郭立功 于佩瑞 張 成 劉 杰 劉子勇 王明軍 關(guān) 聰

(1.中國計量科學(xué)研究院,北京 100029；2.大慶石油管理局技術(shù)監(jiān)督中心,大慶 163453)

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油田專用6m液位計檢定裝置的研制

郭立功1于佩瑞2張 成2劉 杰2劉子勇1王明軍2關(guān) 聰2

(1.中國計量科學(xué)研究院,北京 100029；2.大慶石油管理局技術(shù)監(jiān)督中心,大慶 163453)

研制的6m液位計檢定裝置以重復(fù)定位精度±0.01mm高精度直線運動單元、多圈絕對編碼器和可調(diào)溢流口作為標(biāo)準(zhǔn)器，使用溫度傳感器測量6m不銹鋼管和大氣的溫度，以高精度雙軸傾角測量儀實時測量液位計安裝法蘭的傾斜，激光測距儀檢測鋼管長度的變化。

高精度直線運動單元安裝在可調(diào)垂直的支架上，通過多圈編碼器的伺服電機控制安裝于運動單元法蘭上的液位計運動；液位計插入裝有水的垂直可調(diào)6m不銹鋼管內(nèi)。通過溫度修正后的液位計相對溢流口平面的位移測量值(標(biāo)準(zhǔn)值)與溫度修正后液位計液位測量值進行比較，即可得到被檢液位計的測量誤差。

直線運動單元的運動范圍為0～6100mm，不銹鋼管的有效長度為6170mm，考慮到液位計及溢流口位置，6m液位計檢定裝置的測量范圍為0～6000mm，液位測量的不確定度為0.4mm(k=2)。

計量學(xué)；液位計；檢定裝置；測量范圍；不確定度

0 引言

液位測量可以追溯到古代的水文測量，從歐洲文藝復(fù)興開始的大工業(yè)時代，液位測量技術(shù)隨石化行業(yè)發(fā)展、工業(yè)控制要求和大宗液態(tài)產(chǎn)品的儲運與貿(mào)易交接需要而逐步發(fā)展起來，是過程控制、原油及液體石油產(chǎn)品貿(mào)易交接的重要目標(biāo)。

液位計又稱為液位傳感器、液面計，是工業(yè)過程控制和測量系統(tǒng)中用以控制和指示液位的儀表，在石油能源、江河水文觀察與監(jiān)控、醫(yī)藥化工、冶金制造、水氣處理與供應(yīng)等行業(yè)，特別在石油化工行業(yè)和運輸行業(yè)，在石油及成品油、液態(tài)化工產(chǎn)品等的儲運方面應(yīng)用廣泛。

隨著科技的發(fā)展，對液位的測量精度要求越來越高，如美國MTS、Danaher、Rosemount和德國Siemens的液位計，最大允許誤差達到了±1mm甚至±0.1mm。

量程在0～6m的液位計大量應(yīng)用于汽車油罐車、鐵路罐車、油庫臥式罐、加油站地埋罐。由于各種原因，按現(xiàn)有計量檢定規(guī)程[1]要求，這種液位計大多數(shù)達不到要求，影響貿(mào)易結(jié)算液態(tài)商品的計量，引起計量糾紛或經(jīng)濟損失；另外還影響生產(chǎn)過程中的液位測量、產(chǎn)品質(zhì)量控制、安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗等，造成經(jīng)濟損失，甚至?xí)l(fā)生重大人員傷亡安全事故。

為此，本文研究油田使用的0～6m量程的液位計檢定裝置(以下簡稱6m液位計檢定裝置)。

1 裝置組成

裝置由硬件和測控軟件組成，測量系統(tǒng)的原理如圖1所示，系統(tǒng)的三維效果見圖2。

(a)液位計處于較高位置 (b)液位計處于較低位置圖1 原理示意圖

硬件包括：不銹鋼管、溢流裝置、伺服電機及驅(qū)動器、直線運動單元及支架、液位計支撐架、傳感器(多圈絕對編碼器、測傾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、激光測距傳感器)。

軟件：測量控制系統(tǒng)。

圖2 三維圖

2 液位測量原理

采用高精度多圈絕對編碼器作為主標(biāo)準(zhǔn)器，溢流口保證液位高度一致(±0.2mm)，雙軸傾角傳感器測量液位計法蘭安裝面傾角，溫度傳感器測量鋼管溫度、水溫以及環(huán)境溫度。

液位測量的數(shù)學(xué)模型：

L= -L1×a ×(t1-20) +L2×

[1+a ×(t2-20)]×cosβ+l

式中：L為液位測量值，mm；L1為溢流口相對鋼管底部的距離，mm；L2為高精度絕對編碼器測量值相對最低位置的變化，mm；β為直線運動單元軸線與鉛垂線夾角，rad；l為溢流口液位測量的重復(fù)性，mm；t1為鋼管溫度，℃；t2為直線運動單元支架溫度，℃；a 為鋼材的線性溫度膨脹系數(shù)，a =13×10-6/℃。

3 測量結(jié)果分析

3.1 測量不確定度分量[2]

3.1.1L1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

溢流口相對鋼管底部的垂直距離由激光跟蹤儀校準(zhǔn)。根據(jù)溢流口位置的校準(zhǔn)證書，激光跟蹤儀距離測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.05mm，放大一倍后，取u(L1)=0.1mm。

3.1.2L2的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

直線運動單元的重復(fù)定位精度為±0.01mm。高精度絕對編碼器作為精密測長儀器，其每圈脈沖數(shù)為1000個，直線運動單元絲杠的導(dǎo)程為20mm，則每個脈沖相當(dāng)于0.02mm。該編碼器的測量不確定度為0.36°(1個脈沖)，相當(dāng)于1×20/1000=0.02mm。則：

3.1.3β的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由雙軸測傾傳感器的性能決定，其指標(biāo)如表1所示。

表1 雙軸測傾傳感器的性能指標(biāo)

若檢測過程中環(huán)境溫度變化±5℃，該傳感器角度測量的不確定度為：

=41.738″=2.0235×10-4rad

3.1.4l的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

經(jīng)過試驗，溢流口液位測量的重復(fù)性為±0.2mm，則：

3.1.5t1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

溫度傳感器的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2℃，考慮到溫度梯度等因素取u(t1)=1.0℃。

3.1.6t2的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

溫度傳感器的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2℃，考慮到溫度梯度等因素取u(t2)=1.0℃。

3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

β以0.5°、環(huán)境溫度以變化±5℃計算，則：

L2=6000mm時，

u(L)= [(0.5×13×10-6×5)2+(6000×13×

10-6×1.0)2+(-6000×sin0.5×

0.0002024)2+(0.022×cos0.5)2+

(6000×cos0.5×13×10-6×1.0)2+

0.1152]1/2=0.16mm

L2=0mm時，

u(L)= [(0.5×13×10-6×5)2+(6000×13×

10-6×1.0)2+(-100×sin0.5×

0.0005427)2+(0.022×cos0.5)2+

(100×cos0.5×13×10-6×1.0)2+

0.1152]1/2=0.14mm

取u(L)=0.20mm。

3.4 擴展不確定度

取k=2，則U=2×u=0.40mm

可檢液位計的最大允差的絕對值為：3×0.4/2×1.732≈1.0(mm)

4 結(jié)束語

通過測量不確定度分析，0～6m裝置部分全量程液位測量不確定度為0.4mm(k=2)，可以開展最大允差的絕對值不小于1mm的液位計的檢測。

[1] JJG 971—2002 液位計[M].北京:中國計量出版社,2002

[2] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計量司.測量不確定度評定與表示指南[M].北京:中國計量出版社,2000

[3] 郭立功.液位計自動檢測系統(tǒng)的技術(shù)更新[J].計量技術(shù),2012(5):27-29

[4] 郭立功.液位計自動檢測系統(tǒng)的研制[J].計量學(xué)報，2005(3):52-53

[5] 郭立功.油田專用新型液位計檢定裝置的研制與開發(fā)[R].北京：中國計量科學(xué)研究院，2014

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.15