一种压力变送器在线计量系统的设计与应用

雷 威,周耀兵,程舟济,潘永军,华锴玮

（武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064）

引言

船舶某系统在运行过程中有大量关键参数需要实时监测,如容器压力、海水压力、水舱压力、液压油压力等,这些压力一方面反应了该系统的运行状态,同时该系统通过采集上述压力作为输入参数对系统进行控制。只有精确采集各关键参数,才能精准控制各分系统协调动作,进而保证任务成功。压力变送器作为关键参数的测量设备,其准确度及精度直接关系到任务的成败以及船舶系统的安全[1]。为了保证压力变送器测量的准确度和稳定性,特别是长期的稳定性和应对各种工作环境的能力,必须对压力变送器开展定期计量[2]。

根据船舶某系统精度要求,该系统压力变送器需要每半年进行一次计量。目前该系统压力变送器采用人工的方式完成,首先将压力变送器与测量系统断开,然后通过对现场压力变送器打压,人工抄录标准压力表和现场压力变送器压力,人为判断压力变送器是否满足计量标准要求。计量过程中人为操作环节多,对计量人员要求较高,同时工作效率较低,容易引入人为误差[3-4]。为了提高计量工作效率和准确率,有必要开发一套压力变送器在线计量系统。

1 系统介绍

1.1 功能及性能指标

根据船舶某系统压力变送器现场计量需求,压力变送器自动在线计量系统应具备如下功能：

a. 具备压力变送器参数设置功能；

b. 具备自动选取压力变送器检定点的功能；

c. 具备控制压力校验仪自动供压功能；

d. 具备实时采集压力变送器压力功能；

e. 具备实时对压力变送器计量功能；

f. 具备自动生成计量日志及计量报告；

g. 具备现场输出计量报告的功能。性能指标如下：

a. 可计量的压力变送器精度：0.25%；

b. 可计量的压力变送器量程：0～2 MPa。

1.2 系统组成

压力变送器在线计量系统主要由电源模块、压力校验仪、加固计算机、压力连接管路及接头、专用电缆、打印机等组成。考虑到系统高可靠性、高集成度、装卸方便等特点,系统硬件部分尽量选择市场成熟产品。压力变送器在线自动计量系统主要用于对船舶某系统压力变送器进行在线计量,具备对计量结果显示、记录、分析的能力,同时能够打印计量报告。系统原理图见图1。

图1 压力变送器在线计量系统原理

1.2.1 电源模块

电源模块将220 V 50 Hz 电源转换为工控计算机以及压力校验仪可使用电源。一般情况下,工控计算机以及压力校验仪可使用内置电池进行供电。在工控计算机以及压力校验仪电池电量不足时,可使用电源模块对其进行充电,电源模块具有过压、欠压、过流保护功能。

1.2.2 压力校验仪

压力校验仪主要由内部压力控制器、内置电动压力泵以及内置标准压力模块组成。内部压力控制器作为压力校验仪的核心部分,能够通过通信接口接收加固计算机的控制信息,按照指定的压力检定点控制内置电动压力泵进行加压,为内置标准压力模块以及现场压力变送器提供压力源。同时内部压力控制器能够采集内部压力变送器以及标准压力模块压力值,并通过通信接口将采集的压力值实时传输给工控计算机。

1.2.3 加固计算机

加固计算机根据用户输入的压力变送器信息自动选取检定压力,将检定压力传输至压力校验仪,压力校验仪自动控制内置压力泵加压至指定压力,为标准压力模块以及现场压力变送器提供压力源。同时接收压力校验仪采集的标准压力模块压力值和现场压力变送器压力值。系统软件根据设定的算法计算压力变送器的各项误差,并给出计量结果。

1.2.4 其他附件

压力连接软管及接头连接压力校验仪和现场压力变送器的计量接口,为现场压力变送器提供压力。

专用电缆主要包括供电电缆以及通讯电缆,电源模块通过供电电缆对工控计算机以及压力校验仪供电,压力校验仪通过通讯电缆与工控计算机以及压力变送器通讯。图2 为压力变送器在线计量系统对测量系统进行计量校准示意图。

图2 系统对测量系统计量校准示意

2 软件设计说明

压力变送器在线自动计量系统的软件部分运行于加固计算机,主要用于对计量过程数据进行设置、显示、处理和保存。软件组成模块见图3。

图3 软件组成模块

2.1 变送器参数设置模块

用户在对压力变送器进行计量之前,需要将压力变送器规格型号、量程、精度、计量日期、安装位置等信息输入到在线计量系统内,系统将上述信息记录下来,并为该压力变送器建立数据文档。

2.2 实时通信模块

系统根据用户输入的压力变送器精度、量程等信息自动计算需计量的压力点,通过实时通信模块将该压力值传输至压力校验仪,同时通过实时通信模块接收压力校验仪采集的标准压力模块以及现场压力变送器压力值。

2.3 自动计量模块

系统根据压力变送器的参数自动选取计量点的个数,计算理论输出值。控制压力校验仪进行升压、降压到各计量点,依据相关检定规程编制数据分析处理程序,确定压力变送器的示值曲线,对比各计量点处标准模块压力值与压力变送器测量值,计算各项误差,判断压力变送器各项误差是否满足要求。

2.4 计量结果处理模块

系统根据“变送器计量模块”计算的各项误差,自动生成计量结果,同时将计量结果存储至“变送器参数设置模块”为该压力变送器建立的数据文档,供后续查阅。并根据用户需求打印生成计量报告。

2.5 结果查阅分析模块

用户可对历史计量信息进行查阅,并对计量信息进行分析。选定某次计量,系统能够分析该次计量中,压力变送器超差率。选定某压力变送器,系统能够将对压力变送器的历史计量系统进行分析,如历次计量误差变化趋势、压力变送器长期测量稳定性等。图4为软件层次化设计示意图。

图4 软件层次化设计示意

3 使用流程

压力变送器自动在线计量系统的使用步骤如下：

a. 系统初始化,电源模块开始供电,加固计算机进入软件并开始初始化,压力校验仪开机初始化,现场测量系统开机为压力变送器供电,系统各阀门准备完毕；

b. 设置系统通讯信息,按照压力校验仪与工控计算机的通信协议设置系统通讯信息,压力校验仪分别与工控计算机、压力变送器建立通讯,工控计算机与艇上测量系统建立通讯；

c. 输入压力变送器信息,用户系统将压力变送器规格型号、量程、精度、计量日期、安装位置等信息输入到在线计量系统内,系统为该压力变送器建立数据文档；

d. 压力变送器计量,压力校验仪根据工控计算机传输的压力点进行打压,系统计算压力校验仪传输的标准压力值与压力测量系统的测量值是否满足计量要求；

e. 计量结果分析,如果该压力变送器满足计量要求,则进入步骤g,存储计量结果同时根据用户需要打印计量报告；如果该压力变送器不满足计量要求,则进入步骤f,存储计量结果；

f. 压力变送器校准,根据提交的压力变送器的型号,系统选择不同的校准方式,提示用户如何进行校准操作,校准完成后重复d；

g. 计量结束后,断开各设备电源、通讯电缆以及管路连接,系统恢复初始状态。

使用流程见图5。

图5 使用流程

4 计量实例

使用该自动在线计量系统进行船舶某系统压力变送器计量试验。被计量压力变送器型号为罗斯蒙特3051 型,输出信号为4～20 mA 标准电流,使用精度为0.25%。根据压力变送器检定规程,检定点的选取应按照量程均匀分布,一般应包括上限值、下限值(或其附近10%输入量程以内) 在内不少于5 个点[6],因此选择的检定点为0 kPa,125 kPa,250 kPa,375 kPa,500 kPa。检定数据见表1。

表1 压力变送器计量记录

根据罗斯蒙特3051 型自身精度及允许压力误差可以得到：

示值误差允许值：

回程误差允许值为

表1 中最大示值误差0.005 mA,满足检定规程的要求；表1 中最大回程误差0.002 mA,满足检定规程的要求,符合0.25 级[5-6]。

5 结论

本研究分析船舶某系统压力变送器在线计量的使用需求,设计了一种压力变送器自动在线计量系统,并对系统各硬件部分的功能以及各软件功能模块进行了介绍,然后对系统的使用方法进行介绍。最后通过计量试验表明,该在线计量自动系统实现数据的自动采集与计算,测量精度高,操作简单,便于携带,适合工业现场压力变送器的计量,可大大提高压力变送器计量效率。