一種壓力變送器在線計量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

雷 威,周耀兵,程舟濟(jì),潘永軍,華鍇瑋

（武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢 430064）

引言

船舶某系統(tǒng)在運行過程中有大量關(guān)鍵參數(shù)需要實時監(jiān)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(yīng)了該系統(tǒng)的運行狀態(tài),同時該系統(tǒng)通過采集上述壓力作為輸入?yún)?shù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。只有精確采集各關(guān)鍵參數(shù),才能精準(zhǔn)控制各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作,進(jìn)而保證任務(wù)成功。壓力變送器作為關(guān)鍵參數(shù)的測量設(shè)備,其準(zhǔn)確度及精度直接關(guān)系到任務(wù)的成敗以及船舶系統(tǒng)的安全[1]。為了保證壓力變送器測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,特別是長期的穩(wěn)定性和應(yīng)對各種工作環(huán)境的能力,必須對壓力變送器開展定期計量[2]。

根據(jù)船舶某系統(tǒng)精度要求,該系統(tǒng)壓力變送器需要每半年進(jìn)行一次計量。目前該系統(tǒng)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(tǒng)斷開,然后通過對現(xiàn)場壓力變送器打壓,人工抄錄標(biāo)準(zhǔn)壓力表和現(xiàn)場壓力變送器壓力,人為判斷壓力變送器是否滿足計量標(biāo)準(zhǔn)要求。計量過程中人為操作環(huán)節(jié)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(zhǔn)確率,有必要開發(fā)一套壓力變送器在線計量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 功能及性能指標(biāo)

根據(jù)船舶某系統(tǒng)壓力變送器現(xiàn)場計量需求,壓力變送器自動在線計量系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：

a. 具備壓力變送器參數(shù)設(shè)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(xiàn)場輸出計量報告的功能。性能指標(biāo)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(tǒng)組成

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

圖1 壓力變送器在線計量系統(tǒng)原理

1.2.1 電源模塊

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

1.2.2 壓力校驗儀

壓力校驗儀主要由內(nèi)部壓力控制器、內(nèi)置電動壓力泵以及內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊組成。內(nèi)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(jī)的控制信息,按照指定的壓力檢定點控制內(nèi)置電動壓力泵進(jìn)行加壓,為內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊以及現(xiàn)場壓力變送器提供壓力源。同時內(nèi)部壓力控制器能夠采集內(nèi)部壓力變送器以及標(biāo)準(zhǔn)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(jī)。

1.2.3 加固計算機(jī)

加固計算機(jī)根據(jù)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(nèi)置壓力泵加壓至指定壓力,為標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊以及現(xiàn)場壓力變送器提供壓力源。同時接收壓力校驗儀采集的標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊壓力值和現(xiàn)場壓力變送器壓力值。系統(tǒng)軟件根據(jù)設(shè)定的算法計算壓力變送器的各項誤差,并給出計量結(jié)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(xiàn)場壓力變送器的計量接口,為現(xiàn)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(jī)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(jī)以及壓力變送器通訊。圖2 為壓力變送器在線計量系統(tǒng)對測量系統(tǒng)進(jìn)行計量校準(zhǔn)示意圖。

圖2 系統(tǒng)對測量系統(tǒng)計量校準(zhǔn)示意

2 軟件設(shè)計說明

壓力變送器在線自動計量系統(tǒng)的軟件部分運行于加固計算機(jī),主要用于對計量過程數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)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(shù)設(shè)置模塊

用戶在對壓力變送器進(jìn)行計量之前,需要將壓力變送器規(guī)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(tǒng)內(nèi),系統(tǒng)將上述信息記錄下來,并為該壓力變送器建立數(shù)據(jù)文檔。

2.2 實時通信模塊

系統(tǒng)根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)壓力模塊以及現(xiàn)場壓力變送器壓力值。

2.3 自動計量模塊

系統(tǒng)根據(jù)壓力變送器的參數(shù)自動選取計量點的個數(shù),計算理論輸出值。控制壓力校驗儀進(jìn)行升壓、降壓到各計量點,依據(jù)相關(guān)檢定規(guī)程編制數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果處理模塊

系統(tǒng)根據(jù)“變送器計量模塊”計算的各項誤差,自動生成計量結(jié)果,同時將計量結(jié)果存儲至“變送器參數(shù)設(shè)置模塊”為該壓力變送器建立的數(shù)據(jù)文檔,供后續(xù)查閱。并根據(jù)用戶需求打印生成計量報告。

2.5 結(jié)果查閱分析模塊

用戶可對歷史計量信息進(jìn)行查閱,并對計量信息進(jìn)行分析。選定某次計量,系統(tǒng)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(tǒng)能夠?qū)毫ψ兯推鞯臍v史計量系統(tǒng)進(jìn)行分析,如歷次計量誤差變化趨勢、壓力變送器長期測量穩(wěn)定性等。圖4為軟件層次化設(shè)計示意圖。

圖4 軟件層次化設(shè)計示意

3 使用流程

壓力變送器自動在線計量系統(tǒng)的使用步驟如下：

a. 系統(tǒng)初始化,電源模塊開始供電,加固計算機(jī)進(jìn)入軟件并開始初始化,壓力校驗儀開機(jī)初始化,現(xiàn)場測量系統(tǒng)開機(jī)為壓力變送器供電,系統(tǒng)各閥門準(zhǔn)備完畢；

b. 設(shè)置系統(tǒng)通訊信息,按照壓力校驗儀與工控計算機(jī)的通信協(xié)議設(shè)置系統(tǒng)通訊信息,壓力校驗儀分別與工控計算機(jī)、壓力變送器建立通訊,工控計算機(jī)與艇上測量系統(tǒng)建立通訊；

c. 輸入壓力變送器信息,用戶系統(tǒng)將壓力變送器規(guī)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(tǒng)內(nèi),系統(tǒng)為該壓力變送器建立數(shù)據(jù)文檔；

d. 壓力變送器計量,壓力校驗儀根據(jù)工控計算機(jī)傳輸?shù)膲毫c進(jìn)行打壓,系統(tǒng)計算壓力校驗儀傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)壓力值與壓力測量系統(tǒng)的測量值是否滿足計量要求；

e. 計量結(jié)果分析,如果該壓力變送器滿足計量要求,則進(jìn)入步驟g,存儲計量結(jié)果同時根據(jù)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(jìn)入步驟f,存儲計量結(jié)果；

f. 壓力變送器校準(zhǔn),根據(jù)提交的壓力變送器的型號,系統(tǒng)選擇不同的校準(zhǔn)方式,提示用戶如何進(jìn)行校準(zhǔn)操作,校準(zhǔn)完成后重復(fù)d；

g. 計量結(jié)束后,斷開各設(shè)備電源、通訊電纜以及管路連接,系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。

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(tǒng)進(jìn)行船舶某系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)電流,使用精度為0.25%。根據(jù)壓力變送器檢定規(guī)程,檢定點的選取應(yīng)按照量程均勻分布,一般應(yīng)包括上限值、下限值(或其附近10%輸入量程以內(nèi)) 在內(nèi)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(shù)據(jù)見表1。

表1 壓力變送器計量記錄

根據(jù)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(guī)程的要求；表1 中最大回程誤差0.002 mA,滿足檢定規(guī)程的要求,符合0.25 級[5-6]。

5 結(jié)論

本研究分析船舶某系統(tǒng)壓力變送器在線計量的使用需求,設(shè)計了一種壓力變送器自動在線計量系統(tǒng),并對系統(tǒng)各硬件部分的功能以及各軟件功能模塊進(jìn)行了介紹,然后對系統(tǒng)的使用方法進(jìn)行介紹。最后通過計量試驗表明,該在線計量自動系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(yè)現(xiàn)場壓力變送器的計量,可大大提高壓力變送器計量效率。