基于容积法的标准金属量器量值溯源系统硬件设计方案

杨晓艳,薛慧萍,杨焕诚,王 宁

(1.内蒙古自治区计量测试研究院，内蒙古 呼和浩特 010000；2.乌海市检验检测中心，内蒙古 乌海 016099；3.内蒙古北检质检技术服务有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000)

标准金属量器量值溯源系统是容量量值传递与溯源的重要组成部分，广泛应用于石油化工、乳业、供水排水、能源等领域，容量量值计量准确与否对节能减排和降低能耗有积极作用。油气石油化工领域的大宗贸易商品，涉及贸易结算和安全防护，必须解决容量量值的准确和统一等问题。这不仅关系到贸易双方的利益，而且按照国家《计量法》的规定，用于贸易交接的石油、供水等液体容量计量器具及相关计量标准装置应依法纳入强制管理范围。我国现行有效的JJG259-2005《标准金属量器》国家检定规程，已运行近20年，亟待修订以适应容量计量器具发展的需要。这对于容量量值溯源系统的完整性和贸易交接的公平性来说是非常重要的问题。建立标准金属量器量值溯源系统对于促进法定计量检定机构及其他计量技术机构开展金属量器及其容量计量器具检定工作、保证贸易结果的公平性，以及促进我国容量计量技术进步具有重要意义。

1 装置结构及工作原理

溯源系统的基本结构如图1所示。自来水通过净化系统的处理后灌入储水箱，水箱内置液位计实时监测注水情况，以确保其水位始终处于合理工作状态内。开展标准金属量器溯源工作时，启动水泵将水箱内的净化水注入检校管道。净化水首先进入气水分离器，排出其中的大部分空气，之后再流经装有自动排气阀的弯头，排出剩余的少量空气。经过两次排气后，纯净水以下进水的方式注入标准金属量器，待其液位上升至计量径的溢流阀时停泵并静置一段时间。之后开启计量罐底部的三通阀将其中的净化水全部注入被检金属量器内，计算被检/校金属量器的计量颈刻度液位高度及偏差。此过程结束后打开被检金属量器底部的排液阀，将污水按符合相关要求排出。整个检校流程由控制系统自动完成，检校人员仅需读取并录入被检金属量器的标尺数据。配备标准金属量器规格：500 L(1 000 L)、200 L、100 L、50 L、20 L、10 L、5 L、2 L、1 L。支持被检金属量器规格：1 000 L(2 000 L)、500 L、 200 L、100 L、50 L、20 L、10 L、5 L、2 L、1 L。

图1 结构示意

2 控制系统组成

图2 控制系统组成

硬件构成方面主要包括计算机控制系统、PLC控制柜、变频控制柜、EMC及保护系统。系统由计算机配合PLC控制柜与现场控制柜组成整套系统的控制系统。PLC控制系统采用德国SIEMENS可编程控制器系列产品。系统选用的信号接口模块均采用了光电隔离，具有很好的抗干扰性能。所有数字量输入/输出模块均具有LED 状态显示功能，可直观地显示出模块工作是否正常。变频控制柜配备ABB变频器控制水泵，通过频率的调节实现泵的爬坡启动和停止，避免突然关闭带来的水锤影响；同时可通过变频调节泵的出水量和压力。

3 设计依据

JJG 259-2005标准金属量器；JJF 1033-2016计量标准考核规范；JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示；JJF 1182-2021计量器具软件评测指南；CNAS-RL02：2018能力验证规则；GB/T 17626.1-2006电磁兼容 试验和测量技术 抗扰度试验总论；GB/T 17626.2-2006电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验；GB/T 17626.3-2006电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验；GB/T 30976.1-2014工业控制系统信息安全：第1部分 评估规范；GB 50684-2011 化学工业污水处理与回用设计规范。

4 适用范围

一等金属量器量传至三等金属量器量值溯源系统；标准金属量器检定或校准结果的重复性试验及计量标准的稳定性考核；测量范围内容量计量标准装置计量比对参考值获得；CNAS及其他相关校准实验室标准金属量器能力验证/测量审核(PT)提供者计量标准装置。

5 技术指标及控制特点

5.1 硬件技术指标

表1 硬件技术指标

5.2 控制特点

数据传输和总线通信；监控现场设备状态；流量分段控制和应用；金属量器检定过程自动控制；设备过载/过热/过流保护；电源漏电/短路保护；浪涌保护；防雷保护。

6 分段供水方案

向标准金属量器内注水应保持适中的速度，通常将时间控制在5 min～10 min内。考虑到标准金属量器的容积比达到1∶500(最小1 L，最大500 L)，单纯采用泵的变频方式很难控制在此范围内，所以采用分段供水的方式。

1段、2段供水使用高位水箱，分别布置两条独立的下水管，通过调节阀门开度将其流量分别控制在0.06 m3/h、0.6 m3/h左右。3段供水使用水泵，通过调节变频值将流量控制在6 m3/h左右。

表2 分段供水方案参数

向标准金属量器中持续注水，直到水从计量颈处的溢流口流出，从而确保标准金属量器内的水达到预设容积。水溢出后应及时结束注水操作，这将由设在溢出口下的接液槽内的液位开关测量。系统根据液位开关的反馈关闭水泵，停止对标准罐的供水，同时打开接液罐排水阀。待标准金属量器内液位稳定后开始检校工作。

图3 液位控制示意

标准金属量器在向被检金属量器注水的过程中，流量应处于可控状态，整个过程分为3个阶段。①注水开始阶段，阀门逐渐打开，流量逐渐增大，避免阀门瞬间全开产生的飞溅。②注水进行阶段，阀门全开，流量处于最大，以便在最短时间内将水注入被检金属量器中。③注水结束阶段，流量逐渐减少至最大量的20%，避免被检金属量器计量颈的水位受冲击溅出。

图4 阀门分段控制时序

7 系统运行

通过上述硬件组合成单元式撬装结构体，以组态王软件代码控制系统运行。上位机控制主标准器及操作部分，使其按照预设方案运行。下位机控制被检金属量器部分，将采集数据送至计算机处理单元，给出报表和数据。计算软件主界面以平面图的形式直观反映现场各设备的运行状态，实时展示关键过程数据、检校流程等关键信息。以图形化简洁符号表示系统中的各类设备，操作人员可通过对这些符号的点击直接操控与之相对应的设备。并以颜色、文字、动态效果展示系统在运行过程中各设备的工作状态。各采集点的压力、温度液位等实时显示在其设备所对应的位置上，阀门、泵组等设备的信息、状态随系统内硬件设备的动态实时更新，操作人员可通过软件界面实时、准确地掌握整套装置的运行状态，最终完成金属量器量值溯源全部操作。