油罐液位检测校准系统的研究与设计

 

引言

         在现代工业领域，如石油化工、国防、储运等，液位仪表都已经被广泛使用。随着现代电子技术的快速发展，各种不同检测原理的新型液位测量仪表层出不穷，这就要求我们在实际使用过程中统一标准规范，但直至今日国际上也没有明确的统一计量标准，检测校准在这种情况下就体现巨大的意义。在我国油罐大型化已经成为普遍趋势，这就迫使我们对传统的检测计量手段进行改进，在保证安全可靠的前提下，尽可能的提高检测精度。

 

         对于大型油罐的储油设施，一般都对仪器仪表有较高的要求，任何一点微小的误差都可能对zui终的测量结果带来系统性影响，轻则影响结算的经济效益，重则带来安全隐患。因此在建的或已建成的油罐储运设施都要进行现代化改造提高测量精度，这就要求我们必须建立标准的液位检测装置以保证测量精度。液位检测标准装置对测量精度的要求非常高，其中自动校准系统更是液位检测标准装置的核心，自动校准系统设计直接影响了装置的测量精度，这就要对于高标准的检测测量仪器必须设计一个有可靠精度的自动校准系统方案。 

 

1 仪表测量误差分析

         在我国石化系统中，液位计已经被广泛应用，如在抚顺石化二厂大量反应罐、过程罐、成品罐均已采用远传或现场液位计并且种类繁多［1－2］，磁性浮子液位计、超声波液位计，雷达液位计，单法兰/双法兰液位计、浮筒浮球等多个种类的液位计。实际经验表明液位计在使用的过程中测量精度不仅与仪表本身的技术状态有关也取决于现场实际的安装施工。传统的方式仪表的安装与调试由施工和仪表厂家分别完成，这在实际施工或老厂区改造的过程中就不可避免的要进行现场仪表校对工作，由于仪表种类繁多实际应用中又无统一的校验方式现场一般根据仪表厂家经验及相关运行设备比照校验，必然影响到仪表精度从而造成较大的二次误差。本文采用软硬件相结合的方法，设计了一套自动校准系统，解决零点校准的精度问题。在可靠获得零点位置的基础上，才能实现自动化仪表检测的高精度、高智能的特点，才能使液位检测标准装置达到更好的工作状态，结合现代智能算法达到zui好的效果。在设计本方案的时候参考了已有的校准方案，采用与软件算法相结合的方法来设计校准系统。采用扭矩限制器和基于传感器单片机控制结合的来进行零点的校准［3］。 2 自动校准系统方案的设计

 

2. 1 总体结构设计与功能分析

         在现代自动测量仪表要使其在工作的过程中保证必要的精度，必须在使用前进行校准。该校准系统由控制、驱动、传动、数据采集四个子系统组成。如图 1 所示，该装置硬件包括电机、减速器、电磁离合器、扭矩限制器、卷筒、拉力传感器、接近开关、上基准板、控制系统硬件组成。

2. 2 各部分功能分析

         采用双频激光干涉仪作为距离计量仪器，利用光线衍射原理使其可以达到极高的计量精度［4－5］。通过浮子上安装的光反射器就可以用来检测浮子与罐顶上基准板的相对位置，从而测定浮子在罐中的准确位置，通过比较液位仪表的即时结果，即可对所采用的液位仪表进行准确的校准。考虑到双频激光干涉仪本身的抗干扰能力强，配合托盘与拉力传感器等上浮装置可以达到较高的精度，故选择其作为检测校准系统的标定仪器。电机正转时，卷筒正向转动，收缩拉绳，带动浮子底部的托盘向上运动，使浮子上升。当浮子上升至罐顶，触碰到上基准板，电磁离合器将减速器和卷筒分开，装置停止运行，此时浮子所在位置为零点。反转时，卷筒随之反转，浮子缓慢下降。当浮子下方的托盘降至罐底时，开始进行液位测量。 

 

3 系统执行机构与软件算法

         系统执行机构传动电机的转速直接影响着校准系统运行的稳定性在本系统中减速器与卷筒间接相连由传动电机带动。执行机构的初速度与卷筒直径分别设定为 v = 0. 05m/s 和 d = 70mm 再根据在厂家“输出扭矩表”，即可算得传动比，如表 1 所示。

         方案设计时采用了软硬件结合的方法，因此传动系统的输入参数在很大程度上也会对精度结果产生影响［6－7］。 3. 1 系统工作原理

零点校准的过程:当浮子开始上升嵌入式 CPU随之开始工作以确保电机的速度可控，并实时跟踪调整电机速度，浮子上升到与基准板接触时，内部控制 CUP 接收到由传感器所发出的信号控制电机缓慢旋转至拉力预值，此时由电机下达分离信号使电机与传动系统分离，达到零点校准的目的。在这个过程中嵌入式 CPU 将通过内部运算，实时处理传入的信息并实时的显示拉力值。

 

         在浮子运动的整个过程中，扭矩限制器与拉力传感器同时工作。作用在卷筒上的力矩随卷筒本身的上下运动而发生实时变化。当扭矩值根据控制器设定到达动作预值时，扭矩限制器动作，将传动装置电机与本系统脱离从而保证运行中的浮子稳定可靠的停留在预定位置。

 

         在零点校准过程中，预防扭矩限制器也可能发生故障，为了有效避免由于该机构的故障而导致系统崩溃，或校准失败还需要设计另一套保护机构，利用接近开关，当浮子与上基准板接触到达一定程度时，近接开关控制电磁离合器断开，启动二重过载保护。

 

 3. 2 电机调速控制

         自动校准系统zui后的执行部分是由小型电机来完成的，对电机调速控制的精确程度在很大程度上直接影响到测量仪表的使用精度。

 

         以往对电机的控制相对简单，普遍应用 PID 算法来调节电机转速，以 PID 作为电机的控制算法的好处是成熟稳定、可控性高、控制算法相对简单，这些优点使其在工业控制领域被广泛应用［8］。但其也有共有的缺点难以克服，从而不能保证获得相对较高的精度，此外在实际的应用中对不同的工业环境可能产生不同的控制效果，PID 的控制参数一旦整定完毕不能根据环境情况自动改变这就大大降低了实际控制效果，就是说常规 PID 对运行工况的适应性很差［9］。

 

         在本方案中，对电机的调速控制采用模糊 PID调速算法，驱动系统的转速调整信号在本方案通过拉力转变而来，而拉力信号来源于浮子与上基准板所产生的浮动压力。根据传感器送来的拉力数据参数，通过本方案所设定的模糊 PID 控制器，将电机在上一时刻所记录的转速参数值与实时记录的当前转速值以比较输入该控制器模糊 PID 算法调节 PWM脉冲的占空比后输出控制量，调节电机转速［10］。直到拉力值达到设定值时，电机停止运转。

 

         本方案所使用的模糊 PID 是一种基于规则的控制原理如图 2 所示。所谓的规则就是利用近乎于人类语言的方式去表述模糊的概念以取得zui佳的控制结果，将可能的参数变量模糊化以输入控制器，输出部分再进行去模糊化。所谓的去模糊化是用来将模糊推理之后所得出的输出值转变为精准的控制信号，做为该系统的输入量。推理过程的输出是一个模糊集，指定一个可能性分布的控制作用，去模糊化转换模糊控制命令来控制输出［11］。模糊控制发展到今天有许多的解决方案，考虑当仪表检测的实际情况本文使用“重心法”，它是表达式 1 为:

         在自动校准系统中，采用模糊 PID 控制算法调节占空比控制电机运转。驱动信号的传递过程是由嵌入式芯片产生 PWM 脉冲，由这个通过放大等环节进入执行机构的驱动电路，在同一时序内 CPU 还要处理由传感器送来的拉力变化值信号，再经过模糊PID 运算后改变 PWM 脉冲的占空比，实现对电机转速的转速控制。 

 

4 结语

         本文设计了一种新型的机械与电子结合的自动校准系统，并对传统的电机控制方案进行了改进，引入了模糊控制大大提高了系统的零点校准精度。该自动校准系统的设计，解决了零点校准问题，提高了液位检测标准的精度和效率，对于液位检测标准装置具有重要的意义。通过应用校准系统进行液面误差比较得出数据如表 2 所示。

         校准后的仪表误差明显降低，起到了提高精确度的作用。在实际的应用过程中得到的主要经验有，实际使用中要考虑所要校准的罐体的实际工作状态，罐的种类及罐内情况。在对浮顶储罐应用本方案时，要考虑浮顶在罐体的相对位置。由于浮顶罐的浮顶与罐内储存物之间不存在空气，可以有效地缓解罐内释放压力的升高，但当储罐发生浮舱泄漏，浮盘受力不平衡，罐内的浮盘将不再保持水平状态，呈现倾斜姿态［12］。此时仪表校准将失败并发生明显漂移，严重影响液位仪表的测量，同时也意味着罐体存在严重事故隐患需及时排除。其它形式的罐体，当罐体内部有异物，罐内液体有较强的挥发性时，会引起光通行发生明显改变，影响到激光干涉仪的正常工作，降低校准仪器本身的精确性，当罐内液体年度较大时，校准浮子所受力矩将发生改变也将影响到校准精度。以上就是实际应用中的问题并加以总结，以期待为后续的改进与提高积累更多的宝贵经验。