油料灌装自动控制系统误差分析

　　摘要：全面系统地分析影响油料灌装自动控制系统精度的各种因素，对于提高灌装精度具有重要的指导意义。本文针对油料定量灌装控制系统，详细分析了体积流量计和科里奥利质量流量计产生附加误差的来源，讨论了影响过冲量大小及造成过冲量误差的主要因素，给出了灌装控制系统总误差的计算公式。通过误差分析，总结出了提高灌装控制系统精度的基本途径。分析还表明，在设置小流量提前关阀的情况下，灌装控制系统的灌装精度主要取决于流量计及温度、压力等仪表的精度，过冲量误差对系统灌装精度的影响并不大。

　　关键词：灌装控制系统；误差分析；流量计；过冲量

　　1、引言

　　油料灌装自动控制系统（以下简称“灌装控制系统”）是油库和加油站的重要组成部分。灌装控制系统一般以流量测量仪表为基础，以电磁切断阀或气动电动切断阀为终端执行元件，以流量定量控制仪或计算机完成流量演算、累积、显示和逻辑控制[1~3]。因此，影响灌装控制系统精度的因素不仅包括流量测量仪表的误差，还包含有信号传输、控制调节、操作执行等环节的误差。全面系统地分析影响灌装控制系统精度的各种因素，对于提高灌装精度具有重要的指导意义。

　　2、流量计的误差分析

　　在灌装控制系统中，流量的检测一般通过各种流量计实现。流量计的基本误差是在标准工作条件下得到的，在实际使用过程中，由于现场使用条件往往偏离标准工作条件，难免会产生附加误差，因此流量计的现场使用误差应为流量计基本误差与附加误差的合成。

流量计主要可分为体积流量计和质量流量计两大类。常见的体积流量计的基本误差一般为±0.5%R，高精度型可达±(0.1~0.2)%R。导致体积流量计产生附加误差的影响量主要包括油品的温度、压力和粘度等。

　　（1）温度

　　温度变化是造成体积流量计附加误差的首要因素。温度的变化主要通过改变油品粘度以及流量计计量室容积产生附加误差。油品粘度随温度升高而减小。温度的变化会改变体积流量计的计量室容积，导致流量计壳体与转子之间的间隙发生变化，从而改变泄漏量。例如，对于计量室腔体材料为铸钢的容积式流量计，当工作温度高于校验温度10℃时，引起的附加误差约为0.04%。

　　（2）压力

　　压力的变化主要也通过改变油品粘度以及流量计计量室容积产生附加误差。油品粘度随压力增加而增大。例如，对于普通液体，在接近0.1Mpa时，每增加0.1Mpa粘度变化约(0.1~0.3)%。压力变化对流量计计量室容积的影响不如温度显著，对于单壳体容积式流量计，压力增高会导致计量室容积增大，泄漏量增加，从而使流量计误差曲线向负向移动。而对于双壳体容积式流量计，由于计量室壁内外压差为零，故不受压力影响。

　　（3）粘度

　　粘度变化会使流量计特性发生偏移。对于容积式流量计，粘度增加，则泄漏量减少，误差偏负；反之，粘度降低，则泄漏量增加，误差偏正。

　　图1所示为液体粘度对一台腰轮流量计基本误差的影响。可见，在0.8~11mPa?s粘度范围内，粘度影响较大，粘度从5.65mPa?s下降到0.8mPa?s，误差负向增加约0.5%；在11~51mPa?s范围内，粘度对测量误差仍有明显影响；粘度大于51mPa?s时，粘度对误差的影响已不明显。因此，对于精度达0.2级以上的容积式流量计，必须考虑油品粘度变化所带来的误差影响。在校验及实际使用过程中，当校验油品粘度与实际使用的油品粘度有较大差异时，必须进行相应的修正。
质量流量计可以分为直接式和间接式(推导式)两大类。当前应用最普遍的、可直接测量液体流量的质量流量计是科里奥利质量流量计（以下简称“科氏流量计”）。科氏流量计的基本误差一般为±(0.15~0.5)%R，特殊可达到±0.1%R。对于精度较低的科氏流量计，可以忽略介质温度和静压变化带来的影响，而对于精度高达(0.1~0.15)%R的科氏流量计，则需考虑其影响。

　　（1）温度

　　介质温度或环境温度变化会改变科氏流量计测量振动管的杨氏模量和几何尺寸，从而改变流量比例系数[4]。大部分型号仪表通过电子线路对杨氏模量的温度系数进行补偿以减少其影响，然而杨氏模量的温度系数是一个统计量，由于测量管材料批号和热处理等工艺的不一致性，不可能全部补偿为零。此外，温度变化还会影响测量管的应力分布，造成机械振动的非对称性，从而导致零点漂移。由于零漂是因振动管几何结构及材质的不均衡所造成的，因而是无法减小和消除的。有关科氏流量计的实流试验表明，温度变化对仪表常数的影响量可达±(0.014~0.057)%/℃。

　　（2）压力

　　液体静压增大会使测量振动管产生绷紧现象，弯曲管还有布登管效应，从而产生负向偏差[5]。对于高精度仪表而言，当使用时静压与校准时相差甚大时，这两种压力效应的影响量还是不容忽视的。压力影响量取决于测量管管径、壁厚和形状，小口径仪表由于壁厚管径比大，影响量较小；大口径仪表则由于壁厚管径比小，影响量较大。根据MicroMotion公司所提供的数据，以校准时压力0.2Mpa为基准，CMF100型仪表的压力影响量为-0.03%R/Mpa，CMF200型为-0.12%R/Mpa，D300型为-1.35%/Mpa，D600型为-0.75%/Mpa。

　　（3）脉动和振动

　　科氏流量计是基于振动原理进行测量的，因而对外界振动干扰比较敏感。实验结果显示，当脉动流或外部机械振动的频率接近或等于科氏流量计的共振频率时，将会产生较大的测量误差，甚至使其无法正常工作。

　　3、过冲量误差分析

　　在灌装控制系统中，从控制器发出关阀指令到阀门完全关断需要一定时间，在此期间中流过的累积流量称为过冲量。过冲量的大小与系统响应速度、关阀行程时间、关阀过程中的瞬时流量等有关，为克服过冲量带来的误差，通常采取提前关阀的方式，即设置一关阀提前量ΔL’，当目标灌装量与累积发油量之差等于ΔL’时，发出关阀指令。在实际灌装过程中，泵/管道压力会在一定范围内波动，从而使关阀过程中的Δp发生变化。此外，温度和压力的变化也会对流体密度产生影响。因此，每次关阀过程中的实际过冲量并不完全相同，若每次都使用固定的ΔL’，可能会造成较大的过冲量误差。

　　4、灌装控制系统的总误差

　　例如，某油库的油桶定量灌装控制系统选用精度为0.2%的体积流量计，温度、压力测量精度为0.5级，考虑到各种附加误差，其质量流量测量误差约为±0.27%。目标灌装量设为100kg，采取提前关阀方式，过冲量误差约为±3%。若不采取分段关阀，过冲量约为1kg，则灌装系统总误差为±0.2973%

　　若采取小流量分段关阀，则最后关阀过程中的过冲量约为0.2kg，灌装系统总误差为±0.2755%

　　再如，某中转油库的汽车定量发油控制系统选用精度为0.15%的质量流量计(考虑到附加误差，其现场测量误差约为±0.18%)，目标灌装量设为3t，过冲量误差约为±3%。若不采取分段关阀，过冲量约为30kg，则灌装系统总误差为±0.2082%

　　若采取小流量分段关阀，则最后关阀过程中的过冲量约为5kg，灌装系统总误差为±0.1847%

　　若仍采取小流量分段关阀，目标灌装量设为6t，由于最后关阀过程中的过冲量及过冲量误差与目标灌装量无关，故灌装系统总误差为±0.1823%

　　5、结论

　　通过以上分析，灌装控制系统误差主要由流量测量误差和过冲量控制误差两大部分构成。流量测量误差主要包括流量计及温度、压力等仪表的误差，过冲量控制误差主要包括控制调节、操作执行等环节的误差。此外，信号处理过程中的转换误差、分辨误差等也会对系统灌装精度带来一定的影响。因此，提高灌装控制系统精度的途径主要包括：（1）流量计仪表系数线性化；（2）流量计附加误差的温度、压力和粘度修正；（3）流体密度的实时温度、压力补偿；（4）小流量提前关阀；（5）过冲量误差的实时修正；（6）提高信号转换精度。

　　通过前面的分析还发现，在设置小流量提前关阀的情况下，灌装控制系统精度主要取决于流量计及温度、压力等仪表的精度，过冲量误差对系统灌装精度的影响并不大。

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