楊榮淇

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

艙容計(jì)量

輔助艙容量比較法自動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

楊榮淇

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

介紹了在常規(guī)船舶輔助艙容量計(jì)量工作方法的基礎(chǔ)上，基于容量比較法原理，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)控制等設(shè)備，并依靠虛擬儀器程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)研制的輔助艙容量校準(zhǔn)裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組為主要計(jì)量設(shè)備，通過(guò)研究控制閥門(mén)安裝、管路連接、液位自動(dòng)采集方式、量器組合算法、電氣設(shè)備集成控制和軟件操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輔助艙容量校準(zhǔn)過(guò)程程序控制和自動(dòng)化操作。這樣可在保證量值傳遞和容量校準(zhǔn)可靠穩(wěn)定的同時(shí)，提高輔助艙容量測(cè)量的工作效率，減輕計(jì)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

輔助艙；容量校準(zhǔn)；虛擬儀器；集成控制

0 前言

船舶輔助艙主要是指除貨艙外的燃油艙、壓載水艙、柴油艙、滑油艙、淡水艙以及其他非主要艙室。這些輔助艙的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，難以使用常規(guī)的幾何數(shù)學(xué)模型描述內(nèi)部結(jié)構(gòu)及型線特征。

目前，船舶艙容量計(jì)量技術(shù)按照工作原理一般可分為幾何測(cè)量法和容量比較法兩大類(lèi)。雖然大尺寸測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，幾何測(cè)量法在大空間容量計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但是無(wú)法解決狹小空間或內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的艙室容量計(jì)量難題。因此目前只能通過(guò)容量比較法進(jìn)行量值傳遞［1］。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 702—2005《船舶液貨計(jì)量艙容量》中容量比較法的技術(shù)要求，在進(jìn)行檢定工作時(shí)，要求連續(xù)進(jìn)行，不可中斷。對(duì)于只能使用常規(guī)工作方法的計(jì)量人員，這種方式工作時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。以容量規(guī)格為50 m3的艙室為例，完成檢定需要連續(xù)工作8～10 h，耗時(shí)耗力。因此，亟待研制出一種可以提高工作效率的標(biāo)準(zhǔn)裝置來(lái)替代現(xiàn)用方法。

基于以上需求，本文針對(duì)現(xiàn)階段容量比較法進(jìn)行船舶艙容量計(jì)量時(shí)存在的缺點(diǎn)，研究使用標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組作為容量量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)量器的自動(dòng)注水、排水，溫度參數(shù)實(shí)時(shí)采集，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄、計(jì)算等功能。主要研究?jī)?nèi)容包括量器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造、罐內(nèi)液位自動(dòng)采集方式、控制閥門(mén)快速響應(yīng)調(diào)試、測(cè)量管路連接、量器組合工作算法、電氣設(shè)備集成控制和測(cè)控軟件操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

容量比較法是以水為檢定介質(zhì)，用標(biāo)準(zhǔn)量器與被檢量器相比較，然后以標(biāo)準(zhǔn)量器的量值來(lái)確定被檢量器量值的容量測(cè)量方法。

在使用容量比較法進(jìn)行船艙容量校準(zhǔn)工作時(shí)，具體操作流程是：首先向經(jīng)過(guò)檢定的相應(yīng)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)金屬量器中注入水并保持在測(cè)量范圍內(nèi)，等待液位穩(wěn)定后讀取游標(biāo)卡尺液位值得到標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)的檢定介質(zhì)容積；將標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)的水放入被檢船艙內(nèi)，等待被檢艙液位穩(wěn)定后，測(cè)量被檢艙液位高度，得到被檢艙內(nèi)一個(gè)容量校準(zhǔn)點(diǎn)的容量和液位；重復(fù)校準(zhǔn)操作得到被檢艙內(nèi)多個(gè)不同液位高度時(shí)的容積值，將原始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擬合插值處理后，最終得到船艙艙容表數(shù)據(jù)，完成被檢艙容量校準(zhǔn)。

在目前使用容量比較法進(jìn)行船艙容量校準(zhǔn)的工作過(guò)程中，測(cè)量得到每個(gè)容量校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)工作人員需要完成開(kāi)啟標(biāo)準(zhǔn)金屬量器注水放水閥門(mén)，等待液位穩(wěn)定和控水，讀取量器游標(biāo)卡尺示數(shù)及記錄測(cè)量數(shù)據(jù)等人工操作。整個(gè)校準(zhǔn)測(cè)量工作需要多個(gè)工作人員較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作才能完成，計(jì)量周期長(zhǎng)和自動(dòng)化程度低。

針對(duì)現(xiàn)階段輔助艙使用容量比較法進(jìn)行容量校準(zhǔn)工作時(shí)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)輔助艙自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，使用電氣集成控制和軟件操作系統(tǒng)，使校準(zhǔn)工作過(guò)程中液位測(cè)量讀取、標(biāo)準(zhǔn)金屬量器注水放水和數(shù)據(jù)記錄處理等工作能夠?qū)崿F(xiàn)程序控制和自動(dòng)操作，代替檢定人員的人工操作，提高工作效率和自動(dòng)化程度。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

輔助艙容量校準(zhǔn)裝置主要包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩部分。

2.1 硬件設(shè)備

硬件設(shè)備包括若干不同規(guī)格型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)金屬量器、磁致伸縮液位計(jì)、傳感器、電磁閥、電動(dòng)球閥、閥門(mén)執(zhí)行器、連接管路等。校準(zhǔn)時(shí)，可以根據(jù)需要選用合適規(guī)格的金屬量器組合并連接測(cè)量管路，快速完成計(jì)量裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝。裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 輔助艙容量校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)示意

校準(zhǔn)裝置采用5個(gè)不同型號(hào)的二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器具實(shí)現(xiàn)容量量值的準(zhǔn)確傳遞。規(guī)格分別為1 000L、500L、200L、100L和50L，最大允許相對(duì)誤差為±2.5×10-4。5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金屬量器采用快速接頭進(jìn)行連接，既可以單個(gè)使用，也可以任意個(gè)數(shù)組合使用。電器控制箱內(nèi)安裝有可編程控制器及連接設(shè)備，使用航空接頭可快速連接控制閥和液位計(jì)，計(jì)算機(jī)直接與電器控制箱通信?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，安裝連接計(jì)量設(shè)備后，計(jì)量人員通過(guò)操作界面即可完成測(cè)量工作。

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，外部供水管路通過(guò)入口端與手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口連接，電磁閥的出口與標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的進(jìn)水管路連接，考慮到各量器的規(guī)格不同，進(jìn)水流量需根據(jù)實(shí)際條件各自設(shè)定。出水管路與電動(dòng)球閥的進(jìn)水口連接，電動(dòng)球閥的出水口與被檢艙體的注水口相連，匯總至入艙管路，直接排入被校準(zhǔn)輔助艙底部。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器改裝設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器注水口依次安裝電磁閥和止回閥。電磁閥控制注水管路開(kāi)閉，止回閥可防止水路逆流影響計(jì)量準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)金屬量器出水口安裝電動(dòng)球閥，控制出水管路開(kāi)閉。電磁閥控制進(jìn)水、電動(dòng)球閥控制出水。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的計(jì)量頸處均安裝有磁致伸縮液位計(jì)，并通過(guò)定制工裝固定，通過(guò)測(cè)量磁性浮球的位移數(shù)據(jù)得到量器內(nèi)液位高度，并可同時(shí)測(cè)量罐內(nèi)液體溫度。標(biāo)準(zhǔn)金屬量器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

2.1.2 電器控制箱設(shè)計(jì)

電器控制箱用于安裝邏輯控制模塊、閥門(mén)控制電路和供電模塊，以便在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)線路連接和使用操作。電器控制箱內(nèi)主要包括邏輯控制器、24 V電源模塊、中間繼電器、狀態(tài)指示燈及線路接口。電器控制箱封裝面板上安裝電源及通信線路接口和指示燈元件，封裝面板內(nèi)固定安裝控制器等電器元件。電器控制箱內(nèi)電器連接示意如圖3所示。

圖3 電器連接示意

邏輯控制器基于MODBUS通信協(xié)議，通過(guò)數(shù)字量輸出端控制標(biāo)準(zhǔn)金屬量器管路閥門(mén)及自動(dòng)采集液位數(shù)據(jù)［2］。電器控制箱與上位機(jī)連接，接收處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令開(kāi)閉對(duì)應(yīng)閥門(mén)。上位機(jī)接收邏輯控制器發(fā)送的液位數(shù)據(jù)，并依靠控制程序按照檢定規(guī)程發(fā)送量器控制指令、液位計(jì)算處理和數(shù)據(jù)記錄等操作。電器控制箱內(nèi)封裝面板用于安裝電源通信接口和狀態(tài)指示燈元件，面板上元件包括接口區(qū)和指示燈區(qū)，見(jiàn)圖4。指示燈區(qū)分別顯示5個(gè)電磁閥和5個(gè)電動(dòng)球閥的開(kāi)閉狀態(tài)；接口區(qū)包括用于10個(gè)控制閥門(mén)的線路連接和電源接線。封裝面板上集成控制閥門(mén)、液位計(jì)通信和上位機(jī)通信的快速連接端口，可快速完成設(shè)備通信接線。

圖4 封裝面板示意

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括測(cè)量程序控制系統(tǒng)和邏輯控制執(zhí)行程序。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)將電器控制箱與計(jì)算機(jī)連接通信后，由控制系統(tǒng)提供操作界面，完成對(duì)校準(zhǔn)裝置的測(cè)量控制和數(shù)據(jù)計(jì)算處理等工作。

控制程序主要包括上位機(jī)軟件程序和執(zhí)行控制程序，完成不同的數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制任務(wù)。執(zhí)行控制程序安裝在電氣控制箱內(nèi)，負(fù)責(zé)完成上位機(jī)端控制指令的接收?qǐng)?zhí)行、按指令開(kāi)閉閥門(mén)、液位計(jì)通信和數(shù)據(jù)發(fā)送。測(cè)量控制及工作流程如圖5所示。

圖5 程序控制流程

程序初始化后，循環(huán)采集液位計(jì)數(shù)值并設(shè)置查詢通信中斷，收到通信信號(hào)時(shí)發(fā)送液位和溫度數(shù)據(jù)到上位機(jī)端，檢測(cè)閥門(mén)控制信息。若有，則將相應(yīng)控制指令轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量，控制對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)注水或放水操作。

上位機(jī)軟件程序配置在筆記本電腦上，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)與控制箱連接，負(fù)責(zé)控制整個(gè)校準(zhǔn)裝置有效運(yùn)行、處理存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)、輸出閥門(mén)控制指令以及提供用戶操作界面。

測(cè)量設(shè)置共有兩種工作模式，分別為自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式。

1）自動(dòng)工作模式下，校準(zhǔn)工作過(guò)程中向被校準(zhǔn)輔助艙中不間斷注水。通過(guò)實(shí)時(shí)記錄累積流量和對(duì)應(yīng)液位高度值，計(jì)算和繪制容量表。這種工作方式所需要的校準(zhǔn)時(shí)間短、效率高，適用于需要快速校準(zhǔn)的場(chǎng)合。在程序設(shè)計(jì)中，為了提高注水效率，采用組合測(cè)量的方式，使單次注水量可以根據(jù)實(shí)際需要有更多的選擇，每次注水通過(guò)測(cè)控軟件系統(tǒng)操作實(shí)現(xiàn)。

2）在手動(dòng)工作模式下，需要預(yù)先設(shè)定一組預(yù)估分量體積或者液位間隔。校準(zhǔn)工作過(guò)程中每次注入預(yù)定分量的介質(zhì)后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)并延時(shí)等待液位穩(wěn)定，然后讀取對(duì)應(yīng)的液位高度。一次測(cè)量結(jié)束后進(jìn)入同組下一預(yù)定分量的注入、延時(shí)和測(cè)量，重復(fù)該過(guò)程直到整個(gè)校準(zhǔn)工作完成。這種工作方式下，系統(tǒng)獲得的液位穩(wěn)定性較高，可以獲得更高的液位測(cè)量精度。

軟件程序按照界面功能分為船艙校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，程序主界面有功能按鈕選擇進(jìn)入不同的功能界面完成不同的程序操作，如圖6所示。

圖6 程序運(yùn)行主界面

程序主界面中的功能選擇按鈕包括開(kāi)始校準(zhǔn)按鈕、數(shù)據(jù)處理按鈕和停止按鈕，子面板用于顯示功能控制界面。開(kāi)始校準(zhǔn)按鈕用于設(shè)置運(yùn)行容量校準(zhǔn)控制子程序，其中校準(zhǔn)模式設(shè)置包括手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，提供不同的校準(zhǔn)控制方式。數(shù)據(jù)處理按鈕用于在校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)束后運(yùn)行數(shù)據(jù)處理子程序，對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)使用不同方法擬合分析后生成艙容報(bào)表結(jié)果。

使用主界面開(kāi)始校準(zhǔn)按鈕設(shè)置運(yùn)行容量校準(zhǔn)控制子程序后，子面板上顯示出校準(zhǔn)操作界面。校準(zhǔn)操作界面包括參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)控制、量器狀態(tài)顯示和測(cè)量數(shù)據(jù)記錄等功能。

程序界面上的參數(shù)控制模塊包含參數(shù)設(shè)置按鈕、通信端口選擇控件、通信狀態(tài)指示燈和開(kāi)始運(yùn)行按鈕。通信狀態(tài)指示燈可顯示通信是否正常；通信端口選擇控件用于計(jì)算機(jī)與電器控制箱通信時(shí)計(jì)算機(jī)端口選擇輸入；點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置按鈕可以彈出校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置的對(duì)話框，在對(duì)話框內(nèi)輸入校準(zhǔn)試驗(yàn)的參數(shù)。

校準(zhǔn)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)顯示裝置的狀態(tài)變化，包括量器運(yùn)行狀態(tài)和通信連接狀態(tài)。程序內(nèi)5個(gè)量器的圖形界面用于標(biāo)識(shí)量器不同的操作狀態(tài)；通信指示燈用于顯示計(jì)算機(jī)端與電器控制箱的通信狀態(tài)。

在程序主界面選擇進(jìn)入數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理功能后，子面板顯示數(shù)據(jù)處理功能界面。數(shù)據(jù)處理功能界面上包含多個(gè)用于處理算法的選擇面板控件、參數(shù)設(shè)置輸入控件、報(bào)表設(shè)置按鈕和程序退出按鈕。

算法選擇面板控件上根據(jù)選擇算法和處理參數(shù)的不同在圖形框圖上顯示處理前后的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并以不同顏色標(biāo)識(shí)。對(duì)比不同方法的處理效果，選擇最優(yōu)的擬合插值方法。數(shù)據(jù)處理界面用在船艙容量校準(zhǔn)試驗(yàn)后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理，應(yīng)用不同的數(shù)學(xué)算法處理原始數(shù)據(jù)，優(yōu)化選擇算法后生成報(bào)表信息。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證輔助艙校準(zhǔn)裝置的技術(shù)性能，使用校準(zhǔn)裝置對(duì)1 000 L二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。由于需要驗(yàn)證組合測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此選用了50 L、100 L、200 L和500 L的量器連接，組合使用。

評(píng)價(jià)校準(zhǔn)裝置性能指標(biāo)的基本參數(shù)可以分為兩項(xiàng)，分別為測(cè)量精度誤差和測(cè)量重復(fù)性。該試驗(yàn)中，測(cè)量誤差由多次測(cè)量示值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的相對(duì)差值表示。測(cè)量重復(fù)性采用多次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，使用貝塞爾法計(jì)算。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)分析可知：輔助艙校準(zhǔn)裝置10次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)測(cè)量誤差為4.47×10-4，均為正值，說(shuō)明校準(zhǔn)裝置的測(cè)量結(jié)果相較于標(biāo)準(zhǔn)量偏大。這可能是由于個(gè)別量器底部的電磁閥響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或磁致伸縮液位計(jì)數(shù)值偏差等因素引起。測(cè)量重復(fù)性為0.153 L，與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，為1.53×10-4，可作為重復(fù)性不確定度分量引入分析。綜合以上兩項(xiàng)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作條件中，還需考慮環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

輔助艙容量校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于容量比較法校準(zhǔn)輔助艙容量的程序控制和自動(dòng)化操作。重點(diǎn)研究了液位自動(dòng)采集方法、標(biāo)準(zhǔn)金屬量器組合連接控制裝置和軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，在保證容積計(jì)量準(zhǔn)確可靠的同時(shí)，提高了輔助艙容量測(cè)量的工作效率，減輕了計(jì)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段輔助艙容量校準(zhǔn)方法的不足。本文的試驗(yàn)中環(huán)境溫度控制為標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，正負(fù)偏差不大于2K。若溫度浮動(dòng)超過(guò)2K時(shí)，還應(yīng)考慮引入溫度影響的誤差修正。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

［1］劉子勇，郭立功.容量計(jì)量研究方向［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理.2007（6）：11-13.

［2］王吉平，趙哲，田克純，等.基于LabVIEW的通信測(cè)量技術(shù)研究［J］.自動(dòng)化與儀表，2011（1）：29-31.

Design of Capacity Calibration System of Auxiliary Tanks Based on Comparison Method

YANG Rong-qi
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Based on the capacity measurement method of auxiliary tanks in routine ships，in view of the principle of capacity comparison method and combined with data acquisition and field control equipment，capacity calibration device of auxiliary tanks developed on virtual instrument program development platform was introduced in the paper. System design in the standard metallic measurer group was taken as the main measurement equipment and by researching installment of control valve，pipe connection，liquid level automatic acquisition，gauges combination algorithm，electrical equipment integrated control and operating system software development and design，the process control and automation of the auxiliary tank capacity calibration was realized.The system ensured stable and reliable transmission and capacity calibration value，improved the work efficiency of the auxiliary tank capacity measurement and also reduced the labor intensity of measuring personnel.

auxiliary tank；capacity calibration；virtual instrument；integrated control

TB938.3

A

1001－4624（2016）02－0087－06

2016-06-03；

2016-08-25

楊榮淇（1985—），男，工程師，從事船舶艙容量計(jì)量工作。