趙 邈 宋述古 魏 凱 李 忠 田 欽 韓中華 王雪冰

〔1 青島澳科儀器有限責(zé)任公司 山東青島 266555；2 青島市計(jì)量科學(xué)研究院 山東青島 266555〕

燃油加油機(jī)作為油品交易中一項(xiàng)重要的計(jì)量器具，對(duì)生產(chǎn)者、制造者以及消費(fèi)者都有著重要意義。燃油加油機(jī)計(jì)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著油品交易的公平性。因此，燃油加油機(jī)檢定結(jié)果的精確性十分重要[1]。同時(shí)，燃油加油機(jī)屬于國(guó)家實(shí)施強(qiáng)制周期檢定計(jì)量器具，計(jì)量檢定部門的檢定工作量較大。如何通過(guò)傳感器技術(shù)的應(yīng)用提升加油機(jī)油槍檢定工作的自動(dòng)化程度成為了一個(gè)課題。

1 傳統(tǒng)加油槍檢定裝置存在的問(wèn)題

燃油加油機(jī)示值誤差的檢定一般采用標(biāo)準(zhǔn)金屬量器容量比較法，通過(guò)測(cè)量加油機(jī)累計(jì)量來(lái)判斷加油機(jī)是否符合檢定規(guī)程的要求[2]。

傳統(tǒng)加油機(jī)檢定大多采用人工操作。流程為：提取油槍，啟動(dòng)加油機(jī)，使加油機(jī)的指示裝置回零，將流量調(diào)至檢定流量，向量器內(nèi)注油，同時(shí)使用溫度計(jì)測(cè)量油槍處油溫，待溫度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)再讀取油溫。當(dāng)油液注滿量器時(shí)，關(guān)閉油槍，讀取并記錄量器的示值，測(cè)量并記錄量器中的油液溫度，然后按量器檢定或校準(zhǔn)證書(shū)上規(guī)定的放液時(shí)間將量器內(nèi)的油液放凈，關(guān)閉閥門。一次完整的加油機(jī)檢定過(guò)程完成[3]。

這種操作方式存在一定的問(wèn)題：①傳統(tǒng)的加油機(jī)檢定裝置操作過(guò)于復(fù)雜，對(duì)檢定人員操作規(guī)范性要求較高，特別是讀取加油槍出口油溫、標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)穩(wěn)油后的油溫、標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)油面的高度等方面，人工操作必然存在一定的附加誤差或人為誤差，比如，注油過(guò)程中液面上的泡沫產(chǎn)生讀數(shù)誤差；注油過(guò)程中油品飛濺標(biāo)準(zhǔn)容器誤差；溫度讀取誤差、人工讀計(jì)量數(shù)誤差、人工記錄數(shù)據(jù)誤差等，每個(gè)因素都直接影響檢定的結(jié)果[4]。②人員通過(guò)檢定過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)，還需最終計(jì)算出加油槍精度，檢定效率較低。③裝卸燃油過(guò)程中需要時(shí)間、人力較多。初次檢定的加油機(jī)必須對(duì)3個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行檢定，每個(gè)流量點(diǎn)均需要3次操作[5]，也就是說(shuō)，對(duì)一個(gè)初次檢定加油機(jī)每一把槍必須要進(jìn)行9次有效的裝卸油操作，而一個(gè)后續(xù)檢定的加油機(jī)也至少需要2個(gè)流量點(diǎn)，每點(diǎn)3次的操作。如果一個(gè)站有多臺(tái)需要標(biāo)定的加油機(jī)，這不僅給檢定人員帶來(lái)繁重的工作，同時(shí)也會(huì)影響加油站正常運(yùn)營(yíng)，而且所測(cè)量出來(lái)的數(shù)值不一定精準(zhǔn)，對(duì)計(jì)量檢定的精度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2 加油槍自動(dòng)檢定裝置的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)金屬容器檢定裝置，存在人工引入誤差因素較多、檢定效率低等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)市面上已經(jīng)可以見(jiàn)到一些加油槍自動(dòng)化檢定裝置，但仍存在較大的可改進(jìn)空間，比如計(jì)量精度不夠、供電不方便、整機(jī)不便攜、集成度較低以及通訊不便等問(wèn)題。

2.1 計(jì)量精度不夠

加油機(jī)油槍自動(dòng)檢定裝置的自動(dòng)化完全依賴于設(shè)備傳感器組件的性能，主要受兩個(gè)參數(shù)計(jì)量的影響。

(1)溫度采集準(zhǔn)確性和跟隨性。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的部分設(shè)備采用傳統(tǒng)18B20溫度傳感器、tmp107溫度傳感器，精度達(dá)不到0.1 ℃。同時(shí)，跟隨性也較差。

實(shí)驗(yàn)分別將18B20溫度探頭、tmp107溫度探頭、Pt100溫度探頭裝入3根直徑16.5 mm、壁厚1.5 mm的不銹鋼管中，將封裝好的傳感器放入恒溫槽，恒溫槽溫度為25 ℃，每隔20 s記錄一次當(dāng)前溫度傳感器輸出溫度，直到240 s時(shí)停止。3種相同封裝的傳感器在25 ℃下的跟隨曲線圖見(jiàn)1～3。從圖1～3可以看出，相同條件下，18B20及tmp107溫度傳感器的跟隨性和準(zhǔn)確度都不如Pt100傳感器。

圖1 18B20溫度傳感器

圖2 tmp107溫度傳感器

圖3 Pt100溫度傳感器

(2)油品高度計(jì)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于穩(wěn)油自動(dòng)計(jì)量高度的傳感器，普遍缺少技術(shù)支撐和自主生產(chǎn)能力，導(dǎo)致與標(biāo)準(zhǔn)金屬量器結(jié)合后計(jì)量精度不夠，性能及產(chǎn)品穩(wěn)定性也不易保證。

2.2 供電不方便

加油機(jī)油槍自動(dòng)檢定裝置的供電問(wèn)題也是個(gè)不小的難題。一般考慮防爆設(shè)計(jì)，常見(jiàn)供電形式大多采用安全關(guān)聯(lián)設(shè)備安全柵供電。安全柵作為限能設(shè)備能有效地保護(hù)危險(xiǎn)場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在正常工作條件下能使系統(tǒng)完好地工作，而在故障條件下能限制到達(dá)危險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓、電流，但是安全柵供電必然會(huì)帶來(lái)外接電源線的煩惱。使用該設(shè)備檢定工作人員需要從安全區(qū)域接一條電源線過(guò)來(lái)，這對(duì)于工作人員檢定工作及裝卸油工作都帶來(lái)不小的麻煩，直接導(dǎo)致自動(dòng)檢定裝置的便利性受到很大限制。

2.3 整機(jī)不夠便攜、集成度低

由于油槍自動(dòng)檢定裝置需要滿足系列防爆要求，現(xiàn)市面上普遍存在的油槍自動(dòng)檢定裝置都采用隔爆設(shè)計(jì)，標(biāo)定裝置隔爆形式的設(shè)計(jì)雖然滿足防爆設(shè)計(jì)的要求，但隔爆形式的設(shè)計(jì)必然會(huì)帶來(lái)體積及質(zhì)量的增加，仍然給標(biāo)定工作帶來(lái)繁重的負(fù)擔(dān)。

另一個(gè)方面就是集成化程度較差，傳統(tǒng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)容器只需要20 L、50 L或100 L的容器，油槍自動(dòng)檢定裝置需要在傳統(tǒng)容器的基礎(chǔ)上加裝傳感器、處理計(jì)算單元、顯示單元等，甚至普遍需要配備電腦才能工作。如果集成度做的不夠好，整機(jī)體積會(huì)受到較大影響，且整機(jī)組件連接線束較雜亂，線束耐受疲勞度要求較高，這必定給檢定工作人員的操作帶來(lái)較大的不便。

2.4 通訊不便

目前大部分油槍自動(dòng)化檢定裝置的設(shè)計(jì)都是基于本機(jī)設(shè)備，無(wú)法與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，后期數(shù)據(jù)的處理和通訊基本要靠連接電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)。方式單一且不夠便利，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)和管理。

3 新型油槍自動(dòng)檢定裝置的設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)及現(xiàn)有油槍檢定裝置的問(wèn)題，介紹一種新型智能油槍自動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，其具備計(jì)量精度高、可充電電池供電、集成度高、整機(jī)便攜、數(shù)據(jù)支持手機(jī)上傳等特點(diǎn)。整套設(shè)備設(shè)計(jì)已取得防爆合格證書(shū)，且設(shè)計(jì)精度滿足±0.05 %以內(nèi)的要求，已經(jīng)取得山東省計(jì)量科學(xué)研究院的整機(jī)標(biāo)定證書(shū)，可應(yīng)用于加油站油槍的定期檢定。

3.1 設(shè)計(jì)介紹

該設(shè)計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)主要分為：標(biāo)準(zhǔn)金屬量器部分和計(jì)量顯示部分，兩部分通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)合，如圖4。

圖4 油槍自動(dòng)檢定裝置

標(biāo)準(zhǔn)金屬量器部分采用巧妙的導(dǎo)油結(jié)構(gòu)，解決不同油速可能存在標(biāo)準(zhǔn)容器濺油問(wèn)題。把手等多處增加人體工學(xué)設(shè)計(jì)，極大方便工作人員標(biāo)定工作。

自動(dòng)計(jì)量部分包括：①磁致伸縮液位計(jì)。量器內(nèi)油品液面計(jì)量采用市場(chǎng)上中短位移測(cè)量中精度受到廣泛認(rèn)可的磁致伸縮原理。設(shè)計(jì)方案中采用的磁致伸縮液位計(jì)來(lái)自青島澳科儀器有限責(zé)任公司、配合專門設(shè)計(jì)的浮球，具有極高的精度和極好的穩(wěn)定性。②溫度計(jì)量采用多線制AAA級(jí)別高精度Pt100,溫度誤差可滿足±0.1 ℃、且溫度跟隨性能好。③計(jì)量顯示部分采用高性能處理計(jì)算單元和高分辨率顯示單元，采集并清晰準(zhǔn)確顯示各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)及檢定結(jié)果。④內(nèi)置無(wú)線傳輸單元，可將檢測(cè)結(jié)果及相關(guān)參數(shù)以無(wú)線形式發(fā)送給手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共聯(lián)。

3.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)計(jì)量精度高。

AAA級(jí)Pt100溫度傳感器精度高、跟隨性好。檢定過(guò)程中溫度傳感器必須在注油時(shí)間內(nèi)(1 min左右)跟隨上油溫，且誤差不得大于±0.1 ℃。油槍自動(dòng)檢定上使用特制封裝Pt100溫度傳感器經(jīng)驗(yàn)證，精度為±0.1 ℃，且很快就能隨性上油溫，見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，溫度從22.78 ℃升為30.5 ℃所需時(shí)間為2.3 s。

圖5 油槍檢定溫度傳感器跟隨曲線

(2)液位計(jì)傳感器精度高。

磁致伸縮原理檢測(cè)當(dāng)前液位，液位儀采用最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，精度可達(dá)±0.5 mm，見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)值與液位儀值對(duì)照表

(3)本安電池供電，無(wú)需外接電源，裝置可方便移動(dòng)。

整機(jī)設(shè)計(jì)滿足GB 3836防爆系列本安設(shè)計(jì)要求。整機(jī)供電方面，本設(shè)計(jì)提供本安電池供電，無(wú)需安全柵供電，更無(wú)需外接安全區(qū)域的電源線。顯示端配有電池電量提示，可用配套的充電設(shè)備進(jìn)行自主靈活充電，供電方面給現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定人員帶來(lái)極大的方便。另外，采用了方便快捷的電池更換方式，無(wú)需動(dòng)用拆裝工具，極大地方便人員對(duì)整機(jī)設(shè)備的電力補(bǔ)充。

(4)整機(jī)便攜、集成度高，無(wú)需外接電腦。

采用一體化設(shè)計(jì)，集成度高，在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)容器基礎(chǔ)上加裝集成度較高的精簡(jiǎn)高性能傳感器、高速處理計(jì)算單元、高分辨率顯示單元，無(wú)需外接電腦，整機(jī)外觀簡(jiǎn)約大方，解決了線束雜亂、體積龐大等問(wèn)題。讓油槍檢定人員的工作變得更輕松。

(5)通訊便利。

整機(jī)檢定數(shù)據(jù)支持手機(jī)APP上傳功能。檢定結(jié)束后，可用手機(jī)獲取檢定結(jié)果，上傳至管理服務(wù)中心，統(tǒng)一管理，記錄不易丟失，方便進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄、使用和管理。

(6)檢定結(jié)果準(zhǔn)確。

油槍自動(dòng)檢定的最終目的就是替帶傳統(tǒng)手工檢定，因此需要保證兩者精度一致。在膠南某加油站進(jìn)行了油槍自動(dòng)檢定與手工計(jì)量方式對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膠南某加油站測(cè)試記錄

從表2中可以看出，兩種不同方式的檢定結(jié)果，差值僅為0.020 %。因此，筆者認(rèn)為當(dāng)前設(shè)計(jì)的油槍自動(dòng)檢定裝置完全可以替代手工計(jì)量。

3.3 檢定過(guò)程

檢定人員手持油槍，槍口放入注油口，開(kāi)始注油(定量或非定量)。系統(tǒng)將自動(dòng)讀取注油開(kāi)始信號(hào)，智能化采集油槍口處油溫和量器內(nèi)油溫。注油結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)檢定穩(wěn)油情況，并記錄各項(xiàng)油品溫度、高度等相關(guān)參數(shù)，最后根據(jù)計(jì)算直接彈出檢定報(bào)告結(jié)果及各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。配套使用手機(jī)APP讀取檢定結(jié)果及相關(guān)參數(shù)，保存在手機(jī)上或上傳至中心服務(wù)器，輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互聯(lián)，進(jìn)行高效的檢定數(shù)據(jù)管理工作。

相比于之前普通金屬量器的檢定過(guò)程，檢定人員省去了計(jì)量油槍口出油油溫、計(jì)量容器內(nèi)穩(wěn)油后油溫、讀取計(jì)量徑液面高度和計(jì)算檢定結(jié)果的過(guò)程，不僅節(jié)省了檢定時(shí)間，也排除了一定的人為誤差，提高了檢定精度。普通金屬量器與本方案自動(dòng)檢定裝置在操作環(huán)節(jié)的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 普通金屬量器與本方案自動(dòng)檢定裝置在操作環(huán)節(jié)方面的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

作為油品結(jié)算的燃油加油機(jī)是強(qiáng)制性檢定計(jì)量器具。傳統(tǒng)的燃油加油機(jī)檢定為人工操作，存在工作效率低、易引入附加誤差或人為誤差等。而現(xiàn)市面上一些自動(dòng)油槍檢定裝置仍存在體積較大、穩(wěn)定性較差、定制較難等問(wèn)題。本技術(shù)研究主要采用先進(jìn)成熟的傳感器技術(shù)和通訊技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)設(shè)備的可改進(jìn)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)檢定操作習(xí)慣，設(shè)計(jì)了一款新型高智能化、高集成化、高自動(dòng)化、高管理化、高人性化的油槍自動(dòng)檢定，該產(chǎn)品已取得防爆合格證和山東省計(jì)量科學(xué)研究院的整機(jī)標(biāo)定證書(shū)，可方便檢定人員油槍檢定工作。設(shè)計(jì)的燃油加油機(jī)油槍自動(dòng)檢定裝置可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高標(biāo)定效率，提高系統(tǒng)集成化、自動(dòng)化程度，提高標(biāo)定準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)于協(xié)助檢定工作人員科學(xué)、公正的標(biāo)定，具有十分重要的意義。