標準金屬量器自動控制裝置和檢定方法的研究

張 弦, 陸 科,韓 博,韓 聰,李 濤,謝昌隆

(1.遼寧省計量科學研究院,遼寧 沈陽 114000；2.遼寧省大容量計量站,遼寧 撫順 113000)

0 引言

標準金屬量器在容量計量中有著非常重要的作用，涉及民生、貿(mào)易結(jié)算等。標準金屬量器作為液體、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(yè)[1]。但實際檢定和應用中很多環(huán)節(jié)都有人工操作的干預。目前，國內(nèi)的金屬量器標準裝置一般采用容量比較法，存在操作繁瑣、工作效率低、自動化程度低的缺點。測量結(jié)果的準確度和重復性受人為讀數(shù)的影響較大。國內(nèi)很多從事相關(guān)研究的學者對金屬量器標準裝置進行改進：文獻[2]設(shè)計了基于視覺技術(shù)的金屬量器自動控制裝置[2]；文獻[3]改進了自動進出水金屬量器裝置[3]；文獻[4]～文獻[6]設(shè)計了自動檢定控制系統(tǒng)[4-6]；文獻[7]設(shè)計了泵吸式自動控制液位的裝置[7]。上述研究局限于進出水的控制，液位控制泵吸式對標稱容積液位改變時調(diào)整不夠精確。

本文設(shè)計了一種新型金屬量器標準裝置。該裝置能夠精確控制標稱容積的液位高度，自動控制進出水，實現(xiàn)了一等標準金屬量器裝置量值傳遞的自動控制。

1 國內(nèi)普遍金屬量器檢定裝置情況

目前，國內(nèi)普遍的標準金屬量器檢定裝置檢定過程一般為：①水通過下進液口注滿金屬量器；②調(diào)節(jié)手動微調(diào)閥門使液位高度達到標稱容積高度，關(guān)閉微調(diào)閥門；③通過排液口沿著管道將液體排到被檢量器中；④讀取相應的液位高度，從而計算被檢量器標稱容積的液位[8]。

在這個過程中，主要存在以下兩個問題。一是由于部分金屬量器體積較大，三通閥密封緊閉，搬動下進水口和排水口進行注水和排水時需較大力氣且操作空間狹小，給檢定金屬量器操作人員帶來困難。二是金屬量器檢定在空間位置上一般要求一等標準金屬量器在上、被檢金屬量器在下，標準器內(nèi)的水才能通過重力向下流動來完成檢定工作。在調(diào)整一等標準金屬量器計量頸液位高度以及標準器注水和排水操作過程中，由于單次檢定需要操作上、下兩臺金屬量器，所以每次操作人員需進行反復爬高；而在調(diào)整液位讀取數(shù)值時，由于人為因素的干擾，給檢定準確度和重復性帶來一定的影響。準確度、重復性和穩(wěn)定性是標準金屬量器的重要指標[9]?；谝陨蟽牲c檢定過程中的不便，本文設(shè)計了一種新型金屬量器標準裝置和一種新的檢定方法。

2 裝置自動控制改進與控制過程

以100 L標準金屬量器為例，標準金屬量器裝置改進后的整體結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 標準金屬量器裝置改進后的整體結(jié)構(gòu)

2.1 改進的主要結(jié)構(gòu)

裝置的改進主要是針對解決上述兩個問題：一是改進老式傳統(tǒng)的三通閥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自動控制；二是改進手動微調(diào)閥門結(jié)構(gòu)為微調(diào)閥門溢流裝置[10]，實現(xiàn)標稱容積液位的控制和調(diào)節(jié)。

2.2 改進的裝置結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 三通閥的結(jié)構(gòu)

三通閥結(jié)構(gòu)由原來的老式三通閥門改為電機加減速器帶動蝸桿、齒輪轉(zhuǎn)動，再帶動三通閥門轉(zhuǎn)動的新型三通閥門結(jié)構(gòu)。

電動三通閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動三通閥結(jié)構(gòu)

由圖2可知，齒輪通過螺栓固定連接到三通閥上，齒輪底部位置安裝接近開關(guān)發(fā)生件，通過接近開關(guān)發(fā)生件與固定位置靠近返回信號來控制齒輪轉(zhuǎn)動的位置，以此控制齒輪旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)注水、排水、停止等功能。

2.2.2 微調(diào)閥門溢流裝置

以市場上常見的連體式的一等標準金屬量器為例，改進后的微調(diào)閥門溢流裝置結(jié)構(gòu)和原理分別如圖3、圖4所示。

圖3 微調(diào)閥門溢流裝置結(jié)構(gòu)

圖4 微調(diào)閥門溢流裝置原理圖

原來的手動微調(diào)球閥改為電動或氣動控制閥門。閥門出水口外端連接可伸縮軟管。軟管向上彎曲，再連接一個單獨溢流玻璃管。溢流玻璃管與計量頸上下結(jié)構(gòu)平行，并通過結(jié)構(gòu)連接游標卡尺2。通過上、下移動游標卡尺2帶動溢流玻璃管頂端位置移動，將溢流玻璃管頂端溢流位置調(diào)整到與標稱容積的液位高度相同，并進行固定。計量頸玻璃管上端安裝一個光電傳感器。

2.3 整體系統(tǒng)控制

(1)金屬量器使用注水控制過程。

①打開金屬量器注水前端的注水氣動閥門，同時啟動步進電機使三通閥門轉(zhuǎn)到注水位置。水箱通過進水口向金屬量器內(nèi)注水。

②當水位達到計量頸處，光電傳感器位置返回信號，系統(tǒng)控制注水氣動閥門關(guān)閉，同時控制關(guān)閉三通閥門。

(2)微調(diào)閥門溢流裝置調(diào)整液位過程。

①打開微調(diào)控制閥門，高出標稱容積液位的水從溢流玻璃管流出。

②當計量頸液位與溢流玻璃管液位自動達到平衡時，關(guān)閉微調(diào)控制閥門。此時，液位能夠準確達到標稱容積液位高度。

③在計量頸標稱液位高度處平行安裝圖像識別裝置，觀測計量頸液位是否達到要求，保證長期使用單次檢定的準確性。

(3)被檢量器注水檢定過程。啟動步進電機使一等標準量器三通閥門轉(zhuǎn)到排水位置，排水結(jié)束2 min后關(guān)閉閥門。

(4)水箱注水過程控制。

①通過水箱內(nèi)安裝的液位傳感器將液位高度信號反饋至控制系統(tǒng)，尋求控制系統(tǒng)是否需要補水。如需要補水，則系統(tǒng)控制打開閥門，經(jīng)過水處理系統(tǒng)凈化的水自動注入水箱。

②當水箱補水的液位到達預設(shè)高度后，液位傳感器返回信號，控制系統(tǒng)關(guān)閉閥門，停止補水。水位預設(shè)高度由液位傳感器和光電傳感器提供雙重保護。水位先達到任一高度將停止補水，防止水溢出水箱。同時，水箱安裝了機械溢流裝置，在電信號雙保護失效時，水通過機械溢流裝置直接排入下水管，以保證水箱注水安全。

(5)計算系統(tǒng)計算過程。

①控制系統(tǒng)通過溫度傳感器分別采集標準量器和被檢量器內(nèi)水溫。

②計算機經(jīng)過液位修正計算，得到被檢量器液位高度。

金屬量器控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 金屬量器控制系統(tǒng)原理圖

3 其他一等標準金屬量器結(jié)構(gòu)的控制

3.1 分體式金屬量器

分體式金屬量器本身是溢流的，無需溢流微調(diào)裝置，可以直接通過自動注水和排水實現(xiàn)自動檢定的功能。

3.2 其他方式的微調(diào)閥門設(shè)計

3.2.1 第一種設(shè)計

一等標準金屬量器計量頸處的游標卡尺設(shè)計成數(shù)顯卡尺，用圖像識別功能觀察讀取液位高度，并在數(shù)顯卡尺上加載動力結(jié)構(gòu)。每次讀數(shù)時，通過動力結(jié)構(gòu)將其調(diào)整到注入水位實際值，并通過計量頸的分度值計算實際體積，從而檢定金屬量器。這種結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)，但存在兩個問題。其一，在加載動力結(jié)構(gòu)調(diào)整游標卡尺時，很難達到游標卡尺的分度值0.02 mm的精度，導致最后影響液位高度準確度轉(zhuǎn)換為加載動力機構(gòu)移動的距離準確度，不能夠達到一等標準金屬量器計量性能的要求。其二，注入水后的液位一般不會剛好是標稱容積的液位，需要通過計量頸分度容積計算得出實際體積來進行使用。這會導致一等金屬量器的準確度受到計量頸分度容積不確定度的影響，降低了一等金屬量器的準確性。

3.2.2 第二種設(shè)計

一等標準金屬量器計量頸內(nèi)安裝有高精度液位傳感器，通過讀取液位高度獲得量器標稱容積。這種設(shè)計也會出現(xiàn)第一種設(shè)計中提到的問題，即計量頸分度容積會影響一等標準金屬量器的準確度。同時，在一等金屬量器注水液位超出或低于標稱容積液位高度的情況下，還可能會出現(xiàn)被檢量器水位過高或過低而不能有效讀取液位高度的現(xiàn)象，導致無法完成檢定工作。

4 改進后裝置的幾個問題

4.1 容積問題

由于微調(diào)溢流口的設(shè)計，改進后的檢定裝置容積會因為微調(diào)閥門溢流裝置的變化，導致整個金屬量器容積的改變。對此，需重新標定容積，確定標稱容積的液位。

4.2 周期檢定容積變化

由于周期檢定容積，標準液位可能會有微小的變化，也就是計量頸的液位高度會發(fā)生變化。對此，可以通過可伸縮的連接軟管及玻璃管調(diào)整液位高度并將其固定，從而達到所需的標稱容積液位。

5 驗證符合性

5.1 準確度

選擇計量標準穩(wěn)定的50 L二等標準金屬量器作為被檢量器。國家計量院裝置測量結(jié)果為121.38 mm。改進前裝置的測量結(jié)果為121.68 mm。改進后裝置的測量結(jié)果為121.71 mm。

由此可知，改進前后裝置與國家的計量基準檢定結(jié)果在刻度值上相差0.30 mm、0.36 mm。被檢量器計量頸分度值為1.938 mL/mm，改進前后與國家的計量基準檢定結(jié)果容積的示值誤差分別為1.16×10-5、1.47×10-5。改進后裝置的示值誤差仍然在10-5數(shù)量級，符合一等檢定二等金屬量器計量性能的要求。

5.2 重復性

為驗證改進后新型金屬量器標準裝置相對于傳統(tǒng)的標準裝置測量重復性的提升,本文進行如下試驗：采用傳統(tǒng)人工讀數(shù)測量方式和新型金屬量器標準裝置,選取穩(wěn)定性較好的二等100 L金屬量器作為測量的對象，在環(huán)境溫度20 ℃的情況下測量10組計量頸液位高度。重復性試驗結(jié)果如表1所示。

表1 重復性試驗結(jié)果

由表1可知，新型金屬量器標準裝置測量試驗標準偏差低于人工讀數(shù)的方式測量結(jié)果試驗標準偏差，試驗結(jié)果相差一個數(shù)量級，得到相應容積值的重復性為10-6數(shù)量級。新型裝置大幅度降低了人為因素帶來的重復性，同時還減少了標準器由不同人員讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。

5.3 復現(xiàn)性

為驗證標準裝置的復現(xiàn)性，選取一臺穩(wěn)定性較好的二等100 L金屬量器作為測量對象進行測量。在一個月時間內(nèi)，在保證環(huán)境溫度、水箱水溫和量器內(nèi)水溫之差不超過±1 ℃的條件下，以人員A和人員B分別經(jīng)過三次測量數(shù)據(jù)的平均值作為測量結(jié)果進行比較。

新型標準裝置復現(xiàn)性測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 新型標準裝置復現(xiàn)性測量數(shù)據(jù)

由表2可知,100 L二等金屬量器一個月內(nèi)液位高度測量的最大差值為0.39 mm,滿足測量二等金屬量器準確度要求。這驗證了一等金屬量器標準裝置的復現(xiàn)性。

5.4 微調(diào)溢流裝置受溫度影響

根據(jù)國家檢定規(guī)程JJG 259—2005《標準金屬量器》的要求，標準金屬量器的實驗室溫度要控制在一定的范圍以內(nèi)，但不能保證實驗室始終為同一溫度?？紤]到溢流玻璃管、軟連接管會受到熱脹冷縮、毛細作用以及摩擦力的影響，需要對不同溫度下的溢流效果是否能夠達到液位一致進行驗證。

以100 L新型一等標椎金屬量器為例，標稱容積值液位高度為58.55 mm，分別在室溫15 ℃、20 ℃、30 ℃下進行溢流平衡后，讀取一等標準金屬量器裝置液位高度。分5人讀取數(shù)值，查看是否能夠達到一等標準量器的標稱容積值。人員A、人員B、人員C、人員D為流量容量專業(yè)人員。人員E為長度專業(yè)人員。不同溫度、不同人員讀數(shù)液位高度如表3所示。

表3 不同溫度、不同人員讀數(shù)液位高度

從表3可以看出，在不同溫度下，溢流液面達到平衡后，不同人員讀取的液位高度值。不同溫度下液位的最大最小值差最高為0.12 mm。從最大允許誤差來看，0.12 mm帶來的容積值約為0.28 mL，對于100 L的金屬量器誤差為2.8×10-6，遠小于一等標準金屬量器的最大允許誤差±5×10-5。

5.5 新型一等標準金屬量器裝置不確定度

不確定度分析[11]是對被檢量器的影響因素放大進行評定。評定得到的金屬量器校準結(jié)果不確定度來源如表4所示。

表4 金屬量器校準結(jié)果不確定度來源

經(jīng)過不確定度分析，新型一等量器裝置檢定二等量器在已經(jīng)擴大被檢讀數(shù)誤差和重復性的情況下，得到相對擴展不確定度約為1×10-4(k=2)。該結(jié)果滿足不確定度的要求。

6 結(jié)論

本文研究的新型標準金屬量器自動控制裝置和控制系統(tǒng)，大幅度提高了檢定效率，改變了目前國內(nèi)金屬量器檢定裝置自動化程度低的現(xiàn)狀，為金屬量器檢定提供了一種新的裝置結(jié)構(gòu)和測量方法，同時也為容量量值傳遞提供了方便、快捷的解決方案。