新型金属量器标准装置的研制

周 艳，李 宁，向德华

(湖南省计量检测研究院，湖南 长沙 410014)

0 引言

标准金属量器是用于液体和气体体积量值传递的重要计量器具，被广泛应用于石油化工等行业[1]。一等金属量器与被检金属量器按照容量比较法检测过程要求，试验室环境温度范围为(20±5)℃，环境温度与水温之差不超过±5 ℃[2]，一般采用人工手动控制三通阀。通过游标刻线与凹液面的最低端相重合，读取一等金属量器的标称液位高度[3]。整个测量过程既耗时又费力，工作效率不高，测量准确性和重复性受人为因素影响较大。

国内有很多学者对标准金属量器自动化改造进行了研究。陈文琳[4]等设计了三等金属量器自动进出水系统；黄雪莲[5]设计了自动进出水的汽车油罐容量自动检定系统；吕研[6]等设计了用于在线液(油)体流量计的检测系统；张海鹏等[7]提出了标准金属量器液位头像识别装置；刘晓伟等[8]提出了基于图像传感器的测量技术实现液位测量的方法；尹义海等[9]提出了适用于二等标准金属量器的溢流液位可调控系统。上述研究仅局限于二等及以下标准金属量器，且大多只涉及标准金属量器的局部改进。

本文设计了一种新型金属量器标准装置，用于恒定一等金属量器液位，自动控制进出水，精确控制环境温度与水温的温差。该装置实现了一等金属量器标准装置量值传递过程自动化控制，提高了检测重复性、复现性。

1 装置结构

本装置结构设计是在一等金属量器标准装置原有基本组成的基础上，加装浮子式液位计、防水步进电机、电磁阀、微型隔膜泵、支架板、套管、温度变送器、轴流风机等部件。标准装置结构示意图如图1所示。

图1 标准装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of standard device

支架板俯视示意图如图2所示。

图2 支架板俯视示意图Fig.2 Top view of support plate

一等金属量器标准装置计量颈液位控制是整个装置的技术核心。在溢流罩上方放置一个支架板，中间打孔固定和支架板相同厚度且内壁有螺纹的套管，套管两端用六角螺帽将带外螺纹的不锈钢管固定。不锈钢管一端放置于计量颈标称容积值所对应液位高度的中心水平位置，并安装单向阀以防止泵抽水完成后少量残留液体流入计量颈；另一端连接微型隔膜泵，当注入一等金属量器罐内水位达到设定液位高度时，开启隔膜泵的抽水功能。套管内径与钢管外径之间约0.5 mm的距离，以便钢管可以上下旋转调节合适的高度。液位恒定控制系统截面示意图如图3所示。

图3 液位恒定控制系统截面示意图Fig.3 Sectional diagram of constant liquid level control system

高位水箱和一等金属量器的溢流罩内分别安装一个浮子式液位计，以便根据实际需要调整和控制放液补水的液位高度。

一等金属量器底端设计采用现有三通阀连接防水步进电机，可实现三通阀的进液、关闭、放液三个位置的自动控制。

在试验室，距地面1.5 m和2.7 m处各安装一支温度变送器；高位水箱底部位置以及一等金属量器上锥体和被检金属量器各安装一支温度传感器，以便对环境温度、高位水箱水温和罐体水温进行实时监控。为使试验室内部空间温度更加均衡，地面放置两台轴流风机。

2 控制系统设计

控制系统设计需要考虑控制测量的流程、检测方法、开关输出、脉冲输出、铂电阻信号等因素。系统采用模块架构，实现对一等金属量器标准装置的检定过程逻辑控制、过程控制以及数据采集。控制系统原理框图如图4所示。

图4 控制系统原理框图Fig.4 Principle block diagram of control system

控制系统可实时监测并记录高位水箱水温、环境温度以及标准金属量器罐内水温。温度控制设计的目标是在测量过程中，将环境温度、水箱水温和罐内水温之差控制在±1 ℃以内。当温度不均衡时，装置将自动开启轴流风机运转。温度变送器采用同品牌、同型号Pt100的温度传感器搭配4～20 mA输出变送器，接入可编程控制器模拟量模块，以避免不同传感器引入误差。可编程逻辑控制器设置有等温修正程序，在温度环境稳定的状态下，可对温度变送器零点进行修正。

为避免高位水箱在进水和排水过程中出现溢水或缺水现象，在水箱的底部安装一个浮子式液位计[10-11]。若水箱处于低液位，则控制系统自动开启电磁阀注水，直至水箱设定的高液位。在检测过程中，当注入的水升至一等金属量器计量颈时，液位上升速度会很快。为避免液面外溢，在溢流罩内安装浮子液位计。控制系统设有溢流水位值，当液面达到溢流水位时，控制系统自动将三通阀置于停止位置。

三通阀通过联轴器连接防水步进电机，进行三通阀的位置控制。步进驱动器控制角度可精确到0.5°以内，可避免发生开关阀门不到位的情况。

原一等金属量器计量颈液位控制采用人工读数和微调阀门进行液位调整，新型标准装置控制系统采用不锈钢管搭配工业级微型隔膜水泵自动完成液位调整，隔膜泵设定的抽水流量为2.5 L/min左右。

考虑试验室湿度大，控制系统采用工业级器件，现场设有人机界面触摸屏，向下通过RS-422工业总线连接控制器，向上通过局域网连接办公系统，可自动生成原始记录。控制系统结构如图5所示。

图5 控制系统结构图Fig.5 Structure diagram of control system

3 软件系统设计

一等金属量器标准装置自动控制系统的测量程序流程如图6所示。

图6 测量程序流程图Fig.6 Flow chart of measurement procedure

标准装置按给定流程，完成高位水箱补水、放液，控制各个阀门启停，采集和判断环境温度、水箱温度和罐内水温。一旦金属量器进液、放液，微型隔膜泵启停。最后，将测量数据上传到上位机进行数据处理和储存。

4 验证

4.1 温度控制验证

为验证温度控制的必要性，在试验室环境温度、水温处于在控温(环境温度与水温的温差≤±1 ℃)和不控温(环境温度与水温的温差在±5 ℃以内)的条件下，对同一台50 L二等标准金属量器液位高度值进行六次测量。温差试验数据如表1所示。

表1 温差试验数据Tab.1 Temperature difference test data

从表1可知，在测量过程中，环境温度、水箱水温和罐内水温的温差值越小，被检金属量器液位高度值测量的重复性就越好。因此，必须对检定环境以及水温进行精确控制。

4.2 复现性验证

4.2.1 一等金属量器液位值复现性

一等金属量器注水的过程中，当液面达到溢流水位时，控制系统自动将三通阀置于停止位置，在预留的液面平衡等待时间之后，控制系统自动开启微型隔膜泵抽水。为验证抽水后一等金属量器计量颈液位恒定值的复现性，设计在一个月内，分别对同一台20 L和50 L一等金属量器的液位恒定值各进行6组复现性试验，每组测量次数为3次。在测量过程中，环境温度、水箱水温和罐内水温之差不超过±1 ℃。液位高度复现性测量数据如表2所示。

表2 液位高度复现性测量数据Tab.2 Reproducibility measurement data of level height

从表2可知，20 L和50 L一等金属量器一个月内液位恒定值测量的最大差值为0.04 mm，误差在读数游标卡尺两倍最小分度值以内。这就表明，新型金属量器标准装置恒定液位的方法切实可行，满足一等金属量器准确度要求，一等金属量器液位恒定值的复现性得到验证。

4.2.2 一等金属量器标准装置复现性

微型隔膜泵抽水完成后，控制系统自动停泵并将三通阀置于放液位置，一等金属量器中的水全部排入二等金属量器内，滴流2 min后，观测并记录液位高度。为验证一等金属量器标准装置的复现性，一个月内，分别对同一台20 L和50 L二等金属量器的液位高度各进行六组复现性试验。每组测量次数为三次。在测量过程中，环境温度、水箱水温和罐内水温之差不超过±1 ℃。标准装置复现性测量数据如表3所示。

表3 标准装置复现性测量数据Tab.3 Reproducibility measurement data of standard device

从表3可知，20 L二等金属量器一个月内液位高度测量的最大差值为0.66 mm,50 L二等金属量器一个月内液位高度测量的最大差值为0.46 mm，满足二等金属量器准确度要求。一等金属量器标准装置的复现性得到验证。

4.3 不同装置对比

为验证新型金属量器标准装置相对于传统的标准装置测量重复性的提升，设计了两组试验，采用传统人工读数测量方式和新型金属量器标准装置，分别对同一台20 L和50 L的二等金属量器各进行10次计量颈液位高度的重复性测量。20 L、50 L二等金属量器用不同测量方法测量结果对比分别如表4和表5所示。

表5 50 L二等金属量器用不同测量方法测量结果对比表Tab.5 Comparison table of measurement results of 50 L second-class metal tank with different measurement methods

5 结论

新型一等金属量器标准装置能实现操作自动化，精确控制试验室环境温度与水温的差值，恒定一等金属量器液位高度，大幅提升了测量准确度，降低了劳动强度，提高了工作效率。