标准金属量器自动控制装置和检定方法的研究

张 弦, 陆 科,韩 博,韩 聪,李 涛,谢昌隆

(1.辽宁省计量科学研究院,辽宁 沈阳 114000；2.辽宁省大容量计量站,辽宁 抚顺 113000)

0 引言

标准金属量器在容量计量中有着非常重要的作用，涉及民生、贸易结算等。标准金属量器作为液体、气体体积量值传递的重要计量器具，被广泛应用于石油、化工等行业[1]。但实际检定和应用中很多环节都有人工操作的干预。目前，国内的金属量器标准装置一般采用容量比较法，存在操作繁琐、工作效率低、自动化程度低的缺点。测量结果的准确度和重复性受人为读数的影响较大。国内很多从事相关研究的学者对金属量器标准装置进行改进：文献[2]设计了基于视觉技术的金属量器自动控制装置[2]；文献[3]改进了自动进出水金属量器装置[3]；文献[4]～文献[6]设计了自动检定控制系统[4-6]；文献[7]设计了泵吸式自动控制液位的装置[7]。上述研究局限于进出水的控制，液位控制泵吸式对标称容积液位改变时调整不够精确。

本文设计了一种新型金属量器标准装置。该装置能够精确控制标称容积的液位高度，自动控制进出水，实现了一等标准金属量器装置量值传递的自动控制。

1 国内普遍金属量器检定装置情况

目前，国内普遍的标准金属量器检定装置检定过程一般为：①水通过下进液口注满金属量器；②调节手动微调阀门使液位高度达到标称容积高度，关闭微调阀门；③通过排液口沿着管道将液体排到被检量器中；④读取相应的液位高度，从而计算被检量器标称容积的液位[8]。

在这个过程中，主要存在以下两个问题。一是由于部分金属量器体积较大，三通阀密封紧闭，搬动下进水口和排水口进行注水和排水时需较大力气且操作空间狭小，给检定金属量器操作人员带来困难。二是金属量器检定在空间位置上一般要求一等标准金属量器在上、被检金属量器在下，标准器内的水才能通过重力向下流动来完成检定工作。在调整一等标准金属量器计量颈液位高度以及标准器注水和排水操作过程中，由于单次检定需要操作上、下两台金属量器，所以每次操作人员需进行反复爬高；而在调整液位读取数值时，由于人为因素的干扰，给检定准确度和重复性带来一定的影响。准确度、重复性和稳定性是标准金属量器的重要指标[9]。基于以上两点检定过程中的不便，本文设计了一种新型金属量器标准装置和一种新的检定方法。

2 装置自动控制改进与控制过程

以100 L标准金属量器为例，标准金属量器装置改进后的整体结构图1所示。

图1 标准金属量器装置改进后的整体结构

2.1 改进的主要结构

装置的改进主要是针对解决上述两个问题：一是改进老式传统的三通阀结构，实现自动控制；二是改进手动微调阀门结构为微调阀门溢流装置[10]，实现标称容积液位的控制和调节。

2.2 改进的装置结构组成

2.2.1 三通阀的结构

三通阀结构由原来的老式三通阀门改为电机加减速器带动蜗杆、齿轮转动，再带动三通阀门转动的新型三通阀门结构。

电动三通阀结构如图2所示。

图2 电动三通阀结构

由图2可知，齿轮通过螺栓固定连接到三通阀上，齿轮底部位置安装接近开关发生件，通过接近开关发生件与固定位置靠近返回信号来控制齿轮转动的位置，以此控制齿轮旋转角度实现注水、排水、停止等功能。

2.2.2 微调阀门溢流装置

以市场上常见的连体式的一等标准金属量器为例，改进后的微调阀门溢流装置结构和原理分别如图3、图4所示。

图3 微调阀门溢流装置结构

图4 微调阀门溢流装置原理图

原来的手动微调球阀改为电动或气动控制阀门。阀门出水口外端连接可伸缩软管。软管向上弯曲，再连接一个单独溢流玻璃管。溢流玻璃管与计量颈上下结构平行，并通过结构连接游标卡尺2。通过上、下移动游标卡尺2带动溢流玻璃管顶端位置移动，将溢流玻璃管顶端溢流位置调整到与标称容积的液位高度相同，并进行固定。计量颈玻璃管上端安装一个光电传感器。

2.3 整体系统控制

(1)金属量器使用注水控制过程。

①打开金属量器注水前端的注水气动阀门，同时启动步进电机使三通阀门转到注水位置。水箱通过进水口向金属量器内注水。

②当水位达到计量颈处，光电传感器位置返回信号，系统控制注水气动阀门关闭，同时控制关闭三通阀门。

(2)微调阀门溢流装置调整液位过程。

①打开微调控制阀门，高出标称容积液位的水从溢流玻璃管流出。

②当计量颈液位与溢流玻璃管液位自动达到平衡时，关闭微调控制阀门。此时，液位能够准确达到标称容积液位高度。

③在计量颈标称液位高度处平行安装图像识别装置，观测计量颈液位是否达到要求，保证长期使用单次检定的准确性。

(3)被检量器注水检定过程。启动步进电机使一等标准量器三通阀门转到排水位置，排水结束2 min后关闭阀门。

(4)水箱注水过程控制。

①通过水箱内安装的液位传感器将液位高度信号反馈至控制系统，寻求控制系统是否需要补水。如需要补水，则系统控制打开阀门，经过水处理系统净化的水自动注入水箱。

②当水箱补水的液位到达预设高度后，液位传感器返回信号，控制系统关闭阀门，停止补水。水位预设高度由液位传感器和光电传感器提供双重保护。水位先达到任一高度将停止补水，防止水溢出水箱。同时，水箱安装了机械溢流装置，在电信号双保护失效时，水通过机械溢流装置直接排入下水管，以保证水箱注水安全。

(5)计算系统计算过程。

①控制系统通过温度传感器分别采集标准量器和被检量器内水温。

②计算机经过液位修正计算，得到被检量器液位高度。

金属量器控制系统原理如图5所示。

图5 金属量器控制系统原理图

3 其他一等标准金属量器结构的控制

3.1 分体式金属量器

分体式金属量器本身是溢流的，无需溢流微调装置，可以直接通过自动注水和排水实现自动检定的功能。

3.2 其他方式的微调阀门设计

3.2.1 第一种设计

一等标准金属量器计量颈处的游标卡尺设计成数显卡尺，用图像识别功能观察读取液位高度，并在数显卡尺上加载动力结构。每次读数时，通过动力结构将其调整到注入水位实际值，并通过计量颈的分度值计算实际体积，从而检定金属量器。这种结构简单、易实现，但存在两个问题。其一，在加载动力结构调整游标卡尺时，很难达到游标卡尺的分度值0.02 mm的精度，导致最后影响液位高度准确度转换为加载动力机构移动的距离准确度，不能够达到一等标准金属量器计量性能的要求。其二，注入水后的液位一般不会刚好是标称容积的液位，需要通过计量颈分度容积计算得出实际体积来进行使用。这会导致一等金属量器的准确度受到计量颈分度容积不确定度的影响，降低了一等金属量器的准确性。

3.2.2 第二种设计

一等标准金属量器计量颈内安装有高精度液位传感器，通过读取液位高度获得量器标称容积。这种设计也会出现第一种设计中提到的问题，即计量颈分度容积会影响一等标准金属量器的准确度。同时，在一等金属量器注水液位超出或低于标称容积液位高度的情况下，还可能会出现被检量器水位过高或过低而不能有效读取液位高度的现象，导致无法完成检定工作。

4 改进后装置的几个问题

4.1 容积问题

由于微调溢流口的设计，改进后的检定装置容积会因为微调阀门溢流装置的变化，导致整个金属量器容积的改变。对此，需重新标定容积，确定标称容积的液位。

4.2 周期检定容积变化

由于周期检定容积，标准液位可能会有微小的变化，也就是计量颈的液位高度会发生变化。对此，可以通过可伸缩的连接软管及玻璃管调整液位高度并将其固定，从而达到所需的标称容积液位。

5 验证符合性

5.1 准确度

选择计量标准稳定的50 L二等标准金属量器作为被检量器。国家计量院装置测量结果为121.38 mm。改进前装置的测量结果为121.68 mm。改进后装置的测量结果为121.71 mm。

由此可知，改进前后装置与国家的计量基准检定结果在刻度值上相差0.30 mm、0.36 mm。被检量器计量颈分度值为1.938 mL/mm，改进前后与国家的计量基准检定结果容积的示值误差分别为1.16×10-5、1.47×10-5。改进后装置的示值误差仍然在10-5数量级，符合一等检定二等金属量器计量性能的要求。

5.2 重复性

为验证改进后新型金属量器标准装置相对于传统的标准装置测量重复性的提升,本文进行如下试验：采用传统人工读数测量方式和新型金属量器标准装置,选取稳定性较好的二等100 L金属量器作为测量的对象，在环境温度20 ℃的情况下测量10组计量颈液位高度。重复性试验结果如表1所示。

表1 重复性试验结果

由表1可知，新型金属量器标准装置测量试验标准偏差低于人工读数的方式测量结果试验标准偏差，试验结果相差一个数量级，得到相应容积值的重复性为10-6数量级。新型装置大幅度降低了人为因素带来的重复性，同时还减少了标准器由不同人员读数产生的误差。

5.3 复现性

为验证标准装置的复现性，选取一台稳定性较好的二等100 L金属量器作为测量对象进行测量。在一个月时间内，在保证环境温度、水箱水温和量器内水温之差不超过±1 ℃的条件下，以人员A和人员B分别经过三次测量数据的平均值作为测量结果进行比较。

新型标准装置复现性测量数据如表2所示。

表2 新型标准装置复现性测量数据

由表2可知,100 L二等金属量器一个月内液位高度测量的最大差值为0.39 mm,满足测量二等金属量器准确度要求。这验证了一等金属量器标准装置的复现性。

5.4 微调溢流装置受温度影响

根据国家检定规程JJG 259—2005《标准金属量器》的要求，标准金属量器的实验室温度要控制在一定的范围以内，但不能保证实验室始终为同一温度。考虑到溢流玻璃管、软连接管会受到热胀冷缩、毛细作用以及摩擦力的影响，需要对不同温度下的溢流效果是否能够达到液位一致进行验证。

以100 L新型一等标椎金属量器为例，标称容积值液位高度为58.55 mm，分别在室温15 ℃、20 ℃、30 ℃下进行溢流平衡后，读取一等标准金属量器装置液位高度。分5人读取数值，查看是否能够达到一等标准量器的标称容积值。人员A、人员B、人员C、人员D为流量容量专业人员。人员E为长度专业人员。不同温度、不同人员读数液位高度如表3所示。

表3 不同温度、不同人员读数液位高度

从表3可以看出，在不同温度下，溢流液面达到平衡后，不同人员读取的液位高度值。不同温度下液位的最大最小值差最高为0.12 mm。从最大允许误差来看，0.12 mm带来的容积值约为0.28 mL，对于100 L的金属量器误差为2.8×10-6，远小于一等标准金属量器的最大允许误差±5×10-5。

5.5 新型一等标准金属量器装置不确定度

不确定度分析[11]是对被检量器的影响因素放大进行评定。评定得到的金属量器校准结果不确定度来源如表4所示。

表4 金属量器校准结果不确定度来源

经过不确定度分析，新型一等量器装置检定二等量器在已经扩大被检读数误差和重复性的情况下，得到相对扩展不确定度约为1×10-4(k=2)。该结果满足不确定度的要求。

6 结论

本文研究的新型标准金属量器自动控制装置和控制系统，大幅度提高了检定效率，改变了目前国内金属量器检定装置自动化程度低的现状，为金属量器检定提供了一种新的装置结构和测量方法，同时也为容量量值传递提供了方便、快捷的解决方案。