標(biāo)準(zhǔn)金屬量器自動(dòng)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(jì)量科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 114000；2.遼寧省大容量計(jì)量站,遼寧 撫順 113000)

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器在容量計(jì)量中有著非常重要的作用，涉及民生、貿(mào)易結(jié)算等。標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為液體、氣體體積量值傳遞的重要計(jì)量器具，被廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)[1]。但實(shí)際檢定和應(yīng)用中很多環(huán)節(jié)都有人工操作的干預(yù)。目前，國內(nèi)的金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置一般采用容量比較法，存在操作繁瑣、工作效率低、自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)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(xué)者對(duì)金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行改進(jìn)：文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于視覺技術(shù)的金屬量器自動(dòng)控制裝置[2]；文獻(xiàn)[3]改進(jìn)了自動(dòng)進(jìn)出水金屬量器裝置[3]；文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢定控制系統(tǒng)[4-6]；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了泵吸式自動(dòng)控制液位的裝置[7]。上述研究局限于進(jìn)出水的控制，液位控制泵吸式對(duì)標(biāo)稱容積液位改變時(shí)調(diào)整不夠精確。

本文設(shè)計(jì)了一種新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置能夠精確控制標(biāo)稱容積的液位高度，自動(dòng)控制進(jìn)出水，實(shí)現(xiàn)了一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器裝置量值傳遞的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定裝置檢定過程一般為：①水通過下進(jìn)液口注滿金屬量器；②調(diào)節(jié)手動(dòng)微調(diào)閥門使液位高度達(dá)到標(biāo)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(yīng)的液位高度，從而計(jì)算被檢量器標(biāo)稱容積的液位[8]。

在這個(gè)過程中，主要存在以下兩個(gè)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(dòng)下進(jìn)水口和排水口進(jìn)行注水和排水時(shí)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(biāo)準(zhǔn)金屬量器在上、被檢金屬量器在下，標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)的水才能通過重力向下流動(dòng)來完成檢定工作。在調(diào)整一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器計(jì)量頸液位高度以及標(biāo)準(zhǔn)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(tái)金屬量器，所以每次操作人員需進(jìn)行反復(fù)爬高；而在調(diào)整液位讀取數(shù)值時(shí)，由于人為因素的干擾，給檢定準(zhǔn)確度和重復(fù)性帶來一定的影響。準(zhǔn)確度、重復(fù)性和穩(wěn)定性是標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的重要指標(biāo)[9]。基于以上兩點(diǎn)檢定過程中的不便，本文設(shè)計(jì)了一種新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置和一種新的檢定方法。

2 裝置自動(dòng)控制改進(jìn)與控制過程

以100 L標(biāo)準(zhǔn)金屬量器為例，標(biāo)準(zhǔn)金屬量器裝置改進(jìn)后的整體結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器裝置改進(jìn)后的整體結(jié)構(gòu)

2.1 改進(jìn)的主要結(jié)構(gòu)

裝置的改進(jìn)主要是針對(duì)解決上述兩個(gè)問題：一是改進(jìn)老式傳統(tǒng)的三通閥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；二是改進(jìn)手動(dòng)微調(diào)閥門結(jié)構(gòu)為微調(diào)閥門溢流裝置[10]，實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱容積液位的控制和調(diào)節(jié)。

2.2 改進(jìn)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(jī)加減速器帶動(dòng)蝸桿、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)三通閥門轉(zhuǎn)動(dòng)的新型三通閥門結(jié)構(gòu)。

電動(dòng)三通閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)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(hào)來控制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，以此控制齒輪旋轉(zhuǎn)角度實(shí)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(chǎng)上常見的連體式的一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器為例，改進(jìn)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(dòng)微調(diào)球閥改為電動(dòng)或氣動(dòng)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(gè)單獨(dú)溢流玻璃管。溢流玻璃管與計(jì)量頸上下結(jié)構(gòu)平行，并通過結(jié)構(gòu)連接游標(biāo)卡尺2。通過上、下移動(dòng)游標(biāo)卡尺2帶動(dòng)溢流玻璃管頂端位置移動(dòng)，將溢流玻璃管頂端溢流位置調(diào)整到與標(biāo)稱容積的液位高度相同，并進(jìn)行固定。計(jì)量頸玻璃管上端安裝一個(gè)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(dòng)閥門，同時(shí)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使三通閥門轉(zhuǎn)到注水位置。水箱通過進(jìn)水口向金屬量器內(nèi)注水。

②當(dāng)水位達(dá)到計(jì)量頸處，光電傳感器位置返回信號(hào)，系統(tǒng)控制注水氣動(dòng)閥門關(guān)閉，同時(shí)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(biāo)稱容積液位的水從溢流玻璃管流出。

②當(dāng)計(jì)量頸液位與溢流玻璃管液位自動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，關(guān)閉微調(diào)控制閥門。此時(shí)，液位能夠準(zhǔn)確達(dá)到標(biāo)稱容積液位高度。

③在計(jì)量頸標(biāo)稱液位高度處平行安裝圖像識(shí)別裝置，觀測(cè)計(jì)量頸液位是否達(dá)到要求，保證長期使用單次檢定的準(zhǔn)確性。

(3)被檢量器注水檢定過程。啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使一等標(biāo)準(zhǔn)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(hào)反饋至控制系統(tǒng)，尋求控制系統(tǒng)是否需要補(bǔ)水。如需要補(bǔ)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(dòng)注入水箱。

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

(5)計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算過程。

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

②計(jì)算機(jī)經(jīng)過液位修正計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)注水和排水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定的功能。

3.2 其他方式的微調(diào)閥門設(shè)計(jì)

3.2.1 第一種設(shè)計(jì)

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

3.2.2 第二種設(shè)計(jì)

一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器計(jì)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(biāo)稱容積。這種設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)第一種設(shè)計(jì)中提到的問題，即計(jì)量頸分度容積會(huì)影響一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的準(zhǔn)確度。同時(shí)，在一等金屬量器注水液位超出或低于標(biāo)稱容積液位高度的情況下，還可能會(huì)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(dǎo)致無法完成檢定工作。

4 改進(jìn)后裝置的幾個(gè)問題

4.1 容積問題

由于微調(diào)溢流口的設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的檢定裝置容積會(huì)因?yàn)槲⒄{(diào)閥門溢流裝置的變化，導(dǎo)致整個(gè)金屬量器容積的改變。對(duì)此，需重新標(biāo)定容積，確定標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)液位可能會(huì)有微小的變化，也就是計(jì)量頸的液位高度會(huì)發(fā)生變化。對(duì)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(dá)到所需的標(biāo)稱容積液位。

5 驗(yàn)證符合性

5.1 準(zhǔn)確度

選擇計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的50 L二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為被檢量器。國家計(jì)量院裝置測(cè)量結(jié)果為121.38 mm。改進(jìn)前裝置的測(cè)量結(jié)果為121.68 mm。改進(jìn)后裝置的測(cè)量結(jié)果為121.71 mm。

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

5.2 重復(fù)性

為驗(yàn)證改進(jìn)后新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量重復(fù)性的提升,本文進(jìn)行如下試驗(yàn)：采用傳統(tǒng)人工讀數(shù)測(cè)量方式和新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置,選取穩(wěn)定性較好的二等100 L金屬量器作為測(cè)量的對(duì)象，在環(huán)境溫度20 ℃的情況下測(cè)量10組計(jì)量頸液位高度。重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，新型金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于人工讀數(shù)的方式測(cè)量結(jié)果試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，試驗(yàn)結(jié)果相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，得到相應(yīng)容積值的重復(fù)性為10-6數(shù)量級(jí)。新型裝置大幅度降低了人為因素帶來的重復(fù)性，同時(shí)還減少了標(biāo)準(zhǔn)器由不同人員讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。

5.3 復(fù)現(xiàn)性

為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)裝置的復(fù)現(xiàn)性，選取一臺(tái)穩(wěn)定性較好的二等100 L金屬量器作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。在一個(gè)月時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

新型標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 新型標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)

由表2可知,100 L二等金屬量器一個(gè)月內(nèi)液位高度測(cè)量的最大差值為0.39 mm,滿足測(cè)量二等金屬量器準(zhǔn)確度要求。這驗(yàn)證了一等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)裝置的復(fù)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(biāo)準(zhǔn)金屬量器》的要求，標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的實(shí)驗(yàn)室溫度要控制在一定的范圍以內(nèi)，但不能保證實(shí)驗(yàn)室始終為同一溫度。考慮到溢流玻璃管、軟連接管會(huì)受到熱脹冷縮、毛細(xì)作用以及摩擦力的影響，需要對(duì)不同溫度下的溢流效果是否能夠達(dá)到液位一致進(jìn)行驗(yàn)證。

以100 L新型一等標(biāo)椎金屬量器為例，標(biāo)稱容積值液位高度為58.55 mm，分別在室溫15 ℃、20 ℃、30 ℃下進(jìn)行溢流平衡后，讀取一等標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到一等標(biāo)準(zhǔn)量器的標(biāo)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(dá)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(duì)于100 L的金屬量器誤差為2.8×10-6，遠(yuǎn)小于一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的最大允許誤差±5×10-5。

5.5 新型一等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器裝置不確定度

不確定度分析[11]是對(duì)被檢量器的影響因素放大進(jìn)行評(píng)定。評(píng)定得到的金屬量器校準(zhǔn)結(jié)果不確定度來源如表4所示。

表4 金屬量器校準(zhǔn)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(kuò)大被檢讀數(shù)誤差和重復(fù)性的情況下，得到相對(duì)擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)金屬量器自動(dòng)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(dòng)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(cè)量方法，同時(shí)也為容量量值傳遞提供了方便、快捷的解決方案。