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    摘要：全面系統(tǒng)地分析影響油料灌裝自動控制系統(tǒng)精度的各種因素，對于提高灌裝精度具有重要的指導(dǎo)意義。本文針對油料定量灌裝控制系統(tǒng)，詳細(xì)分析了體積流量計和科里奧利質(zhì)量流量計產(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及溫度、壓力等儀表的精度，過沖量誤差對系統(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；過沖量

    1、引言

    油料灌裝自動控制系統(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電動切斷閥為終端執(zhí)行元件，以流量定量控制儀或計算機完成流量演算、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，對于提高灌裝精度具有重要的指導(dǎo)意義。

    2、流量計的誤差分析

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

    流量計主要可分為體積流量計和質(zhì)量流量計兩大類。常見的體積流量計的基本誤差一般為±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計量室容積產(chǎn)生附加誤差。油品粘度隨溫度升高而減小。溫度的變化會改變體積流量計的計量室容積，導(dǎo)致流量計殼體與轉(zhuǎn)子之間的間隙發(fā)生變化，從而改變泄漏量。例如，對于計量室腔體材料為鑄鋼的容積式流量計，當(dāng)工作溫度高于校驗溫度10℃時，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計量室容積產(chǎn)生附加誤差。油品粘度隨壓力增加而增大。例如，對于普通液體，在接近0.1Mpa時，每增加0.1Mpa粘度變化約（0.1~0.3）%。壓力變化對流量計計量室容積的影響不如溫度顯著，對于單殼體容積式流量計，壓力增高會導(dǎo)致計量室容積增大，泄漏量增加，從而使流量計誤差曲線向負(fù)向移動。而對于雙殼體容積式流量計，由于計量室壁內(nèi)外壓差為零，故不受壓力影響。

    （3）粘度

    粘度變化會使流量計特性發(fā)生偏移。對于容積式流量計，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所示為液體粘度對一臺腰輪流量計基本誤差的影響。可見，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)，粘度對測量誤差仍有明顯影響；粘度大于51mPa?s時，粘度對誤差的影響已不明顯。因此，對于精度達(dá)0.2級以上的容積式流量計，必須考慮油品粘度變化所帶來的誤差影響。在校驗及實際使用過程中，當(dāng)校驗油品粘度與實際使用的油品粘度有較大差異時，必須進行相應(yīng)的修正。

    質(zhì)量流量計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)量流量計是科里奧利質(zhì)量流量計（以下簡稱“科氏流量計”）。科氏流量計的基本誤差一般為±（0.15~0.5）%R，特殊可達(dá)到±0.1%R。對于精度較低的科氏流量計，可以忽略介質(zhì)溫度和靜壓變化帶來的影響，而對于精度高達(dá)（0.1~0.15）%R的科氏流量計，則需考慮其影響。

    （1）溫度

    介質(zhì)溫度或環(huán)境溫度變化會改變科氏流量計測量振動管的楊氏模量和幾何尺寸，從而改變流量比例系數(shù)[4]。大部分型號儀表通過電子線路對楊氏模量的溫度系數(shù)進行補償以減少其影響，然而楊氏模量的溫度系數(shù)是一個統(tǒng)計量，由于測量管材料批號和熱處理等工藝的不一致性，不可能全部補償為零。此外，溫度變化還會影響測量管的應(yīng)力分布，造成機械振動的非對稱性，從而導(dǎo)致零點漂移。由于零漂是因振動管幾何結(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)科氏流量計的實流試驗表明，溫度變化對儀表常數(shù)的影響量可達(dá)±（0.014~0.057）%/℃。

    （2）壓力

    液體靜壓增大會使測量振動管產(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]。對于高精度儀表而言，當(dāng)使用時靜壓與校準(zhǔn)時相差甚大時，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，影響量較小；大口徑儀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）脈動和振動

    科氏流量計是基于振動原理進行測量的，因而對外界振動干擾比較敏感。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)脈動流或外部機械振動的頻率接近或等于科氏流量計的共振頻率時，將會產(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)閥行程時間、關(guān)閥過程中的瞬時流量等有關(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，發(fā)出關(guān)閥指令。在實際灌裝過程中，泵/管道壓力會在一定范圍內(nèi)波動，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對流體密度產(chǎn)生影響。因此，每次關(guān)閥過程中的實際過沖量并不*相同，若每次都使用固定的ΔL’，可能會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，溫度、壓力測量精度為0.5級，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（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，信號處理過程中的轉(zhuǎn)換誤差、分辨誤差等也會對系統(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）流量計儀表系數(shù)線性化；（2）流量計附加誤差的溫度、壓力和粘度修正；（3）流體密度的實時溫度、壓力補償；（4）小流量提前關(guān)閥；（5）過沖量誤差的實時修正；（6）提高信號轉(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及溫度、壓力等儀表的精度，過沖量誤差對系統(tǒng)灌裝精度的影響并不大。




來源：中國知網(wǎng)