吳辰飛 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著世界能源消耗的逐年增加，能源危機(jī)日益加深，作為交通工具傳統(tǒng)能源的汽油和柴油的價(jià)格不斷飆升，使得交通工具業(yè)主的經(jīng)濟(jì)壓力越來越大。液化石油氣(LPG)是一種新型能源，可以代替汽油、柴油作為燃料，廣泛用于石油、化工、冶金、交通、供熱等各個(gè)領(lǐng)域。LPG在我國(guó)機(jī)動(dòng)車上的使用、推廣已有十多年歷史。

現(xiàn)用的LPG加氣機(jī)檢定裝置檢定時(shí)需要人工測(cè)量溫度、密度，而密度測(cè)量既不方便又有一定的危險(xiǎn)性。人工測(cè)得溫度、密度等量值后，再查表計(jì)算出示值誤差。不僅每次檢定的工作量大，檢定時(shí)間長(zhǎng)，更主要是影響了加氣站的正常加氣工作，引起客戶的不滿。為了快速、安全地實(shí)施強(qiáng)檢和更好地為用戶服務(wù),調(diào)研了國(guó)外相關(guān)的產(chǎn)品，擬將自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到LPG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集溫度、密度、壓力等數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理快速得出檢測(cè)結(jié)果。將整個(gè)在線檢定裝置設(shè)計(jì)成高精度、高可靠性、高安全性、易操作、移動(dòng)方便的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于LPG加氣機(jī)在線檢定的手段和方法還處于摸索、積累階段，檢測(cè)方法采用質(zhì)量法、容積法、質(zhì)量容積法、質(zhì)量流量計(jì)法、容積式流量計(jì)法、速度式流量計(jì)法。在國(guó)外，LPG加氣機(jī)的在線檢定方法有容積罐法、質(zhì)量罐法、標(biāo)準(zhǔn)表法等。澳大利亞、意大利等一些國(guó)家已經(jīng)具備了較成熟的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)工作原理與功能指標(biāo)

LPG加氣機(jī)在線檢定裝置（以下簡(jiǎn)稱：裝置）主要由質(zhì)量流量傳感器、壓力變送器、溫度變送器、電磁閥、PLC數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、連接管路、液晶顯示器、便攜式計(jì)算機(jī)組成。液晶顯示器可顯示測(cè)量過程中的壓力、溫度、密度、流量及工作狀態(tài)。其中，質(zhì)量流量計(jì)采用Fisher-Rosemount公司生產(chǎn)的，防爆類型為本安型，在加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定過程中，可實(shí)時(shí)測(cè)量LPG的瞬時(shí)質(zhì)量流量、累積質(zhì)量流量、密度。PLC數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的西門子可編程控制器，通過實(shí)時(shí)采集的質(zhì)量流量、密度、溫度、壓力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以直接得到標(biāo)準(zhǔn)工況下的體積量和被檢加氣機(jī)的誤差數(shù)據(jù)，方便地實(shí)現(xiàn)檢定過程的自動(dòng)化。

1.1 工作原理

在LPG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，將加氣機(jī)上的加氣槍連接到本裝置的入口處，將本裝置的加氣槍連接到機(jī)動(dòng)車上（或加氣機(jī)的回流口上）。這樣，標(biāo)準(zhǔn)裝置與LPG加氣機(jī)就組成了串聯(lián)管路，通過比較兩者之間的數(shù)值即可確定LPG加氣機(jī)的示值誤差。如果加氣機(jī)可以測(cè)量并顯示累積質(zhì)量流量，則用累積質(zhì)量流量值進(jìn)行比較；如果加氣機(jī)只能顯示累計(jì)體積流量，則用累積體積流量值進(jìn)行比較，這時(shí)根據(jù)加氣機(jī)的體積示值是工況下還是標(biāo)準(zhǔn)工況下，測(cè)量或計(jì)算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)密度值，用以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)累計(jì)體積流量值。在線檢定示意圖如圖1，測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖2。

圖1 檢定裝置示意圖

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)功能

通過質(zhì)量流量計(jì)、密度測(cè)量裝置、控制系統(tǒng)以及其他配套設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟件，建立一套具備即時(shí)數(shù)據(jù)處理功能的LPG加氣機(jī)在線檢定裝置，將其安裝在專項(xiàng)作業(yè)車上。在對(duì)LPG加氣站檢定時(shí)，將加氣機(jī)上的加氣槍連接到本裝置的入口處，再將本裝置的加氣槍連接到LPG加氣機(jī)的回流口上，即可按JJG 997-2005《液化石油氣加氣機(jī)》進(jìn)行檢定。本裝置可顯示累積體積流量及累積質(zhì)量流量值，以適用不同的加氣機(jī)。經(jīng)過檢定，將加氣機(jī)的示值輸入計(jì)算機(jī)，即可將被檢LPG加氣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)兩者的示值進(jìn)行比較，顯示LPG加氣機(jī)的示值誤差，從而調(diào)校加氣機(jī)的K系數(shù)，直至誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

1.3 性能指標(biāo)

質(zhì)量流量準(zhǔn)確度：± 0.05%（FS）；

密度測(cè)量準(zhǔn)確度：±0.000 5 g/cm3

質(zhì)量測(cè)量重復(fù)性：± 0.025%（FS）

密度測(cè)量重復(fù)性：± 0.000 2 g/cm3

溫度測(cè)量準(zhǔn)確度：±0.2℃

2 系統(tǒng)配置

2.1 流量計(jì)

選用質(zhì)量流量計(jì)，其密度測(cè)量值既可由質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)的傳感器給出，也可根據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)要求另行選配振動(dòng)竿式密度計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)是基于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理，具有：質(zhì)量流量最大允許誤差為流量值的±0.05%，密度測(cè)量最大允許誤差為± 0.000 5 g/cm3，而且可直接通過RS485通信，獲取和顯示工況條件下的質(zhì)量流量、密度以及溫度數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到在15℃的密度、質(zhì)量和體積流量。

2.2 控制系統(tǒng)

負(fù)責(zé)監(jiān)控檢定裝置工作狀態(tài)，采用快速運(yùn)算的可編程控制器，通過模塊組合，具有集成通用型通信接口、各種擴(kuò)展功能及分布式數(shù)字I/O口、無電池運(yùn)行及讀寫數(shù)據(jù)、測(cè)量資料貯存等功能?？刂葡到y(tǒng)配置雙屏顯示，可實(shí)現(xiàn)流量、密度、溫度、壓力實(shí)時(shí)在線自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)體積量換算、誤差計(jì)算、報(bào)表處理等數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能。

2.3 承載設(shè)備

LPG加氣機(jī)均為現(xiàn)場(chǎng)檢定，且檢定裝置本身有一定的體積和質(zhì)量。針對(duì)這一特點(diǎn)，選用江西生產(chǎn)的全順車作為本項(xiàng)目的基車，改裝后分為前后兩個(gè)空間，前部為6座(含駕駛員），完全滿足檢定人員的乘用，現(xiàn)場(chǎng)檢定用的標(biāo)準(zhǔn)裝置安放在車廂后部，后部空間較大并與前部乘座位置隔離，既符合車輛管理部門的要求，也滿足安全隔離防護(hù)的目的。

2.4 其他設(shè)備

便攜式計(jì)算機(jī)和打印機(jī)等。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)

目前在現(xiàn)場(chǎng)檢定LPG加氣機(jī)的方法有原始法和標(biāo)準(zhǔn)表法， 原始法又分質(zhì)量法、容積法和質(zhì)量容積法；標(biāo)準(zhǔn)表法一般采用質(zhì)量流量計(jì)法或容積式流量計(jì)法，也有速度式流量計(jì)的。鑒于以往在用的LPG加氣機(jī)檢定裝置已采用了質(zhì)量流量計(jì)法，經(jīng)過一定時(shí)期的實(shí)際檢定，積累了較為豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。因此仍采用質(zhì)量流量計(jì)法作為測(cè)量方法。配備帶有高精度密度測(cè)量的艾默生質(zhì)量流量計(jì)作為L(zhǎng)PG流量和密度測(cè)量，同時(shí)亦配置高精度壓力變送器和溫度變送器作為對(duì)LPG壓力和溫度補(bǔ)償測(cè)量，并加一個(gè)防爆電磁閥用于檢定過程的啟動(dòng)或停止。

經(jīng)改造設(shè)計(jì)的LPG 加氣機(jī)在線檢定裝置在各類傳感器的選用、管路、計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)等方面進(jìn)行了充分優(yōu)化設(shè)計(jì)，其技術(shù)水平和性能均優(yōu)于原裝置（見表1）。

表1 LPG加氣機(jī)在線檢定裝置改造前后的對(duì)比

3.2 軟件界面

與系統(tǒng)配套的控制測(cè)量軟件可實(shí)時(shí)采集檢定過程所需的質(zhì)量流量、密度、溫度、壓力等參數(shù)，經(jīng)過軟件的數(shù)據(jù)處理直接在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示質(zhì)量流量的累積量、體積流量累積量、溫度、壓力以及與加氣機(jī)的比對(duì)誤差等參數(shù)。監(jiān)測(cè)控制軟件操作人機(jī)界面如圖3所示。

3.3 裝置特點(diǎn)

本裝置設(shè)計(jì)新穎、自動(dòng)化程度高，裝置的技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

1）可對(duì)質(zhì)量流量、密度、壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，尤其是密度測(cè)量無需再用其他儀表進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，使裝置的測(cè)量準(zhǔn)確性和安全性大大提高。

2）采用西門子PLC可編程控制器作為數(shù)據(jù)采樣、處理的核心單元，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程的自動(dòng)化，提高了工作效率。

3）雙屏顯示方式。除了在配備的便攜式計(jì)算機(jī)上顯示裝置的監(jiān)測(cè)畫面外，另外設(shè)置可旋轉(zhuǎn)的觸摸屏，顯示測(cè)量的進(jìn)程，方便向車外操作人員提示操作流程。

4）友好的人機(jī)界面，方便檢定人員輸入被檢設(shè)備的相關(guān)信息，自動(dòng)顯示、計(jì)算、記錄、保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，減輕檢定人員的工作量。

圖3 軟件界面

4 車載LPG加氣機(jī)在線檢定裝置的總不確定度

由質(zhì)量流量計(jì)及其配套裝置的不確定度所構(gòu)成，不包括由于被測(cè)對(duì)象所引入的測(cè)量不確定度。各測(cè)量點(diǎn)的不確定度匯總見表2～表4。

各測(cè)量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

表2 50 L測(cè)量點(diǎn)

表3 40 L測(cè)量點(diǎn)

表4 20 L測(cè)量點(diǎn)

取包含因子k，擴(kuò)展不確定度為

相對(duì)擴(kuò)展不確定度

相對(duì)擴(kuò)展不確定度

相對(duì)擴(kuò)展不確定度

根據(jù)以上分析，車載LPG加氣機(jī)在線檢定裝置的總不確定度為

5 結(jié)語(yǔ)

開發(fā)的新一代車載LPG加氣機(jī)在線檢定裝置，有效地將檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，首次將LPG加氣機(jī)檢定過程中的重要參數(shù)密度值實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，大大提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的空白。此外，由于該裝置自動(dòng)化程度較高，僅需將該裝置串聯(lián)在加氣機(jī)回路中就可自動(dòng)進(jìn)行檢定。不僅提高了檢定效率和減輕檢定人員的工作量，而且對(duì)加氣站正常工作的影響也大大減少。因此，該裝置的研制成功對(duì)加氣機(jī)的檢定技術(shù)提高具有一定的推進(jìn)作用，將會(huì)產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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