基于容積法的標準金屬量器量值溯源系統硬件設計方案

楊曉艷,薛慧萍,楊煥誠,王 寧

(1.內蒙古自治區計量測試研究院，內蒙古 呼和浩特 010000；2.烏海市檢驗檢測中心，內蒙古 烏海 016099；3.內蒙古北檢質檢技術服務有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000)

標準金屬量器量值溯源系統是容量量值傳遞與溯源的重要組成部分，廣泛應用于石油化工、乳業、供水排水、能源等領域，容量量值計量準確與否對節能減排和降低能耗有積極作用。油氣石油化工領域的大宗貿易商品，涉及貿易結算和安全防護，必須解決容量量值的準確和統一等問題。這不僅關系到貿易雙方的利益，而且按照國家《計量法》的規定，用于貿易交接的石油、供水等液體容量計量器具及相關計量標準裝置應依法納入強制管理范圍。我國現行有效的JJG259-2005《標準金屬量器》國家檢定規程，已運行近20年，亟待修訂以適應容量計量器具發展的需要。這對于容量量值溯源系統的完整性和貿易交接的公平性來說是非常重要的問題。建立標準金屬量器量值溯源系統對于促進法定計量檢定機構及其他計量技術機構開展金屬量器及其容量計量器具檢定工作、保證貿易結果的公平性，以及促進我國容量計量技術進步具有重要意義。

1 裝置結構及工作原理

溯源系統的基本結構如圖1所示。自來水通過凈化系統的處理后灌入儲水箱，水箱內置液位計實時監測注水情況，以確保其水位始終處于合理工作狀態內。開展標準金屬量器溯源工作時，啟動水泵將水箱內的凈化水注入檢校管道。凈化水首先進入氣水分離器，排出其中的大部分空氣，之后再流經裝有自動排氣閥的彎頭，排出剩余的少量空氣。經過兩次排氣后，純凈水以下進水的方式注入標準金屬量器，待其液位上升至計量徑的溢流閥時停泵并靜置一段時間。之后開啟計量罐底部的三通閥將其中的凈化水全部注入被檢金屬量器內，計算被檢/校金屬量器的計量頸刻度液位高度及偏差。此過程結束后打開被檢金屬量器底部的排液閥，將污水按符合相關要求排出。整個檢校流程由控制系統自動完成，檢校人員僅需讀取并錄入被檢金屬量器的標尺數據。配備標準金屬量器規格：500 L(1 000 L)、200 L、100 L、50 L、20 L、10 L、5 L、2 L、1 L。支持被檢金屬量器規格：1 000 L(2 000 L)、500 L、 200 L、100 L、50 L、20 L、10 L、5 L、2 L、1 L。

圖1 結構示意

2 控制系統組成

圖2 控制系統組成

硬件構成方面主要包括計算機控制系統、PLC控制柜、變頻控制柜、EMC及保護系統。系統由計算機配合PLC控制柜與現場控制柜組成整套系統的控制系統。PLC控制系統采用德國SIEMENS可編程控制器系列產品。系統選用的信號接口模塊均采用了光電隔離，具有很好的抗干擾性能。所有數字量輸入/輸出模塊均具有LED 狀態顯示功能，可直觀地顯示出模塊工作是否正常。變頻控制柜配備ABB變頻器控制水泵，通過頻率的調節實現泵的爬坡啟動和停止，避免突然關閉帶來的水錘影響；同時可通過變頻調節泵的出水量和壓力。

3 設計依據

JJG 259-2005標準金屬量器；JJF 1033-2016計量標準考核規范；JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示；JJF 1182-2021計量器具軟件評測指南；CNAS-RL02：2018能力驗證規則；GB/T 17626.1-2006電磁兼容 試驗和測量技術 抗擾度試驗總論；GB/T 17626.2-2006電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗；GB/T 17626.3-2006電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗；GB/T 30976.1-2014工業控制系統信息安全：第1部分 評估規范；GB 50684-2011 化學工業污水處理與回用設計規范。

4 適用范圍

一等金屬量器量傳至三等金屬量器量值溯源系統；標準金屬量器檢定或校準結果的重復性試驗及計量標準的穩定性考核；測量范圍內容量計量標準裝置計量比對參考值獲得；CNAS及其他相關校準實驗室標準金屬量器能力驗證/測量審核(PT)提供者計量標準裝置。

5 技術指標及控制特點

5.1 硬件技術指標

表1 硬件技術指標

5.2 控制特點

數據傳輸和總線通信；監控現場設備狀態；流量分段控制和應用；金屬量器檢定過程自動控制；設備過載/過熱/過流保護；電源漏電/短路保護；浪涌保護；防雷保護。

6 分段供水方案

向標準金屬量器內注水應保持適中的速度，通常將時間控制在5 min～10 min內。考慮到標準金屬量器的容積比達到1∶500(最小1 L，最大500 L)，單純采用泵的變頻方式很難控制在此范圍內，所以采用分段供水的方式。

1段、2段供水使用高位水箱，分別布置兩條獨立的下水管，通過調節閥門開度將其流量分別控制在0.06 m3/h、0.6 m3/h左右。3段供水使用水泵，通過調節變頻值將流量控制在6 m3/h左右。

表2 分段供水方案參數

向標準金屬量器中持續注水，直到水從計量頸處的溢流口流出，從而確保標準金屬量器內的水達到預設容積。水溢出后應及時結束注水操作，這將由設在溢出口下的接液槽內的液位開關測量。系統根據液位開關的反饋關閉水泵，停止對標準罐的供水，同時打開接液罐排水閥。待標準金屬量器內液位穩定后開始檢校工作。

圖3 液位控制示意

標準金屬量器在向被檢金屬量器注水的過程中，流量應處于可控狀態，整個過程分為3個階段。①注水開始階段，閥門逐漸打開，流量逐漸增大，避免閥門瞬間全開產生的飛濺。②注水進行階段，閥門全開，流量處于最大，以便在最短時間內將水注入被檢金屬量器中。③注水結束階段，流量逐漸減少至最大量的20%，避免被檢金屬量器計量頸的水位受沖擊濺出。

圖4 閥門分段控制時序

7 系統運行

通過上述硬件組合成單元式撬裝結構體，以組態王軟件代碼控制系統運行。上位機控制主標準器及操作部分，使其按照預設方案運行。下位機控制被檢金屬量器部分，將采集數據送至計算機處理單元，給出報表和數據。計算軟件主界面以平面圖的形式直觀反映現場各設備的運行狀態，實時展示關鍵過程數據、檢校流程等關鍵信息。以圖形化簡潔符號表示系統中的各類設備，操作人員可通過對這些符號的點擊直接操控與之相對應的設備。并以顏色、文字、動態效果展示系統在運行過程中各設備的工作狀態。各采集點的壓力、溫度液位等實時顯示在其設備所對應的位置上，閥門、泵組等設備的信息、狀態隨系統內硬件設備的動態實時更新，操作人員可通過軟件界面實時、準確地掌握整套裝置的運行狀態，最終完成金屬量器量值溯源全部操作。