楊曉艷,薛慧萍,楊煥誠,王 寧

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測試研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.烏海市檢驗(yàn)檢測中心，內(nèi)蒙古 烏海 016099；3.內(nèi)蒙古北檢質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器量值溯源系統(tǒng)是容量量值傳遞與溯源的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于石油化工、乳業(yè)、供水排水、能源等領(lǐng)域，容量量值計(jì)量準(zhǔn)確與否對(duì)節(jié)能減排和降低能耗有積極作用。油氣石油化工領(lǐng)域的大宗貿(mào)易商品，涉及貿(mào)易結(jié)算和安全防護(hù)，必須解決容量量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一等問題。這不僅關(guān)系到貿(mào)易雙方的利益，而且按照國家《計(jì)量法》的規(guī)定，用于貿(mào)易交接的石油、供水等液體容量計(jì)量器具及相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)依法納入強(qiáng)制管理范圍。我國現(xiàn)行有效的JJG259-2005《標(biāo)準(zhǔn)金屬量器》國家檢定規(guī)程，已運(yùn)行近20年，亟待修訂以適應(yīng)容量計(jì)量器具發(fā)展的需要。這對(duì)于容量量值溯源系統(tǒng)的完整性和貿(mào)易交接的公平性來說是非常重要的問題。建立標(biāo)準(zhǔn)金屬量器量值溯源系統(tǒng)對(duì)于促進(jìn)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)及其他計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)開展金屬量器及其容量計(jì)量器具檢定工作、保證貿(mào)易結(jié)果的公平性，以及促進(jìn)我國容量計(jì)量技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

溯源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。自來水通過凈化系統(tǒng)的處理后灌入儲(chǔ)水箱，水箱內(nèi)置液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測注水情況，以確保其水位始終處于合理工作狀態(tài)內(nèi)。開展標(biāo)準(zhǔn)金屬量器溯源工作時(shí)，啟動(dòng)水泵將水箱內(nèi)的凈化水注入檢校管道。凈化水首先進(jìn)入氣水分離器，排出其中的大部分空氣，之后再流經(jīng)裝有自動(dòng)排氣閥的彎頭，排出剩余的少量空氣。經(jīng)過兩次排氣后，純凈水以下進(jìn)水的方式注入標(biāo)準(zhǔn)金屬量器，待其液位上升至計(jì)量徑的溢流閥時(shí)停泵并靜置一段時(shí)間。之后開啟計(jì)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(nèi)，計(jì)算被檢/校金屬量器的計(jì)量頸刻度液位高度及偏差。此過程結(jié)束后打開被檢金屬量器底部的排液閥，將污水按符合相關(guān)要求排出。整個(gè)檢校流程由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，檢校人員僅需讀取并錄入被檢金屬量器的標(biāo)尺數(shù)據(jù)。配備標(biāo)準(zhǔn)金屬量器規(guī)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(guī)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(jié)構(gòu)示意

2 控制系統(tǒng)組成

圖2 控制系統(tǒng)組成

硬件構(gòu)成方面主要包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制柜、變頻控制柜、EMC及保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)配合PLC控制柜與現(xiàn)場控制柜組成整套系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS可編程控制器系列產(chǎn)品。系統(tǒng)選用的信號(hào)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(shù)字量輸入/輸出模塊均具有LED 狀態(tài)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(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)泵的爬坡啟動(dòng)和停止，避免突然關(guān)閉帶來的水錘影響；同時(shí)可通過變頻調(diào)節(jié)泵的出水量和壓力。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

JJG 259-2005標(biāo)準(zhǔn)金屬量器；JJF 1033-2016計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范；JJF 1059.1-2012測量不確定度評(píng)定與表示；JJF 1182-2021計(jì)量器具軟件評(píng)測指南；CNAS-RL02：2018能力驗(yàn)證規(guī)則；GB/T 17626.1-2006電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 抗擾度試驗(yàn)總論；GB/T 17626.2-2006電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)；GB/T 17626.3-2006電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)；GB/T 30976.1-2014工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全：第1部分 評(píng)估規(guī)范；GB 50684-2011 化學(xué)工業(yè)污水處理與回用設(shè)計(jì)規(guī)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(tǒng)；標(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性試驗(yàn)及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性考核；測量范圍內(nèi)容量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量比對(duì)參考值獲得；CNAS及其他相關(guān)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)金屬量器能力驗(yàn)證/測量審核(PT)提供者計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

5 技術(shù)指標(biāo)及控制特點(diǎn)

5.1 硬件技術(shù)指標(biāo)

表1 硬件技術(shù)指標(biāo)

5.2 控制特點(diǎn)

數(shù)據(jù)傳輸和總線通信；監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)；流量分段控制和應(yīng)用；金屬量器檢定過程自動(dòng)控制；設(shè)備過載/過熱/過流保護(hù)；電源漏電/短路保護(hù)；浪涌保護(hù)；防雷保護(hù)。

6 分段供水方案

向標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)注水應(yīng)保持適中的速度，通常將時(shí)間控制在5 min～10 min內(nèi)?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的容積比達(dá)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(nèi)，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(dú)立的下水管，通過調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)變頻值將流量控制在6 m3/h左右。

表2 分段供水方案參數(shù)

向標(biāo)準(zhǔn)金屬量器中持續(xù)注水，直到水從計(jì)量頸處的溢流口流出，從而確保標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)的水達(dá)到預(yù)設(shè)容積。水溢出后應(yīng)及時(shí)結(jié)束注水操作，這將由設(shè)在溢出口下的接液槽內(nèi)的液位開關(guān)測量。系統(tǒng)根據(jù)液位開關(guān)的反饋關(guān)閉水泵，停止對(duì)標(biāo)準(zhǔn)罐的供水，同時(shí)打開接液罐排水閥。待標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)液位穩(wěn)定后開始檢校工作。

圖3 液位控制示意

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器在向被檢金屬量器注水的過程中，流量應(yīng)處于可控狀態(tài)，整個(gè)過程分為3個(gè)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(chǎn)生的飛濺。②注水進(jìn)行階段，閥門全開，流量處于最大，以便在最短時(shí)間內(nèi)將水注入被檢金屬量器中。③注水結(jié)束階段，流量逐漸減少至最大量的20%，避免被檢金屬量器計(jì)量頸的水位受沖擊濺出。

圖4 閥門分段控制時(shí)序

7 系統(tǒng)運(yùn)行

通過上述硬件組合成單元式撬裝結(jié)構(gòu)體，以組態(tài)王軟件代碼控制系統(tǒng)運(yùn)行。上位機(jī)控制主標(biāo)準(zhǔn)器及操作部分，使其按照預(yù)設(shè)方案運(yùn)行。下位機(jī)控制被檢金屬量器部分，將采集數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)處理單元，給出報(bào)表和數(shù)據(jù)。計(jì)算軟件主界面以平面圖的形式直觀反映現(xiàn)場各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)展示關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)、檢校流程等關(guān)鍵信息。以圖形化簡潔符號(hào)表示系統(tǒng)中的各類設(shè)備，操作人員可通過對(duì)這些符號(hào)的點(diǎn)擊直接操控與之相對(duì)應(yīng)的設(shè)備。并以顏色、文字、動(dòng)態(tài)效果展示系統(tǒng)在運(yùn)行過程中各設(shè)備的工作狀態(tài)。各采集點(diǎn)的壓力、溫度液位等實(shí)時(shí)顯示在其設(shè)備所對(duì)應(yīng)的位置上，閥門、泵組等設(shè)備的信息、狀態(tài)隨系統(tǒng)內(nèi)硬件設(shè)備的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新，操作人員可通過軟件界面實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握整套裝置的運(yùn)行狀態(tài)，最終完成金屬量器量值溯源全部操作。