林軍 呂丹/福建省計量科學(xué)研究院；福建省能源計量重點(diǎn)實驗室；國家城市能源計量中心（福建）

0 引言

燃油加油機(jī)作為油品貿(mào)易結(jié)算的強(qiáng)制檢定計量器具，其計量準(zhǔn)確關(guān)系著經(jīng)營者和消費(fèi)者的合法權(quán)益。在JJG 443-2006《燃油加油機(jī)》檢定規(guī)程中提出影響加油機(jī)檢定的兩個關(guān)鍵問題[1]：一是油的溫度測量問題；二是加油槍流量測量問題。傳統(tǒng)的燃油加油機(jī)主要采用容量比較法進(jìn)行，即燃油加油機(jī)向標(biāo)準(zhǔn)金屬量器加入定量油品，人工讀取液位高度，秒表手動測量注油全過程時間，并在計量頸內(nèi)放置溫度計來人工讀取油槍口溫度和標(biāo)準(zhǔn)量器內(nèi)油品的平衡溫度，再通過人工計算得到標(biāo)準(zhǔn)容積，與燃油加油機(jī)示值進(jìn)行比較計算。傳統(tǒng)的檢定模式存在如下缺點(diǎn)：1）液位值采用人工肉眼讀取，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，且安全性和可靠性低；2）流量測量方法是根據(jù)燃油加油機(jī)的全量程體積值與加油時間之比來計算，由于秒表計時受人為因素影響較大，且加油起始和結(jié)束階段流量不穩(wěn)定，導(dǎo)致所得到的流量數(shù)值與實際誤差較大，甚至可能影響檢定結(jié)果；3）溫度測量多采用水銀溫度計或數(shù)字溫度計進(jìn)行全進(jìn)式或半進(jìn)式操作，出口溫度測量受環(huán)境溫度影響大，誤差大且沒有防爆設(shè)計[2-3]。

因此，本文設(shè)計了一種新型燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)，本質(zhì)安全可以在加油站使用，對燃油加油機(jī)檢定中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行自動監(jiān)測記錄，并實現(xiàn)加油機(jī)油槍出口溫度、標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)溫度、體積和流量等參數(shù)的自動采集測量、計算等功能，并在檢定完成后，自動處理和顯示結(jié)果，自動生成原始記錄。其可降低人工操作的繁瑣程度，提高檢定效率，同時保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，有效提高計量檢定準(zhǔn)確度。

1 燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

燃油加油機(jī)自動檢定裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中油品從進(jìn)油口進(jìn)入后，經(jīng)由導(dǎo)油管注入底部，注油過程中由油品飛濺引起的氣泡大量減少，有效減少檢定人員等待時長。液位傳感器固定在溢油罩上，可防止油品濺出，影響計量準(zhǔn)確度。兩路溫度傳感器測量加油機(jī)油槍出口溫度和標(biāo)準(zhǔn)量器內(nèi)油品的平衡溫度，準(zhǔn)確、安全且可靠。

1.1 液位傳感器

油品液位計量采用磁致伸縮液位傳感器[4]，其工作原理是利用兩個不同的磁場相交使波導(dǎo)管發(fā)生波導(dǎo)扭曲，產(chǎn)生超聲波信號，然后通過計算檢測時間即可得到動磁鐵的準(zhǔn)確位置[5-6]。針對標(biāo)準(zhǔn)容器的高度，20 L 罐體搭配量程 0～510 mm 的測量桿，50 L罐體搭配量程0～670 mm的測量桿；由于燃油具有腐蝕性，測量桿應(yīng)為厚壁、耐腐蝕的不銹鋼管材；直徑為10 mm，在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度情況下盡可能小，以滿足分度容積的要求；浮球為圓柱體，半徑10 mm，高 30 mm。

圖1 整體硬件結(jié)構(gòu)

1.2 防爆

燃油加油機(jī)檢定過程在加油站內(nèi)進(jìn)行，由于加油站是經(jīng)營易燃易爆危險品的場所，需要防火、防爆、防雷以及防靜電等，安全工作要求高，因此燃油加油機(jī)自動檢定裝置在設(shè)計時需要考慮在加油站內(nèi)（即危險區(qū)）的硬件防爆設(shè)計，包括元件防爆和電路防爆等[7-8]。電路防爆通過安全柵實現(xiàn)，在輸入、輸出和電源三方之間形成電氣隔離，可以達(dá)到限能的目的。安全柵放置在顯示控制箱中，顯示控制箱采用隔爆型防爆箱，通過接線電纜與外部設(shè)備連接。接線電纜只需要本安電纜，不需采用防爆管連接，整套裝置更加輕便、靈活。數(shù)據(jù)處理在上位機(jī)進(jìn)行，置于安全區(qū)，兩者之間為無線通信。

燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)中的溫度傳感器和磁致伸縮傳感器采用間隙隔爆的原理，將可能產(chǎn)生電火花、電弧等的電路都密封于電子頭。當(dāng)腔內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體時，可通過接合面間隙減溫減壓，將爆炸的能量隔絕在腔體內(nèi)部，無法傳導(dǎo)到腔外，保證安全。

2 燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)檢定流程

燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)[9-10]進(jìn)行燃油加油機(jī)檢定時的實施流程如圖2所示。上位機(jī)發(fā)送開始檢測命令，在注油口開始人工注油，磁致伸縮傳感器和兩路溫度傳感器同時啟動，并實時傳輸數(shù)據(jù)至測量終端，具體流程如下。

1）采用注油中段測量法，即取磁致伸縮傳感器到達(dá)滿量程1/5位置到4/5位置之間的體積和注油時間，來計算注油過程的流量，區(qū)別傳統(tǒng)的采用全段計量流量的方法，可以有效避免加油起始和結(jié)束階段流量不穩(wěn)定帶來的誤差，同時軟件自動化操作可以有效避免人工秒表計時的操作誤差。

2）多次試驗后，發(fā)現(xiàn)在磁致伸縮傳感器到達(dá)滿量程2/5位置、3/5位置、4/5位置時，各采集一次油槍出口溫度，并取平均值作為最終結(jié)果能較好地反映全量程的溫度情況。

3）當(dāng)磁致伸縮傳感器變化小于2 mm/s時，認(rèn)為注油過程已結(jié)束，為了等待油沫和氣泡消失，需延遲一定時間讀數(shù)。延遲時間到達(dá)后，每隔3 s讀取一次量器內(nèi)油溫，共讀取三次，并取平均值作為最終結(jié)果，同時讀取磁致伸縮傳感器輸出數(shù)據(jù)以計算體積等參數(shù)。

圖2 實施流程

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 溫度參數(shù)

油槍出口溫度和量器內(nèi)油溫各測量記錄三次，取平均值作為測量結(jié)果。

3.2 流量

已知標(biāo)準(zhǔn)量器注油從磁致伸縮傳感器的滿量程1/5位置至4/5位置時，油體的體積為V，注油時間經(jīng)測量為t，則流量Q=V/t。

3.3 體積[11-13]

檢定過程得到磁致伸縮傳感器輸出的液位高度，經(jīng)過以下過程得到體積值：將傳感器輸出的線性信號轉(zhuǎn)換為浮球距離零位值的高度；由于磁致伸縮傳感器的浮球是用水進(jìn)行標(biāo)定的，對高度值進(jìn)行油體密度修正；根據(jù)計量頸的分度容積，將高度值轉(zhuǎn)化為體積值；最后根據(jù)油槍口處油溫和量器內(nèi)的油溫，進(jìn)行溫度修正得到實際體積。

1）由于磁致伸縮傳感器輸出的值是線性的數(shù)字信號，通過一階參數(shù)修正轉(zhuǎn)化為對應(yīng)傳感器的浮球距離零位值的長度，見式（1）。

式中：x——磁致伸縮傳感器直接輸出的信號；

k——修正參數(shù)；

b——對應(yīng)的零位值；

h測——測到高度

2）根據(jù)浮力公式F=ρgv，由于被測液體跟水存在密度差異，在浮球重量相同時，浮球排開的體積必然不同，因此必須作出修正，見式（2）。

3）體積與高度關(guān)系見式（3）。

式中：V標(biāo)——標(biāo)稱容積；

h標(biāo)——標(biāo)稱容積下的標(biāo)準(zhǔn)高度；

S——分度容積，即計量頸每毫米高度對應(yīng)的體積

4）量器在試驗溫度tJ下的實際體積值VBt的計算公式如下。

式中：VBt——量器在tJ℃下給出的實際體積值；

VB——量器在20℃下標(biāo)準(zhǔn)容積；

βy、βB分別——檢定介質(zhì)和量器材質(zhì)的體積膨漲系數(shù)；

tJ、tB分別——加油機(jī)油槍出口油溫和量器內(nèi)的油溫

5）由式（1）（2）（3）（4）聯(lián)立得到量器在tJ℃下給出的實際體積值VBt與磁致伸縮傳感器輸出x，如式（5）所示：

4 試驗驗證

應(yīng)用本文燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)裝置測量某加油站加油機(jī)，檢定界面如圖3所示，可顯示檢定過程實時信息和參數(shù)，檢定完成后可顯示油品體積、誤差和重復(fù)性等參數(shù)，系統(tǒng)操作方便、簡潔。

圖3 檢定界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計的燃油加油機(jī)自動檢定系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的檢定模式具有如下優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)。

1）測量過程和數(shù)據(jù)處理無需大量人工操作，提高了系統(tǒng)的自動化程度，同時保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，有效提高了檢定準(zhǔn)確度。

2）采用磁致伸縮傳感器測量油體液位，相較于人眼識別，提高了測量準(zhǔn)確度。

3）取磁致伸縮傳感器到達(dá)滿量程1/5位置到4/5位置之間的體積和注油時間，來計算注油過程的流量，可以有效避免人工秒表計時的操作誤差以及加油起始和結(jié)束階段流量不穩(wěn)定帶來的誤差。

4）液位高度處理算法可以避免磁致伸縮傳感器帶來的浮球密度誤差和溫度誤差等，提高裝置的準(zhǔn)確度。