一種壓力變送器在線計量系統的設計與應用

雷 威,周耀兵,程舟濟,潘永軍,華鍇瑋

（武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430064）

引言

船舶某系統在運行過程中有大量關鍵參數需要實時監測,如容器壓力、海水壓力、水艙壓力、液壓油壓力等,這些壓力一方面反應了該系統的運行狀態,同時該系統通過采集上述壓力作為輸入參數對系統進行控制。只有精確采集各關鍵參數,才能精準控制各分系統協調動作,進而保證任務成功。壓力變送器作為關鍵參數的測量設備,其準確度及精度直接關系到任務的成敗以及船舶系統的安全[1]。為了保證壓力變送器測量的準確度和穩定性,特別是長期的穩定性和應對各種工作環境的能力,必須對壓力變送器開展定期計量[2]。

根據船舶某系統精度要求,該系統壓力變送器需要每半年進行一次計量。目前該系統壓力變送器采用人工的方式完成,首先將壓力變送器與測量系統斷開,然后通過對現場壓力變送器打壓,人工抄錄標準壓力表和現場壓力變送器壓力,人為判斷壓力變送器是否滿足計量標準要求。計量過程中人為操作環節多,對計量人員要求較高,同時工作效率較低,容易引入人為誤差[3-4]。為了提高計量工作效率和準確率,有必要開發一套壓力變送器在線計量系統。

1 系統介紹

1.1 功能及性能指標

根據船舶某系統壓力變送器現場計量需求,壓力變送器自動在線計量系統應具備如下功能：

a. 具備壓力變送器參數設置功能；

b. 具備自動選取壓力變送器檢定點的功能；

c. 具備控制壓力校驗儀自動供壓功能；

d. 具備實時采集壓力變送器壓力功能；

e. 具備實時對壓力變送器計量功能；

f. 具備自動生成計量日志及計量報告；

g. 具備現場輸出計量報告的功能。性能指標如下：

a. 可計量的壓力變送器精度：0.25%；

b. 可計量的壓力變送器量程：0～2 MPa。

1.2 系統組成

壓力變送器在線計量系統主要由電源模塊、壓力校驗儀、加固計算機、壓力連接管路及接頭、專用電纜、打印機等組成。考慮到系統高可靠性、高集成度、裝卸方便等特點,系統硬件部分盡量選擇市場成熟產品。壓力變送器在線自動計量系統主要用于對船舶某系統壓力變送器進行在線計量,具備對計量結果顯示、記錄、分析的能力,同時能夠打印計量報告。系統原理圖見圖1。

圖1 壓力變送器在線計量系統原理

1.2.1 電源模塊

電源模塊將220 V 50 Hz 電源轉換為工控計算機以及壓力校驗儀可使用電源。一般情況下,工控計算機以及壓力校驗儀可使用內置電池進行供電。在工控計算機以及壓力校驗儀電池電量不足時,可使用電源模塊對其進行充電,電源模塊具有過壓、欠壓、過流保護功能。

1.2.2 壓力校驗儀

壓力校驗儀主要由內部壓力控制器、內置電動壓力泵以及內置標準壓力模塊組成。內部壓力控制器作為壓力校驗儀的核心部分,能夠通過通信接口接收加固計算機的控制信息,按照指定的壓力檢定點控制內置電動壓力泵進行加壓,為內置標準壓力模塊以及現場壓力變送器提供壓力源。同時內部壓力控制器能夠采集內部壓力變送器以及標準壓力模塊壓力值,并通過通信接口將采集的壓力值實時傳輸給工控計算機。

1.2.3 加固計算機

加固計算機根據用戶輸入的壓力變送器信息自動選取檢定壓力,將檢定壓力傳輸至壓力校驗儀,壓力校驗儀自動控制內置壓力泵加壓至指定壓力,為標準壓力模塊以及現場壓力變送器提供壓力源。同時接收壓力校驗儀采集的標準壓力模塊壓力值和現場壓力變送器壓力值。系統軟件根據設定的算法計算壓力變送器的各項誤差,并給出計量結果。

1.2.4 其他附件

壓力連接軟管及接頭連接壓力校驗儀和現場壓力變送器的計量接口,為現場壓力變送器提供壓力。

專用電纜主要包括供電電纜以及通訊電纜,電源模塊通過供電電纜對工控計算機以及壓力校驗儀供電,壓力校驗儀通過通訊電纜與工控計算機以及壓力變送器通訊。圖2 為壓力變送器在線計量系統對測量系統進行計量校準示意圖。

圖2 系統對測量系統計量校準示意

2 軟件設計說明

壓力變送器在線自動計量系統的軟件部分運行于加固計算機,主要用于對計量過程數據進行設置、顯示、處理和保存。軟件組成模塊見圖3。

圖3 軟件組成模塊

2.1 變送器參數設置模塊

用戶在對壓力變送器進行計量之前,需要將壓力變送器規格型號、量程、精度、計量日期、安裝位置等信息輸入到在線計量系統內,系統將上述信息記錄下來,并為該壓力變送器建立數據文檔。

2.2 實時通信模塊

系統根據用戶輸入的壓力變送器精度、量程等信息自動計算需計量的壓力點,通過實時通信模塊將該壓力值傳輸至壓力校驗儀,同時通過實時通信模塊接收壓力校驗儀采集的標準壓力模塊以及現場壓力變送器壓力值。

2.3 自動計量模塊

系統根據壓力變送器的參數自動選取計量點的個數,計算理論輸出值。控制壓力校驗儀進行升壓、降壓到各計量點,依據相關檢定規程編制數據分析處理程序,確定壓力變送器的示值曲線,對比各計量點處標準模塊壓力值與壓力變送器測量值,計算各項誤差,判斷壓力變送器各項誤差是否滿足要求。

2.4 計量結果處理模塊

系統根據“變送器計量模塊”計算的各項誤差,自動生成計量結果,同時將計量結果存儲至“變送器參數設置模塊”為該壓力變送器建立的數據文檔,供后續查閱。并根據用戶需求打印生成計量報告。

2.5 結果查閱分析模塊

用戶可對歷史計量信息進行查閱,并對計量信息進行分析。選定某次計量,系統能夠分析該次計量中,壓力變送器超差率。選定某壓力變送器,系統能夠將對壓力變送器的歷史計量系統進行分析,如歷次計量誤差變化趨勢、壓力變送器長期測量穩定性等。圖4為軟件層次化設計示意圖。

圖4 軟件層次化設計示意

3 使用流程

壓力變送器自動在線計量系統的使用步驟如下：

a. 系統初始化,電源模塊開始供電,加固計算機進入軟件并開始初始化,壓力校驗儀開機初始化,現場測量系統開機為壓力變送器供電,系統各閥門準備完畢；

b. 設置系統通訊信息,按照壓力校驗儀與工控計算機的通信協議設置系統通訊信息,壓力校驗儀分別與工控計算機、壓力變送器建立通訊,工控計算機與艇上測量系統建立通訊；

c. 輸入壓力變送器信息,用戶系統將壓力變送器規格型號、量程、精度、計量日期、安裝位置等信息輸入到在線計量系統內,系統為該壓力變送器建立數據文檔；

d. 壓力變送器計量,壓力校驗儀根據工控計算機傳輸的壓力點進行打壓,系統計算壓力校驗儀傳輸的標準壓力值與壓力測量系統的測量值是否滿足計量要求；

e. 計量結果分析,如果該壓力變送器滿足計量要求,則進入步驟g,存儲計量結果同時根據用戶需要打印計量報告；如果該壓力變送器不滿足計量要求,則進入步驟f,存儲計量結果；

f. 壓力變送器校準,根據提交的壓力變送器的型號,系統選擇不同的校準方式,提示用戶如何進行校準操作,校準完成后重復d；

g. 計量結束后,斷開各設備電源、通訊電纜以及管路連接,系統恢復初始狀態。

使用流程見圖5。

圖5 使用流程

4 計量實例

使用該自動在線計量系統進行船舶某系統壓力變送器計量試驗。被計量壓力變送器型號為羅斯蒙特3051 型,輸出信號為4～20 mA 標準電流,使用精度為0.25%。根據壓力變送器檢定規程,檢定點的選取應按照量程均勻分布,一般應包括上限值、下限值(或其附近10%輸入量程以內) 在內不少于5 個點[6],因此選擇的檢定點為0 kPa,125 kPa,250 kPa,375 kPa,500 kPa。檢定數據見表1。

表1 壓力變送器計量記錄

根據羅斯蒙特3051 型自身精度及允許壓力誤差可以得到：

示值誤差允許值：

回程誤差允許值為

表1 中最大示值誤差0.005 mA,滿足檢定規程的要求；表1 中最大回程誤差0.002 mA,滿足檢定規程的要求,符合0.25 級[5-6]。

5 結論

本研究分析船舶某系統壓力變送器在線計量的使用需求,設計了一種壓力變送器自動在線計量系統,并對系統各硬件部分的功能以及各軟件功能模塊進行了介紹,然后對系統的使用方法進行介紹。最后通過計量試驗表明,該在線計量自動系統實現數據的自動采集與計算,測量精度高,操作簡單,便于攜帶,適合工業現場壓力變送器的計量,可大大提高壓力變送器計量效率。