劉敦利　譚　斌

(新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，烏魯木齊 830011)

0　引言

液位計(jì)是工業(yè)過程測(cè)量和控制系統(tǒng)中用于指示和控制液位的儀表，廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)和生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、交接等環(huán)節(jié)[1]。隨著液位計(jì)測(cè)量原理、方式、范圍等計(jì)量性能的不斷更新，新疆計(jì)量測(cè)試研究院于2007年研制的水箱式液位計(jì)檢定裝置已無法滿足各類液位計(jì)的檢定要求。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)也尚沒有一套完善的檢定裝置能夠滿足各種液位計(jì)的檢定要求[2-3]。

為此，我們研制了一套實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控、自動(dòng)化檢定、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果處理等功能，具有檢定效率高、人為干預(yù)少、檢定結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)的液位計(jì)檢定裝置，實(shí)現(xiàn)了各種類型液位計(jì)的檢定。

1　裝置設(shè)計(jì)原理和技術(shù)指標(biāo)

通過對(duì)現(xiàn)有各種類型液位計(jì)的研究分析，結(jié)合實(shí)現(xiàn)檢定的可行性，把液位計(jì)分為三大類，分別建立三套液位計(jì)檢定裝置：差壓式液位計(jì)檢定裝置、靜壓式液位計(jì)檢定裝置和反射式液位計(jì)檢定裝置。

1.1　差壓式液位計(jì)檢定裝置

該裝置的設(shè)計(jì)原理是采用壓力模擬液位的方式檢定液位計(jì)，主要檢定對(duì)象為差壓式液位計(jì)。裝置通過壓力變化模擬液位變化，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)器和被檢液位計(jì)的液位示值，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的檢定過程。

檢定裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)；擴(kuò)展不確定度為Ur=0.05％，k=2；測(cè)量范圍0～4000kPa(對(duì)應(yīng)液位高度0～400m)。

1.2　靜壓式液位計(jì)檢定裝置

該裝置主要針對(duì)磁翻板式、浮子式、浮球式、磁致伸縮式、電阻式、電容式、壓力式等液位計(jì)的檢定。這些液位計(jì)的共同特點(diǎn)是測(cè)量范圍較小，準(zhǔn)確度等級(jí)較高，不宜采用模擬方法檢定。裝置采用水箱檢定方式，檢定介質(zhì)為循環(huán)水，標(biāo)準(zhǔn)器為靜壓式液位計(jì)。設(shè)計(jì)原理是利用水泵和電磁閥控制水箱內(nèi)液位的高度變化，通過對(duì)比被檢液位計(jì)的示值和標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)現(xiàn)檢定過程。

檢定裝置準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)；擴(kuò)展不確定度為U=1.5mm，k=2；測(cè)量范圍為0～3000mm，完全滿足上述液位計(jì)的常規(guī)檢定要求。

1.3　反射式液位計(jì)檢定裝置

反射式液位計(jì)檢定裝置也是采用模擬液位方式實(shí)現(xiàn)檢定，主要針對(duì)雷達(dá)和超聲波式等反射式液位計(jì)。測(cè)量原理都是采用電磁波“發(fā)射—反射—接收”的方式來測(cè)量液位，所以只能采用模擬檢定的方式。裝置設(shè)計(jì)原理是采用高精度激光測(cè)距儀做標(biāo)準(zhǔn)器，把標(biāo)準(zhǔn)器和被檢液位計(jì)都安裝在電動(dòng)推車上，由工控系統(tǒng)控制電動(dòng)推車在水平導(dǎo)軌上移動(dòng)，改變液位計(jì)與反射板之間的距離來模擬液位變化，通過激光測(cè)距儀與被檢液位計(jì)的示值比較，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的檢定。

檢定裝置采用高精度激光測(cè)距儀做標(biāo)準(zhǔn)器，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)；擴(kuò)展不確定度為U=2.0mm，k=2；測(cè)量范圍為0～20m。

2　裝置的結(jié)構(gòu)

2.1　差壓式液位計(jì)檢定裝置

該裝置由標(biāo)準(zhǔn)器壓力校驗(yàn)儀、打壓設(shè)備壓力泵、連接管和差壓式液位計(jì)支撐臺(tái)組成。把差壓式液位計(jì)垂直放置在支撐臺(tái)上，用連接管連接壓力泵和被檢差壓式液位計(jì)，實(shí)現(xiàn)三者的聯(lián)通，通過壓力泵同時(shí)給壓力校驗(yàn)儀和被檢液位計(jì)打壓，實(shí)現(xiàn)兩者壓力變化，從而模擬液位的變化，實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的檢定過程[4]。

考慮到重力對(duì)液位計(jì)指針位置的影響，特制作專用的差壓式液位計(jì)支撐臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的快速安裝和垂直放置。支撐臺(tái)上設(shè)計(jì)三組支撐柱，支撐柱之間距離根據(jù)液位計(jì)背部安裝孔設(shè)計(jì)，且最上面一組距離可調(diào)，安裝時(shí)直接把液位計(jì)安裝孔套入任一組支撐柱，就可以實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的垂直放置，方便、快捷、牢固。該檢定裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　差壓式液位計(jì)檢定裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2　靜壓式液位計(jì)檢定裝置

裝置主要構(gòu)成部分有檢定水箱、循環(huán)水箱、主標(biāo)準(zhǔn)器、水泵、電磁閥、操作平臺(tái)以及工控系統(tǒng)。檢定水箱是裝置的主體之一，透明有機(jī)玻璃材質(zhì)，主體呈圓柱狀，直徑500mm、高度3.5m，底部為喇叭狀，豎直安放在循環(huán)水箱中；頂部設(shè)計(jì)一組四根可整體和獨(dú)立旋轉(zhuǎn)式支撐架，便于被檢液位計(jì)垂直安裝和拆卸，側(cè)面設(shè)計(jì)便于磁翻板式液位計(jì)固定和檢定的部件。循環(huán)水箱主要用于循環(huán)水的儲(chǔ)存和水泵、電磁閥的放置，通過工控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定水箱液位的上下行程。操作平臺(tái)便于檢定人員安裝和拆卸被檢液位計(jì)；工控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢定過程的控制、電源的開關(guān)、狀態(tài)的顯示、數(shù)據(jù)的讀取和處理等功能。該檢定裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　靜壓式液位計(jì)檢定裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3　反射式液位計(jì)檢定裝置

裝置主要由電動(dòng)推車、標(biāo)準(zhǔn)器、被檢液位計(jì)支撐臺(tái)、水平導(dǎo)軌、反射板和工控系統(tǒng)等部件組成。裝置的標(biāo)準(zhǔn)器、被檢液位計(jì)、工控系統(tǒng)均安裝在電動(dòng)推車上。電動(dòng)推車有三層結(jié)構(gòu)，上層內(nèi)部放置標(biāo)準(zhǔn)器，中間是工控系統(tǒng)，下面安裝工作用的電動(dòng)機(jī)和穩(wěn)壓電源，下層上表面用于放置被檢液位計(jì)和工控機(jī)。由于反射式液位計(jì)外觀樣式“千奇百怪”，設(shè)計(jì)液位計(jì)支撐臺(tái)由四根可獨(dú)立自由升降的支撐柱組成，頂部安裝可以更換的支撐架，有Y型、一型、U型、弧形等，根據(jù)液位計(jì)支撐面的形狀選擇對(duì)應(yīng)支撐架?？紤]到空間和檢定的需要，水平導(dǎo)軌設(shè)計(jì)每組長(zhǎng)1.5m，可以連接使用，均可以調(diào)節(jié)高度，以保證整體水平性。反射板采用鋁板材質(zhì)，保證了高反射性能，自由垂直懸掛，尺寸為3m×3m，滿足20m測(cè)量范圍內(nèi)各種液位計(jì)的發(fā)散角要求。工控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)推車的前后移動(dòng)和停止、數(shù)據(jù)采集和處理，完成自動(dòng)檢定過程[5]。裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　反射式液位計(jì)檢定裝置結(jié)構(gòu)圖

3　裝置的實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證本套裝置，篩選了性能較為穩(wěn)定的差壓式、浮子式和雷達(dá)式液位計(jì)各一臺(tái)，分別在本裝置和原裝置進(jìn)行檢定，結(jié)果見表1。

分析數(shù)據(jù)得出，本套檢定裝置從檢定效率和檢定結(jié)果上都優(yōu)于原有的裝置。原有裝置的檢定時(shí)間均需要20min左右，且是人工全程參與；新的裝置檢定時(shí)間均在5min左右，縮短了3/4，人工參與時(shí)間也大大縮短，在解放勞動(dòng)力的同時(shí)減少人為因素的影響。原有裝置的標(biāo)準(zhǔn)器有游標(biāo)卡尺和鋼卷尺，均需要人工讀數(shù)；新裝置使用數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。從檢定結(jié)果分析，新裝置的示值誤差和回差約為原有裝置的1/2，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度得到提高。

表1　新裝置與原裝置檢定結(jié)果的對(duì)比

所以，本套檢定裝置在檢定結(jié)果和效率方面都有了較大程度的提高和改進(jìn)，能夠滿足現(xiàn)在數(shù)量多、準(zhǔn)確度高的液位計(jì)的檢定要求。

4　裝置不確定度分析

對(duì)本套液位計(jì)檢定裝置不確定度的影響量進(jìn)行分析和計(jì)算，其結(jié)果如表2所示[6]。

表2　液位計(jì)檢定裝置測(cè)量不確定度匯總

5　結(jié)束語

裝置經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)性和穩(wěn)定性考核，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，符合JJG 971—2002《液位計(jì)》對(duì)檢定設(shè)備的要求，能夠滿足各種類型液位計(jì)的檢定，取得良好的效果。特別是提高了檢定過程的自動(dòng)化程度和檢定效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，也減少了人為操作對(duì)檢定結(jié)果的影響，提高了檢定的準(zhǔn)確度。

液位計(jì)檢定裝置屬于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，是液位計(jì)檢定工作必不可少的主要設(shè)備，具有較好的實(shí)用價(jià)值，對(duì)新疆計(jì)量院乃至全疆范圍內(nèi)液位計(jì)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。同時(shí)裝置具有成本低、操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高、適應(yīng)性廣、針對(duì)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合在全疆甚至全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

[1]JJG 971—2002液位計(jì)檢定規(guī)程[S]

[2]郭立功.液位計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2007，28(3A): 261-264

[3]郭立功，劉子勇，王金濤，等.液位計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)更新[J].計(jì)量技術(shù)，2012(5): 87-89

[4]劉敦利，譚斌，李曉宇，等.壓力式差壓液位計(jì)檢定裝置: 中國(guó)，CN203083668U[P].2013-07-24

[5]劉敦利，塔依爾·斯拉甫力，穆軍，等.導(dǎo)軌式反射型液位計(jì)檢定裝置: 中國(guó)，CN203083669U[P].2013-07-24

[6]李長(zhǎng)武.液位計(jì)示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量，2008(5): 50，62