油罐液位檢測校準系統的研究與設計

 

引言

         在現代工業領域，如石油化工、國防、儲運等，液位儀表都已經被廣泛使用。隨著現代電子技術的快速發展，各種不同檢測原理的新型液位測量儀表層出不窮，這就要求我們在實際使用過程中統一標準規范，但直至今日國際上也沒有明確的統一計量標準，檢測校準在這種情況下就體現巨大的意義。在我國油罐大型化已經成為普遍趨勢，這就迫使我們對傳統的檢測計量手段進行改進，在保證安全可靠的前提下，盡可能的提高檢測精度。

 

         對于大型油罐的儲油設施，一般都對儀器儀表有較高的要求，任何一點微小的誤差都可能對zui終的測量結果帶來系統性影響，輕則影響結算的經濟效益，重則帶來安全隱患。因此在建的或已建成的油罐儲運設施都要進行現代化改造提高測量精度，這就要求我們必須建立標準的液位檢測裝置以保證測量精度。液位檢測標準裝置對測量精度的要求非常高，其中自動校準系統更是液位檢測標準裝置的核心，自動校準系統設計直接影響了裝置的測量精度，這就要對于高標準的檢測測量儀器必須設計一個有可靠精度的自動校準系統方案。 

 

1 儀表測量誤差分析

         在我國石化系統中，液位計已經被廣泛應用，如在撫順石化二廠大量反應罐、過程罐、成品罐均已采用遠傳或現場液位計并且種類繁多［1－2］，磁性浮子液位計、超聲波液位計，雷達液位計，單法蘭/雙法蘭液位計、浮筒浮球等多個種類的液位計。實際經驗表明液位計在使用的過程中測量精度不僅與儀表本身的技術狀態有關也取決于現場實際的安裝施工。傳統的方式儀表的安裝與調試由施工和儀表廠家分別完成，這在實際施工或老廠區改造的過程中就不可避免的要進行現場儀表校對工作，由于儀表種類繁多實際應用中又無統一的校驗方式現場一般根據儀表廠家經驗及相關運行設備比照校驗，必然影響到儀表精度從而造成較大的二次誤差。本文采用軟硬件相結合的方法，設計了一套自動校準系統，解決零點校準的精度問題。在可靠獲得零點位置的基礎上，才能實現自動化儀表檢測的高精度、高智能的特點，才能使液位檢測標準裝置達到更好的工作狀態，結合現代智能算法達到zui好的效果。在設計本方案的時候參考了已有的校準方案，采用與軟件算法相結合的方法來設計校準系統。采用扭矩限制器和基于傳感器單片機控制結合的來進行零點的校準［3］。 2 自動校準系統方案的設計

 

2. 1 總體結構設計與功能分析

         在現代自動測量儀表要使其在工作的過程中保證必要的精度，必須在使用前進行校準。該校準系統由控制、驅動、傳動、數據采集四個子系統組成。如圖 1 所示，該裝置硬件包括電機、減速器、電磁離合器、扭矩限制器、卷筒、拉力傳感器、接近開關、上基準板、控制系統硬件組成。

2. 2 各部分功能分析

         采用雙頻激光干涉儀作為距離計量儀器，利用光線衍射原理使其可以達到極高的計量精度［4－5］。通過浮子上安裝的光反射器就可以用來檢測浮子與罐頂上基準板的相對位置，從而測定浮子在罐中的準確位置，通過比較液位儀表的即時結果，即可對所采用的液位儀表進行準確的校準。考慮到雙頻激光干涉儀本身的抗干擾能力強，配合托盤與拉力傳感器等上浮裝置可以達到較高的精度，故選擇其作為檢測校準系統的標定儀器。電機正轉時，卷筒正向轉動，收縮拉繩，帶動浮子底部的托盤向上運動，使浮子上升。當浮子上升至罐頂，觸碰到上基準板，電磁離合器將減速器和卷筒分開，裝置停止運行，此時浮子所在位置為零點。反轉時，卷筒隨之反轉，浮子緩慢下降。當浮子下方的托盤降至罐底時，開始進行液位測量。 

 

3 系統執行機構與軟件算法

         系統執行機構傳動電機的轉速直接影響著校準系統運行的穩定性在本系統中減速器與卷筒間接相連由傳動電機帶動。執行機構的初速度與卷筒直徑分別設定為 v = 0. 05m/s 和 d = 70mm 再根據在廠家“輸出扭矩表”，即可算得傳動比，如表 1 所示。

         方案設計時采用了軟硬件結合的方法，因此傳動系統的輸入參數在很大程度上也會對精度結果產生影響［6－7］。 3. 1 系統工作原理

零點校準的過程:當浮子開始上升嵌入式 CPU隨之開始工作以確保電機的速度可控，并實時跟蹤調整電機速度，浮子上升到與基準板接觸時，內部控制 CUP 接收到由傳感器所發出的信號控制電機緩慢旋轉至拉力預值，此時由電機下達分離信號使電機與傳動系統分離，達到零點校準的目的。在這個過程中嵌入式 CPU 將通過內部運算，實時處理傳入的信息并實時的顯示拉力值。

 

         在浮子運動的整個過程中，扭矩限制器與拉力傳感器同時工作。作用在卷筒上的力矩隨卷筒本身的上下運動而發生實時變化。當扭矩值根據控制器設定到達動作預值時，扭矩限制器動作，將傳動裝置電機與本系統脫離從而保證運行中的浮子穩定可靠的停留在預定位置。

 

         在零點校準過程中，預防扭矩限制器也可能發生故障，為了有效避免由于該機構的故障而導致系統崩潰，或校準失敗還需要設計另一套保護機構，利用接近開關，當浮子與上基準板接觸到達一定程度時，近接開關控制電磁離合器斷開，啟動二重過載保護。

 

 3. 2 電機調速控制

         自動校準系統zui后的執行部分是由小型電機來完成的，對電機調速控制的精確程度在很大程度上直接影響到測量儀表的使用精度。

 

         以往對電機的控制相對簡單，普遍應用 PID 算法來調節電機轉速，以 PID 作為電機的控制算法的好處是成熟穩定、可控性高、控制算法相對簡單，這些優點使其在工業控制領域被廣泛應用［8］。但其也有共有的缺點難以克服，從而不能保證獲得相對較高的精度，此外在實際的應用中對不同的工業環境可能產生不同的控制效果，PID 的控制參數一旦整定完畢不能根據環境情況自動改變這就大大降低了實際控制效果，就是說常規 PID 對運行工況的適應性很差［9］。

 

         在本方案中，對電機的調速控制采用模糊 PID調速算法，驅動系統的轉速調整信號在本方案通過拉力轉變而來，而拉力信號來源于浮子與上基準板所產生的浮動壓力。根據傳感器送來的拉力數據參數，通過本方案所設定的模糊 PID 控制器，將電機在上一時刻所記錄的轉速參數值與實時記錄的當前轉速值以比較輸入該控制器模糊 PID 算法調節 PWM脈沖的占空比后輸出控制量，調節電機轉速［10］。直到拉力值達到設定值時，電機停止運轉。

 

         本方案所使用的模糊 PID 是一種基于規則的控制原理如圖 2 所示。所謂的規則就是利用近乎于人類語言的方式去表述模糊的概念以取得zui佳的控制結果，將可能的參數變量模糊化以輸入控制器，輸出部分再進行去模糊化。所謂的去模糊化是用來將模糊推理之后所得出的輸出值轉變為精準的控制信號，做為該系統的輸入量。推理過程的輸出是一個模糊集，指定一個可能性分布的控制作用，去模糊化轉換模糊控制命令來控制輸出［11］。模糊控制發展到今天有許多的解決方案，考慮當儀表檢測的實際情況本文使用“重心法”，它是表達式 1 為:

         在自動校準系統中，采用模糊 PID 控制算法調節占空比控制電機運轉。驅動信號的傳遞過程是由嵌入式芯片產生 PWM 脈沖，由這個通過放大等環節進入執行機構的驅動電路，在同一時序內 CPU 還要處理由傳感器送來的拉力變化值信號，再經過模糊PID 運算后改變 PWM 脈沖的占空比，實現對電機轉速的轉速控制。 

 

4 結語

         本文設計了一種新型的機械與電子結合的自動校準系統，并對傳統的電機控制方案進行了改進，引入了模糊控制大大提高了系統的零點校準精度。該自動校準系統的設計，解決了零點校準問題，提高了液位檢測標準的精度和效率，對于液位檢測標準裝置具有重要的意義。通過應用校準系統進行液面誤差比較得出數據如表 2 所示。

         校準后的儀表誤差明顯降低，起到了提高精確度的作用。在實際的應用過程中得到的主要經驗有，實際使用中要考慮所要校準的罐體的實際工作狀態，罐的種類及罐內情況。在對浮頂儲罐應用本方案時，要考慮浮頂在罐體的相對位置。由于浮頂罐的浮頂與罐內儲存物之間不存在空氣，可以有效地緩解罐內釋放壓力的升高，但當儲罐發生浮艙泄漏，浮盤受力不平衡，罐內的浮盤將不再保持水平狀態，呈現傾斜姿態［12］。此時儀表校準將失敗并發生明顯漂移，嚴重影響液位儀表的測量，同時也意味著罐體存在嚴重事故隱患需及時排除。其它形式的罐體，當罐體內部有異物，罐內液體有較強的揮發性時，會引起光通行發生明顯改變，影響到激光干涉儀的正常工作，降低校準儀器本身的精確性，當罐內液體年度較大時，校準浮子所受力矩將發生改變也將影響到校準精度。以上就是實際應用中的問題并加以總結，以期待為后續的改進與提高積累更多的寶貴經驗。