CN102042856B - 基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定装置与方法。本发明中计算机控制设备实时采集从标准金属量器注入卧式罐的液位高度以及液体温度信息，换算到标准温度下的液体容量，计算出卧式罐测量液位高度对应的容量表。且标准金属量器的进液电磁阀门可以控制进液流量大小，当检测液位低于某一门限值时计算机控制进液阀门开启大流量快速进液，当检测液位达到门限值时关闭大流量进液控制，开启小流量进液控制缓慢进液直至设定液位。计量检定装置所有组成部件都具有防爆功能，满足检定现场的防爆要求。这种卧式罐容量自动计量系统结构简单、自动化程度高，易于操作，适合卧式罐现场使用。

Description

基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定装置与方法

技术领域

本发明属于计量领域中对卧式罐容量计量检定装置和方法，特别涉及一种基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定装置与方法。

背景技术

卧式埋地油罐经常用来储存汽油、柴油、煤油等燃料，作为计量和储存液体的计量器具，广泛应用于各行各业中，其中使用最广泛的是加油站。作为加油站计量和储存液体的器具，卧式罐容量计量的精确与否又直接决定了能源企业能否进行完善的库存管理和进销存封闭控制，研究其精密计量装置和方法具有重要现实意义。

卧式罐容量计量的现有方法主要有两种：几何测量法和流量计算法，其中几何测量法的使用最为广泛，下面分别进行分析：

1)几何测量法

几何测量法的原理是：假设卧式罐是由规则的封头和圆柱筒体组成，按照国际建议OIML R80、美国石油学会标准API STD2551和国家检定规程JJG266-1996的技术要求，通过测量圆筒内直径、直圆筒内总长、顶板内直径、顶板内外伸长、顶板外高等参数，按照规则几何体的计算模型得到卧式罐内液体高度与容量的对应关系。

卧式罐的封头分为平顶、锥顶、圆台顶、球缺顶、椭球顶和弧形顶6种情况，其一定高度水平面内的截面面积计算公式各不相同，而且为了排污等目的，卧式罐一般倾斜安装，需要用水准仪测量出罐体倾斜度，所以增加了与水平高度对应的卧式罐截面面积计算难度，使得计算不同液位高度时候的容量计算模型复杂，增加了不确定度因素来源。

现有几何测量方法需要在卧式罐清空后进行，卧式罐清空作业费用大且污染环境；几何测量法需要人工进入罐内使用套管尺、测距仪、半径三角仪、钢质跨越规或半径规等设备进行操作，自动化程度低，劳动强度大，而且罐内残留的有害气体对检定人员存在安全隐患。由于上述原因，长期使用且埋在地下的一些卧式金属罐不能按照检定周期检定。

2)流量计算法

沈阳计量测试院和国家大容量第二计量站等研究机构提出了通过流量计算进行卧式罐容量计量检定的方法。与加油机工作原理类似，利用高精度流量计对卧式罐的进油或出油进行计量，同时测量卧式罐内液位的高度变化，并将进出油测量数据和液位高度实时传输至计算机。计算机进行分析与计算，通过PID自整定算法，滤去进油或出油时必然会产生的各种信号波动，得到卧式罐内液体容量与液位高度的对应关系。

这种方法操作简单，自动化程度高，能够实现卧式罐在不清罐的工作状态下进行标定；但是由于核心部件流量计的不确定度有待提高，所以这种方法很难满足卧式罐计量校准不确定度0.4％(k＝2)的要求，基本上只用于企业内部管理，而不是作为计量交接使用。

综上所述，以上两种方法分别存在劳动强度大、安全系数低和不确定度不满足计量要求等不足，为了满足油品贸易交接和卧式罐使用单位精细化管理的要求，需要研究一种能够满足计量不确定度要求的自动化卧式罐容量计量检定装置及方法。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，研发了一种基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定装置与方法。自动计量检定装置包括标准金属量器、电磁阀门、计算机、数字量控制卡(I/O卡)、功放、液位传感器和温度传感器组成。根据卧式罐几何截面形状计算出上升一定高度液面所需要加入的液体容量，然后计算机设备控制标准金属量器组进液，将经过容量精确计量的液体从标准量器组流入卧式罐内；待液面稳定后，由液位传感器和温度传感器测量出卧式罐内的液位高度和温度；计算机控制设备实时采集从标准金属量器注入卧式罐的液位高度以及液体温度信息，换算到标准温度下的液体容量，计算出卧式罐测量液位高度对应的容量表。

在本发明中为了准确测量卧式罐的容量，发明人研发了一种标准金属量器装置，所述装置包括一组标准金属量器；所述每个标准金属量器与待测卧式罐连接；单个标准金属量器具有标准的容积，且包括容器体和测量所述标准金属量器内部液体液位高度和温度的探测单元；所述容器体包括计量颈，进液口和出液口；USB端口设置在所述标准金属量器的上部。

为了准确采集各个标准金属量器中的液面高度和温度，所述探测单元设置在所述标准金属量器内部，包括磁置伸缩液位传感器和温度传感器；所述温度传感器设置在所述磁置伸缩液位传感器一端，所述磁置伸缩液位传感器的另一端通过USB端口与计算机相连，将探测到的所述每个标准金属量器内部液体液位高度及温度信号传输给计算机；

所述每个标准金属量器的计量颈为圆柱体，经过标定后可以准确得出计量颈圆柱体内液位高度与标准金属量器液体体积之间的对应关系，在卧式罐检定过程中，都要进液至每个标准金属量器计量颈固定位置处，通过这个高度容积对应关系就可以准确测量出标准金属量器内液体的容量值。

标准金属量器的材料选用1Cr18Ni9Ti，且表面经过研磨处理。标准金属量器的底部加工有进液口和放液口，其中进液口设计在标准金属量器的底部有利于进液过程中液体内气体的排出，标准金属量器与水平方向安装5度-15度倾斜夹角，放液口设计在接近标准金属量器内部腔体的最低端，有利于液体的排出，最大程度上减少残余量。

本发明基于上述标准金属量器组所研发的对卧式罐计量系统包括一组标准金属量器，计算机，输入输出端，功放，所述功放的作用是进行根据控制信号的大小进行功率放大，以此来驱动电磁阀门开关，待测卧式罐和电磁阀组；

所述一组包含有探测单元的标准金属量器分别通过放液管路与所述卧式罐连接；

所述计算机通过输入输出端与功放连接；

所述卧式罐内设置有罐体液位传感器和温度传感器，用于检测卧式罐内液面高度和温度，且所述罐体液位传感器和温度传感器通过线路与计算机连接，将信号传输给所述计算机；

所述电磁阀组包括一组进液电磁阀门和一组放液电磁阀门；所述一组放液电磁阀门分别设置在所述各个标准金属量器与卧式罐连接的放液管路中；所述一组进液电磁阀门分别设置在所述各个标准金属量器与储液罐连接的进液管路中；

所述计算机通过标准金属量器中的探测单元和卧式罐中罐体液位传感器和温度传感器探测到的液位情况及液体温度，并根据卧式罐类型，设定计量液位间隔高度和计算液位间隔高度对应的容量值，配置标准金属量器组合，进而发出控制指令，控制所述标准金属量器进液或出液，并最终计量所述卧式罐的容量，实现卧式罐内液位高度及温度信息的实时采集。

根据卧式罐的大概外形几何尺寸和卧式罐截面面积计算模型，计算机计算出不同水平高度处对应的卧式罐容量。设定液位测量间隔，将相邻测量液位高度对应的容量差值作为参考值，进行标准金属量器的优化选择使用，使每次标准量器组注入卧式罐的容量值与参考值差值最小。标准量器组中的液体容量由液位传感器和温度传感器准确测量出，与卧式罐液位高度测量值相对应，得到卧式罐每一高度对应的容量值。

在具体的实践中，所述一组标准金属量器的容积包括400L、300L、200L和100L；所述标准金属量器内部探测单元包括磁置伸缩液位传感器和温度传感器；所述温度传感器设置在所述磁置伸缩液位传感器一端，所述磁置伸缩液位传感器的另一端通过USB端口与计算机相连，将探测到的所述每个标准金属量器内部液体液位高度及温度信号通过线路传输给计算机；

所述每个标准金属量器的计量颈为圆柱体，经过标定后可以准确测量出计量颈圆柱体内液位高度与标准金属量器液体体积之间的对应关系，在卧式罐检定过程中，都要进液至每个标准金属量器计量颈固定位置处，通过这个高度容积对应关系就可以准确测量出标准金属量器内液体的容量值。

本发明涉及的标准金属量器，安装有温度传感器和磁置伸缩液位传感器，能够实时进行标准金属量器内液体温度和液位的监测。在进液过程中，当检测液位低于某一门限值时计算机控制进液阀门开启大流量快速进液，当检测液位达到门限值时关闭大流量进液控制，开启小流量进液控制缓慢进液直至设定液位。这种大小流量进液的组合方式，既兼顾进液效率，又利于液面稳以及防止液体溢出。

本发明涉及的所有零部件都具有防爆功能，满足卧式罐使用单位，如加油站的防爆要求。系统中全部电子控制器件都安装在防爆盒内，所有电缆都采用防爆电缆。

本发明为了配合标准金属量器和系统的应用，还研发了对所述卧式罐容量进行计量的方法，

方法包括如下步骤，

①.计算机判断需要检定的卧式罐类型，选择合理的卧式罐水平截面面积计算数学模型；

②.根据卧式罐使用需要设定液位高度计量间隔ΔH；

③.通过安装在卧式罐内的罐体液位传感器测量出卧式罐内已有液面高度；

④.根据卧式罐封头类型和初步几何尺寸，计算不同液位高度处对应的卧式罐水平截面面积值；

⑤.根据随高度变化的水平截面面积值，计算出不同液位高度时液面上升ΔH需要加入的液体容积ΔV；

⑥.根据液位上升ΔH需要加入的液体容积ΔV选择上述四个量器中的组合进行放液，选择依据是使用的量器组合容量之和与ΔV最接近且放液时间最少；

⑦.判断选用的标准金属量器是否已经进液完成，如果标准金属量器没有达到满量程则继续进液；

⑧.在进液过程中，当标准金属量器内检测液位低于满量程的90％时，计算机控制开启大流量进液阀门快速进液，当检测液位达到满量程的90％时关闭大流量进液阀门，开启小流量进液阀门缓慢进液直至设定液位；

⑨.选取的量器组合进液完成后，通过各标准金属量器内的磁置伸缩液位传感器和温度传感器测量每个标准金属量器内液体的温度和液位高度，换算到标准温度下的液体体积V，通过USB口送入计算机中；

⑩.计算机发出指令，打开放液电磁阀门将液体放入卧式罐中；放液完成后静置，让卧式罐中的液面稳定，通过罐体液位传感器和温度传感器测量卧式罐内液位高度和液体温度，由USB口采集到计算机中；

计算机判断液面是否达到卧式罐液面高度上限值，如果小于上限值就继续进液过程，否则就停止进液，

计算出卧式罐内液体容量与液面高度对应关系，即容量表。

在具体的应用中，

所述步骤2中的高度计量间隔ΔH采用50mm或者100mm；

所述步骤6中采用100L、200L、300L和400L四个标准金属量器；

所述步骤8中所述的大流量进液状态流量为300L/min，所述小流量进液状态流量为30L/min；

所述步骤9中所述的标准温度为摄氏20度；

所述步骤10中放液完成后的静置时间为10-30秒。

本发明中计算机控制设备实时采集从标准金属量器注入卧式罐的液位高度以及液体温度信息，换算到标准温度下的液体容量，计算出卧式罐测量液位高度对应的容量表。且标准金属量器的进液电磁阀门可以控制进液流量大小，当检测液位低于某一门限值时计算机控制进液阀门开启大流量快速进液，当检测液位达到门限值时关闭大流量进液控制，开启小流量进液控制缓慢进液直至设定液位。计量检定装置所有组成部件都具有防爆功能，满足检定现场的防爆要求。这种卧式罐容量自动计量系统结构简单、自动化程度高，易于操作，适合卧式罐现场使用。

附图说明

图1是本发明中标准金属量器结构示意图；

图2是本发明中计量卧式罐系统的示意图；

图3是本发明中计量卧式罐方法的流程示意图。

上述各幅附图将结合下面的具体实施方式加以说明。

具体实施方式

如图2所示，本发明系统的工作原理是：本发明包括计算机1、I/O卡2、功放3、进液电磁阀15 19 232 7、放液电磁阀4 6 8 13、磁置伸缩液位传感器11 17 21 25 30和温度传感器10 16 20 24 28，计算机1通过I/O卡2控制功放3的输出，功放3与电磁阀门相连15 19 23 27 4 6 8 13，电磁阀门15 19 2327 4 6 8 13与标准金属量器5 7 9 14的进液口31和放液口32连接，通过计算机1控制电磁阀门开启与关闭实现标准金属量器的进液与放液。磁置伸缩液位计11和温度传感器10放置在卧式罐A计量口处，通过USB口与计算机1连接，实现卧式罐A液位高度和温度信息的实时采集。根据每次由标准金属量器57914放入卧式罐中的容量(换算到标准温度20摄氏度下)和卧式罐A液位高度信息，就可以得出卧式罐A容量与液位高度的对应关系，即卧式罐A容量计量表。

如图3所示，本发明方法的工作流程是：首先判断需要检定的卧式罐A类型，主要是进行卧式罐A封头类型的判别，目的是为了选择合理的水平截面面积计算数学模型；根据卧式罐使用需要设定液位高度计量间隔ΔH，一般取50mm或者100mm；通过安装在卧式罐计量口的磁置伸缩液位传感器11测量出已有液面高度，根据卧式罐封头类型和初步几何尺寸，计算不同液位高度处对应的卧式罐水平截面面积值；根据随高度变化的水平截面面积值，计算出不同液位高度时液面上升ΔH需要加入的液体容积ΔV；对于通用卧式罐液面上升50mm或者100mm时容量变化最大量一般不超过1000L，所以可以使用1000L以内的标准量器往卧式罐内注入液体，为了使用方便，采用100L、200L、300L和400L四个标准金属量器5 7 9 14组合使用，每个量器容量的扩展不确定度为0.025％(k＝2)；根据不同液位高度时需要加入的液体容积ΔV合理选择上述四个量器中的某几个进行放液，选择依据是使用的量器组合容量之和与ΔV最接近且放液时间最少；然后判断选用的标准金属量器是否已经进液完成，如果标准金属量器没有达到满量程则继续进液；在进液过程中，当标准金属量器5 7 9 14内检测液位低于满量程的90％时，计算机1控制进液阀门开启大流量(300L/min)快速进液，当检测液位达到满量程的90％时关闭大流量进液，开启小流量进液(30L/min)缓慢进液直至设定液位，这种大小流量进液的组合方式，既兼顾进液效率，又利于液面稳定以及防止液体溢出；选取的量器组合进液完成后，通过磁置伸缩液位传感器17 21 25 30和温度传感器16 20 24 28测量每个量器内液体的温度和液位高度，换算到标准温度20C下的液体体积V通过USB口18 22 26 30送入计算机1中，然后打开放液电磁阀门将液体放入卧式罐中；放液完成后等待20秒，待卧式罐中的液面稳定，通过磁置伸缩液位传感器11和温度传感器10测量卧式罐内液体的温度和液位高度，由USB口12采集到计算机1中；判断是否达到卧式罐液面高度上限值，如果小于上限值就继续进液过程，否则就停止进液，计算出卧式罐内液体容量与液面高度对应关系，即容量表。

如图1所示，以400L标准金属量器14为例，本发明包括磁置伸缩液位传感器17和温度传感器16，其中温度传感器16安装于磁置伸缩液位传感器17的端部，磁置伸缩液位传感器17与标准金属量器的计量颈处35通过螺母方式连接，磁置伸缩液位传感器17顶部有USB接口18可以与计算机1相连，实现标准金属量器内液位高度和液体温度信号的传输。

标准金属量器的计量颈35为圆柱体，经过试验室标定之后可以准确得出圆柱体内液位高度与液体体积之间的对应关系，在卧式罐检定过程中，都要进液至计量颈某一位置处，通过这个高度容积对应关系就可以准确测量出标准金属量器内液体的容量值。

标准金属量器的底部加工有进液口31和放液口32，可以分别与进液电磁阀15和放液电磁阀13通过法兰方式连接，实现标准金属量器的进液与放液，其中进液口设计在标准金属量器的底部有利于进液过程中液体内气体的排出，标准金属量器与水平方向安装成10°倾斜夹角，放液口设计在接近标准金属量器内部腔体的最低端，有利于液体的排除，最大程度上减少残余量。

标准金属量器的材料选用1Cr18Ni9Ti，表面经过研磨处理，可以有效提高量器的防腐、防锈能力，减小量器内壁上液体的挂壁量，保证标准金属量器的容量计量不确定度为0.025％(k＝2)。

整个装置在计算机1的控制下进行工作，一方面计算机通过USB口12 18 2226 30实时采集卧式罐和标准量器5 7 9 14中液体液位高度和温度信息；另一方面，计算机1通过I/O卡2控制功放3的输出，进行标准金属量器进液和放液电磁阀门的开关，实现卧式罐工作状态下的容量计量检定。按照上述方法使用基于标准金属量器的卧式罐容量计量系统，能够实现卧式罐在不清罐工作状态下的容量检定工作，不仅自动化程度高，减轻了现场计量工作强度和难度，而且使用不确定度为0.025％(k＝2)的标准金属量器组，可以有效保证卧式罐0.4％的计量不确定度要求。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种计量卧式罐容量的装置，其特征在于，所述装置包括一组标准金属量器；每个所述标准金属量器与待测卧式罐连接；单个标准金属量器具有标准的容积，且包括容器体和测量所述标准金属量器内部液体液位高度和温度的探测单元；所述容器体包括计量颈，进液口和出液口；USB端口设置在所述标准金属量器的上部。

2.根据权利要求1所述的一种计量卧式罐容量的装置，其特征在于，

所述探测单元设置在所述标准金属量器内部，包括磁致伸缩液位传感器和温度传感器；所述温度传感器设置在所述磁致伸缩液位传感器一端，所述磁致伸缩液位传感器的另一端通过USB端口与计算机相连，将探测到的每个所述标准金属量器内部液体液位高度及温度信号传输给计算机；

每个所述标准金属量器的计量颈为圆柱体，经过标定后可以准确得出计量颈圆柱体内液位高度与标准金属量器液体体积之间的对应关系，在卧式罐检定过程中，都要进液至每个标准金属量器计量颈固定位置处，通过这个高度对应关系就可以准确测量出标准金属量器内液体的容量值。

3.根据权利要求1所述的一种计量卧式罐容量的装置，其特征在于，

所述进液口和出液口均设置在所述容器体下部，所述进液口通过电磁阀与储液罐相连，所述出液口通过另一电磁阀与所述待测卧式罐连接；

每个所述标准金属量器的容器体设置为与水平面成5度-15度夹角。 

4.根据权利要求1-3之一所述的一种计量卧式罐容量的装置，其特征在于，

所述出液口设置在所述容器体最底端；所述标准金属量器材料为1Cr18Ni9Ti，且表面经过研磨处理。

5.基于根据权利要求1-4之一的标准金属量器计量卧式罐容量的系统，其特征在于，

所述系统包括一组权利要求1-4之一中的标准金属量器，计算机，输入输出端，功放，待测卧式罐和电磁阀组，其中所述功放为控制信号的功率放大单元；

一组包含有探测单元的所述标准金属量器分别通过放液管路与所述卧式罐连接；

所述计算机通过输入输出端与功放连接；

所述卧式罐内设置有罐体液位传感器和温度传感器，用于检测卧式罐内液面高度和温度，且所述罐体液位传感器和温度传感器通过线路与计算机连接，将信号传输给所述计算机；

所述电磁阀组包括一组进液电磁阀门和一组放液电磁阀门；所述一组放液电磁阀门分别设置在各个所述标准金属量器与卧式罐连接的放液管路中；所述一组进液电磁阀门分别设置在各个所述标准金属量器与储液罐连接的进液管路中；

所述计算机通过标准金属量器中的探测单元和卧式罐中罐体液位传感器和温度传感器探测到的液位情况及液体温度，并根据卧式罐类型，设定计量液位间隔高度和计算液位间隔高度对应的容量值，配置标准金属量器组合，进而发 出控制指令，控制所述标准金属量器进液或出液，并最终计量所述卧式罐的容量，实现卧式罐内液位高度及温度信息的实时采集。

6.根据权利要求5所述的计量卧式罐容量的系统，其特征在于，

一组所述标准金属量器的容积包括400L、300L、200L和100L；所述标准金属量器内部探测单元包括磁致伸缩液位传感器和温度传感器；所述温度传感器设置在所述磁致伸缩液位传感器一端，所述磁致伸缩液位传感器的另一端通过USB端口与计算机相连，将探测到的每个所述标准金属量器内部液体液位高度及温度信号通过线路传输给计算机；

每个所述标准金属量器的计量颈为圆柱体，经过标定后可以准确得出计量颈圆柱体内液位高度与标准金属量器液体体积之间的对应关系，在卧式罐检定过程中，都要进液至每个标准金属量器计量颈固定位置处，通过这个高度容积对应关系就可以准确测量出标准金属量器内液体的容量值。

7.根据权利要求5或6所述的计量卧式罐容量的系统，其特征在于，

设定每个标准金属量器的容量计量扩展不确定度为0.025％，k＝2；且标准金属量器的材料选用1Cr18Ni9Ti，表面经过研磨处理。

8.根据权利要求5所述的计量卧式罐容量的系统，其特征在于，

所述系统中的全部器件都具有防爆功能。 

9.采用权利要求6-8之一所述的系统对卧式罐容量进行计量的方法，其特征在于，

方法包括如下步骤，

①.计算机判断需要检定的卧式罐类型，选择合理的卧式罐水平截面面积计算数学模型；

②.根据卧式罐使用需要设定液位高度计量间隔ΔH；

③.通过安装在卧式罐内的罐体液位传感器测量出卧式罐内已有液面高度；

④.根据卧式罐封头类型和初步几何尺寸，建立不同液位高度处对应的卧式罐水平截面面积值；

⑤.根据随高度变化的水平截面面积值，计算出不同液位高度时液面上升ΔH需要加入的液体容积ΔV；

⑥.根据液位上升ΔH需要加入的液体容积ΔV选择四个标准金属量器中的组合进行放液，选择依据是使用的量器组合容量之和与ΔV最接近且放液时间最少；

⑦.判断选用的标准金属量器是否已经进液完成，如果标准金属量器没有达到满量程则继续进液；

⑧.在进液过程中，当标准金属量器内检测液位低于满量程的90％时，计算机控制开启大流量进液阀门快速进液，当检测液位达到满量程的90％时关闭大流量进液阀门，开启小流量进液阀门缓慢进液直至设定液位； 

⑨.选取的量器组合进液完成后，通过各标准金属量器内的磁致伸缩液位传感器和温度传感器测量每个标准金属量器内液体的温度和液位高度，换算到标准温度下的液体体积V，通过USB口送入计算机中；

⑩.计算机发出指令，打开放液电磁阀门将液体放入卧式罐中；放液完成后静置，让卧式罐中的液面稳定，通过罐体液位传感器和温度传感器测量卧式罐内液位高度和液体温度，由USB口采集到计算机中；

计算机判断液面是否达到卧式罐液面高度上限值，如果小于上限值就继续进液过程，否则就停止进液；

计算出卧式罐内液体容量与液面高度对应关系，即容量表。

10.权利要求9所述的对卧式罐容量进行计量的方法，其特征在于，

所述步骤2中的高度计量间隔ΔH采用50mm或者100mm；

所述步骤6中采用100L、200L、300L和400L四个标准金属量器；

所述步骤8中所述的大流量进液阀门流量为300L/min，所述小流量进液阀门为30L/min；

所述步骤9中所述的标准温度为摄氏20度；

所述步骤10中放液完成后的静置时间为10-30秒。 

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