱溫度和罐內水溫。一旦金屬量器進液、放液，微型隔膜泵啟停。最后，將測量數據上傳到上位機進行數據處理和儲存。

4 驗證

4.1 溫度控制驗證

為驗證溫度控制的必要性，在試驗室環境溫度、水溫處于在控溫(環境溫度與水溫的溫差≤±1 ℃)和不控溫(環境溫度與水溫的溫差在±5 ℃以內)的條件下，對同一臺50 L二等標準金屬量器液位高度值進行六次測量。溫差試驗數據如表1所示。

表1 溫差試驗數據Tab.1 Temperature difference test data

從表1可知，在測量過程中，環境溫度、水箱水溫和罐內水溫的溫差值越小，被檢金屬量器液位高度值測量的重復性就越好。因此，必須對檢定環境以及水溫進行精確控制。

4.2 復現性驗證

4.2.1 一等金屬量器液位值復現性

一等金屬量器注水的過程中，當液面達到溢流水位時，控制系統自動將三通閥置于停止位置，在預留的液面平衡等待時間之后，控制系統自動開啟微型隔膜泵抽水。為驗證抽水后一等金屬量器計量頸液位恒定值的復現性，設計在一個月內，分別對同一臺20 L和50 L一等金屬量器的液位恒定值各進行6組復現性試驗，每組測量次數為3次。在測量過程中，環境溫度、水箱水溫和罐內水溫之差不超過±1 ℃。液位高度復現性測量數據如表2所示。

表2 液位高度復現性測量數據Tab.2 Reproducibility measurement data of level height

從表2可知，20 L和50 L一等金屬量器一個月內液位恒定值測量的最大差值為0.04 mm，誤差在讀數游標卡尺兩倍最小分度值以內。這就表明，新型金屬量器標準裝置恒定液位的方法切實可行，滿足一等金屬量器準確度要求，一等金屬量器液位恒定值的復現性得到驗證。

4.2.2 一等金屬量器標準裝置復現性

微型隔膜泵抽水完成后，控制系統自動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，滴流2 min后，觀測并記錄液位高度。為驗證一等金屬量器標準裝置的復現性，一個月內，分別對同一臺20 L和50 L二等金屬量器的液位高度各進行六組復現性試驗。每組測量次數為三次。在測量過程中，環境溫度、水箱水溫和罐內水溫之差不超過±1 ℃。標準裝置復現性測量數據如表3所示。

表3 標準裝置復現性測量數據Tab.3 Reproducibility measurement data of standard device

從表3可知，20 L二等金屬量器一個月內液位高度測量的最大差值為0.66 mm,50 L二等金屬量器一個月內液位高度測量的最大差值為0.46 mm，滿足二等金屬量器準確度要求。一等金屬量器標準裝置的復現性得到驗證。

4.3 不同裝置對比

為驗證新型金屬量器標準裝置相對于傳統的標準裝置測量重復性的提升，設計了兩組試驗，采用傳統人工讀數測量方式和新型金屬量器標準裝置，分別對同一臺20 L和50 L的二等金屬量器各進行10次計量頸液位高度的重復性測量。20 L、50 L二等金屬量器用不同測量方法測量結果對比分別如表4和表5所示。

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

5 結論

新型一等金屬量器標準裝置能實現操作自動化，精確控制試驗室環境溫度與水溫的差值，恒定一等金屬量器液位高度，大幅提升了測量準確度，降低了勞動強度，提高了工作效率。