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    摘要：全面系統(tǒng)地分析影響油料灌裝自動(dòng)控制系統(tǒng)精度的各種因素，對(duì)于提高灌裝精度具有重要的指導(dǎo)意義。本文針對(duì)油料定量灌裝控制系統(tǒng)，詳細(xì)分析了體積流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)產(chǎn)生附加誤差的來源，討論了影響過沖量大小及造成過沖量誤差的主要因素，給出了灌裝控制系統(tǒng)總誤差的計(jì)算公式。通過誤差分析，總結(jié)出了提高灌裝控制系統(tǒng)精度的基本途徑。分析還表明，在設(shè)置小流量提前關(guān)閥的情況下，灌裝控制系統(tǒng)的灌裝精度主要取決于流量計(jì)及溫度、壓力等儀表的精度，過沖量誤差對(duì)系統(tǒng)灌裝精度的影響并不大。

    關(guān)鍵詞：灌裝控制系統(tǒng)；誤差分析；流量計(jì)；過沖量

    1、引言

    油料灌裝自動(dòng)控制系統(tǒng)（以下簡稱“灌裝控制系統(tǒng)”）是油庫和加油站的重要組成部分。灌裝控制系統(tǒng)一般以流量測量儀表為基礎(chǔ)，以電磁切斷閥或氣動(dòng)電動(dòng)切斷閥為終端執(zhí)行元件，以流量定量控制儀或計(jì)算機(jī)完成流量演算、累積、顯示和邏輯控制[1~3]。因此，影響灌裝控制系統(tǒng)精度的因素不僅包括流量測量儀表的誤差，還包含有信號(hào)傳輸、控制調(diào)節(jié)、操作執(zhí)行等環(huán)節(jié)的誤差。全面系統(tǒng)地分析影響灌裝控制系統(tǒng)精度的各種因素，對(duì)于提高灌裝精度具有重要的指導(dǎo)意義。

    2、流量計(jì)的誤差分析

    在灌裝控制系統(tǒng)中，流量的檢測一般通過各種流量計(jì)實(shí)現(xiàn)。流量計(jì)的基本誤差是在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下得到的，在實(shí)際使用過程中，由于現(xiàn)場使用條件往往偏離標(biāo)準(zhǔn)工作條件，難免會(huì)產(chǎn)生附加誤差，因此流量計(jì)的現(xiàn)場使用誤差應(yīng)為流量計(jì)基本誤差與附加誤差的合成。

    流量計(jì)主要可分為體積流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)兩大類。常見的體積流量計(jì)的基本誤差一般為±0.5%R，高精度型可達(dá)±（0.1~0.2）%R。導(dǎo)致體積流量計(jì)產(chǎn)生附加誤差的影響量主要包括油品的溫度、壓力和粘度等。

    （1）溫度

    溫度變化是造成體積流量計(jì)附加誤差的首要因素。溫度的變化主要通過改變油品粘度以及流量計(jì)計(jì)量室容積產(chǎn)生附加誤差。油品粘度隨溫度升高而減小。溫度的變化會(huì)改變體積流量計(jì)的計(jì)量室容積，導(dǎo)致流量計(jì)殼體與轉(zhuǎn)子之間的間隙發(fā)生變化，從而改變泄漏量。例如，對(duì)于計(jì)量室腔體材料為鑄鋼的容積式流量計(jì)，當(dāng)工作溫度高于校驗(yàn)溫度10℃時(shí)，引起的附加誤差約為0.04%。

    （2）壓力

    壓力的變化主要也通過改變油品粘度以及流量計(jì)計(jì)量室容積產(chǎn)生附加誤差。油品粘度隨壓力增加而增大。例如，對(duì)于普通液體，在接近0.1Mpa時(shí)，每增加0.1Mpa粘度變化約（0.1~0.3）%。壓力變化對(duì)流量計(jì)計(jì)量室容積的影響不如溫度顯著，對(duì)于單殼體容積式流量計(jì)，壓力增高會(huì)導(dǎo)致計(jì)量室容積增大，泄漏量增加，從而使流量計(jì)誤差曲線向負(fù)向移動(dòng)。而對(duì)于雙殼體容積式流量計(jì)，由于計(jì)量室壁內(nèi)外壓差為零，故不受壓力影響。

    （3）粘度

    粘度變化會(huì)使流量計(jì)特性發(fā)生偏移。對(duì)于容積式流量計(jì)，粘度增加，則泄漏量減少，誤差偏負(fù)；反之，粘度降低，則泄漏量增加，誤差偏正。圖1所示為液體粘度對(duì)一臺(tái)腰輪流量計(jì)基本誤差的影響?？梢?，在0.8~11mPa?s粘度范圍內(nèi)，粘度影響較大，粘度從5.65mPa?s下降到0.8mPa?s，誤差負(fù)向增加約0.5%；在11~51mPa?s范圍內(nèi)，粘度對(duì)測量誤差仍有明顯影響；粘度大于51mPa?s時(shí)，粘度對(duì)誤差的影響已不明顯。因此，對(duì)于精度達(dá)0.2級(jí)以上的容積式流量計(jì)，必須考慮油品粘度變化所帶來的誤差影響。在校驗(yàn)及實(shí)際使用過程中，當(dāng)校驗(yàn)油品粘度與實(shí)際使用的油品粘度有較大差異時(shí)，必須進(jìn)行相應(yīng)的修正。

    質(zhì)量流量計(jì)可以分為直接式和間接式（推導(dǎo)式）兩大類。當(dāng)前應(yīng)用zui普遍的、可直接測量液體流量的質(zhì)量流量計(jì)是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡稱“科氏流量計(jì)”）?？剖狭髁坑?jì)的基本誤差一般為±（0.15~0.5）%R，特殊可達(dá)到±0.1%R。對(duì)于精度較低的科氏流量計(jì)，可以忽略介質(zhì)溫度和靜壓變化帶來的影響，而對(duì)于精度高達(dá)（0.1~0.15）%R的科氏流量計(jì)，則需考慮其影響。

    （1）溫度

    介質(zhì)溫度或環(huán)境溫度變化會(huì)改變科氏流量計(jì)測量振動(dòng)管的楊氏模量和幾何尺寸，從而改變流量比例系數(shù)[4]。大部分型號(hào)儀表通過電子線路對(duì)楊氏模量的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償以減少其影響，然而楊氏模量的溫度系數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，由于測量管材料批號(hào)和熱處理等工藝的不一致性，不可能全部補(bǔ)償為零。此外，溫度變化還會(huì)影響測量管的應(yīng)力分布，造成機(jī)械振動(dòng)的非對(duì)稱性，從而導(dǎo)致零點(diǎn)漂移。由于零漂是因振動(dòng)管幾何結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的不均衡所造成的，因而是無法減小和消除的。有關(guān)科氏流量計(jì)的實(shí)流試驗(yàn)表明，溫度變化對(duì)儀表常數(shù)的影響量可達(dá)±（0.014~0.057）%/℃。

    （2）壓力

    液體靜壓增大會(huì)使測量振動(dòng)管產(chǎn)生繃緊現(xiàn)象，彎曲管還有布登管效應(yīng)，從而產(chǎn)生負(fù)向偏差[5]。對(duì)于高精度儀表而言，當(dāng)使用時(shí)靜壓與校準(zhǔn)時(shí)相差甚大時(shí)，這兩種壓力效應(yīng)的影響量還是不容忽視的。壓力影響量取決于測量管管徑、壁厚和形狀，小口徑儀表由于壁厚管徑比大，影響量較?。淮罂趶絻x表則由于壁厚管徑比小，影響量較大。根據(jù)MicroMotion公司所提供的數(shù)據(jù)，以校準(zhǔn)時(shí)壓力0.2Mpa為基準(zhǔn)，CMF100型儀表的壓力影響量為-0.03%R/Mpa，CMF200型為-0.12%R/Mpa，D300型為-1.35%/Mpa，D600型為-0.75%/Mpa。

    （3）脈動(dòng)和振動(dòng)

    科氏流量計(jì)是基于振動(dòng)原理進(jìn)行測量的，因而對(duì)外界振動(dòng)干擾比較敏感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)脈動(dòng)流或外部機(jī)械振動(dòng)的頻率接近或等于科氏流量計(jì)的共振頻率時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，甚至使其無法正常工作。

    3、過沖量誤差分析

    在灌裝控制系統(tǒng)中，從控制器發(fā)出關(guān)閥指令到閥門*關(guān)斷需要一定時(shí)間，在此期間中流過的累積流量稱為過沖量。過沖量的大小與系統(tǒng)響應(yīng)速度、關(guān)閥行程時(shí)間、關(guān)閥過程中的瞬時(shí)流量等有關(guān)，為克服過沖量帶來的誤差，通常采取提前關(guān)閥的方式，即設(shè)置一關(guān)閥提前量ΔL’，當(dāng)目標(biāo)灌裝量與累積發(fā)油量之差等于ΔL’時(shí)，發(fā)出關(guān)閥指令。在實(shí)際灌裝過程中，泵/管道壓力會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，從而使關(guān)閥過程中的Δp發(fā)生變化。此外，溫度和壓力的變化也會(huì)對(duì)流體密度產(chǎn)生影響。因此，每次關(guān)閥過程中的實(shí)際過沖量并不*相同，若每次都使用固定的ΔL’，可能會(huì)造成較大的過沖量誤差。

    4、灌裝控制系統(tǒng)的總誤差

    例如，某油庫的油桶定量灌裝控制系統(tǒng)選用精度為0.2%的體積流量計(jì)，溫度、壓力測量精度為0.5級(jí)，考慮到各種附加誤差，其質(zhì)量流量測量誤差約為±0.27%。目標(biāo)灌裝量設(shè)為100kg，采取提前關(guān)閥方式，過沖量誤差約為±3%。若不采取分段關(guān)閥，過沖量約為1kg，則灌裝系統(tǒng)總誤差為±0.2973%

    若采取小流量分段關(guān)閥，則zui后關(guān)閥過程中的過沖量約為0.2kg，灌裝系統(tǒng)總誤差為±0.2755%

    再如，某中轉(zhuǎn)油庫的汽車定量發(fā)油控制系統(tǒng)選用精度為0.15%的質(zhì)量流量計(jì)（考慮到附加誤差，其現(xiàn)場測量誤差約為±0.18%），目標(biāo)灌裝量設(shè)為3t，過沖量誤差約為±3%。若不采取分段關(guān)閥，過沖量約為30kg，則灌裝系統(tǒng)總誤差為±0.2082%

    若采取小流量分段關(guān)閥，則zui后關(guān)閥過程中的過沖量約為5kg，灌裝系統(tǒng)總誤差為±0.1847%

    若仍采取小流量分段關(guān)閥，目標(biāo)灌裝量設(shè)為6t，由于zui后關(guān)閥過程中的過沖量及過沖量誤差與目標(biāo)灌裝量無關(guān)，故灌裝系統(tǒng)總誤差為±0.1823%

    5、結(jié)論

    通過以上分析，灌裝控制系統(tǒng)誤差主要由流量測量誤差和過沖量控制誤差兩大部分構(gòu)成。流量測量誤差主要包括流量計(jì)及溫度、壓力等儀表的誤差，過沖量控制誤差主要包括控制調(diào)節(jié)、操作執(zhí)行等環(huán)節(jié)的誤差。此外，信號(hào)處理過程中的轉(zhuǎn)換誤差、分辨誤差等也會(huì)對(duì)系統(tǒng)灌裝精度帶來一定的影響。因此，提高灌裝控制系統(tǒng)精度的途徑主要包括：（1）流量計(jì)儀表系數(shù)線性化；（2）流量計(jì)附加誤差的溫度、壓力和粘度修正；（3）流體密度的實(shí)時(shí)溫度、壓力補(bǔ)償；（4）小流量提前關(guān)閥；（5）過沖量誤差的實(shí)時(shí)修正；（6）提高信號(hào)轉(zhuǎn)換精度。

    通過前面的分析還發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置小流量提前關(guān)閥的情況下，灌裝控制系統(tǒng)精度主要取決于流量計(jì)及溫度、壓力等儀表的精度，過沖量誤差對(duì)系統(tǒng)灌裝精度的影響并不大。




來源：中國知網(wǎng)