甘蓉 郝羅亮 王歆鑫 饒杰

摘要：隨著高精度液位測量儀表的廣泛應(yīng)用，對液位計的量值溯源尤其是液位計檢定裝置的整體不確定度也有更高的要求。為解決目前采用鋼直尺作為主標準器無法滿足高精度液位計在JJG971-2002《液位計》中規(guī)定（整個檢定設(shè)備在內(nèi)的擴展不確定度U₉₅應(yīng)不超過被檢液位計最大允許誤差絕對值1/4至1/5的溯源要求）的問題，設(shè)計一種采用補償微壓計原理，水準頭進行液位精確定位，高精度直線式感應(yīng)同步器測量水準頭位移量，從而準確測出液位變化量的液位計檢定裝置。通過對裝置各部件設(shè)計結(jié)構(gòu)帶來的不確定度進行綜合評定，完全滿足檢定規(guī)程中最高0.02級高精度液位計的量值溯源要求，有效補充高精度液位計的量值溯源難題，保障液位計量值溯源的準確性。

關(guān)鍵詞：液位計檢定裝置;液位計;直線式感應(yīng)同步器;補償式微壓計

中圖分類號：TH89 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0090-06

收稿日期：2019-06-21;收到修改稿日期：2019-07-30

作者簡介：甘蓉（1970-），女，四川廣安市人，高級工程師，碩士，研究方向為軟件工程。

0 引言

液位計作為一種工業(yè)級儀表，包括的類型有浮子式、浮球式、浮筒式、壓力式、電容式、電導(dǎo)式和反射式等[1]，通常準確度等級都較低?，F(xiàn)有的檢定裝置[2]能對大部分液位計進行量值傳遞，但隨著儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，0.05級及以上的高精度液位計被研發(fā)和生產(chǎn)出來。傳統(tǒng)的液位計檢定裝置[3]采用鋼直尺作為標準，在零點和液位測量點采用直接讀取液位的方式，受限于標準器的最大允許誤差和在零點、測量點讀取液位值的誤差，從而無法達到液位計檢定規(guī)程要求整個標準裝置的擴展不確定度[4]不大于被檢液位儀表最大允許誤差絕對值1/4的最低要求，無法對高精度液位計進行量值傳遞。

最大程度地減少標準器的允許誤差和讀取零位、測量點帶來的誤差，是液位計檢定裝置主要技術(shù)指標，設(shè)計一種補償法液位計檢定裝置，與補償式微壓計工作原理[5]類似，分別對基值零位和測量點的液位進行準確測量[6]采用直線式感應(yīng)同步器[7]作為主標準器，對不確定度的貢獻滿足裝置的整體不確定度的限值范圍并能達到量值傳遞的要求。同時通過設(shè)計定位單元來有效減小在檢定過程中被檢液位計安裝垂直度的問題，解決液位計檢定中另一個對整體不確定度影響較大的問題。

1 工作原理

裝置設(shè)計采用直接比較法，通過水準頭定位液面準確高度，直接測量容器中的水準頭位移量可直接測量出液位的變化量，分別讀出標準器和被檢液位計的讀數(shù)計算出基本誤差。從不確定度分析得出，影響測量結(jié)果主要因素包括零位對準、主標準器誤差和安裝垂直度3個方面。

在設(shè)計時主標準器選用直線式感應(yīng)同步器，主標準器定尺、標準器定位單元與容器由剛性支架固定，通過標準器定位單元保證主標準器定尺和主容器的垂直度。在被檢液位計安裝盤處設(shè)計被檢器定位單元，通過被檢器定位單元使被測液位計與主容器垂直度保持一致。在定位單元的干涉下，能有效控制主標準器和被檢液位計安裝垂直度帶來的不確定度分量。運動部分通過步進電機[8]驅(qū)動反U型導(dǎo)桿，帶動水準頭和滑尺沿垂直方向移動，反U型導(dǎo)桿采用一體，并無連接部分，保證了滑尺和水準頭的相對位移量完全相同。通過定位單元保證垂直度，水準頭定位液面，再通過直線感應(yīng)同步器測得水準頭位移量，即可測得液位的變化量，即標準值，從而得到的被測液位計示值與標準器示值之差為被測液位計的示值誤差，裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成

補償法液位計檢定裝置主要由測量系統(tǒng)、垂直定位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。測量系統(tǒng)主要包括直線式感應(yīng)同步器和水準頭，定位系統(tǒng)由主標準器定位單元和被檢器定位單元組成，控制系統(tǒng)由步進電機、水泵、微調(diào)容器組成。

2.1 測量系統(tǒng)

直線式感應(yīng)同步器主要用于準確測量與其滑尺相連的水準頭的位移量，水準頭主要用于精確定位液面高度。

2.1.1 直線式感應(yīng)同步器

主標準器選用比光柵尺更為準確的直線式感應(yīng)同步器。直線式感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于高精度機加工行業(yè)，用作車床的主要測量標準，其特點為精度高、可靠、抗干擾能力強、測量長度不受限制、使用壽命長、維護簡單、成本低。主要由定尺與滑尺組成，繞組為等距排列。它的可動部分為滑尺、不動部分為定尺。采用電磁原理，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，其幅值和相位決定于定尺和滑尺的相對位置。

根據(jù)JB/T3587-1996《標準型和窄型直線式感應(yīng)同步器基本參數(shù)和技術(shù)要求》要求，即使誤差最大的直線式感應(yīng)同步器最大誤差也僅為7.5μm[9]，且直線式感應(yīng)同步器輸出信號可為數(shù)字信號，在顯示器上直接讀出，分辨率最大為1μm。

2.1.2 水準頭

主要原理通過反光鏡面反射觀測桶內(nèi)的水準頭與液面接觸情況，視水準頭尖與其倒影的影尖相接表示讀數(shù)零點，如圖2所示;同理，將水準頭移動至一定高度用同樣方法可準確測量該測量點工作位置。而水準頭的位移距離，為零點液位與測量點上的液位差值，準確反映液位計測得的實際液位。

水準頭采用補償式微壓計原理使用的水準頭作為零位和測量點工作位置參考，該方法經(jīng)過補償式微壓計多年論證，穩(wěn)定可靠。水準頭的選用能滿足零位誤差和測量點誤差不確定度的要求，能有效降低整個液位計檢定裝置的整體不確定度。

水準頭與直線式感應(yīng)同步器滑尺通過反U型導(dǎo)軌連接成整體，再和測微螺桿連接。此結(jié)構(gòu)使得水準頭的位移距離即為直線式感應(yīng)同步器滑尺的位移距離，且測微螺桿能對直線式感應(yīng)同步器滑尺進行微調(diào)。

2.2 垂直定位系統(tǒng)

首先分析垂直度對液位計檢定中帶來的不確定度影響，具體分析方法如下：

當(dāng)安裝垂直度偏離最大投影角B度時，測得液位值與標準液位值函數(shù)關(guān)系，通過下式計算：

△H_標=l_a/cosθ-l_a（1）

式中：△H_標——被測液位計顯示液位值與標準液位值的差值，mm;

l_a——標準液位值，mm;

θ——偏離垂線最大投影角，（°）。

根據(jù)余弦函數(shù)表cos1°=0.999848，得到當(dāng)垂直度偏離1°時，在1m時的偏移量為0.15mm，這對于測量范圍為1m、準確度等級0.02級、最大允許誤差為0.2mm的液位計無疑是一個不可接受的偏移量。由于最大投影角無法測量，所以采用修正該誤差的方法不可行。

垂直定位系統(tǒng)主要由標準器定位單元和被檢器定位單元兩部分構(gòu)成。

2.2.1 標準器定位單元

標準器定位單元與鉛錘原理相似，主要由重錘和刻度盤構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)四角水平調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)重錘標線至刻度盤中線位置時，標準器安裝垂直。

2.2.2 被檢器定位單元

被檢器定位單元由四向微調(diào)夾緊單元實現(xiàn)，由主安裝盤、限位盤、紅外線發(fā)射器和4個微調(diào)螺母構(gòu)成，其中主安裝盤用于固定被檢液位計，安裝盤與限位盤中心距為垂直狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)4個微調(diào)螺母使安裝盤四周的4個紅外線發(fā)射器分別對準限位盤上垂直位置的垂直限位孔（已調(diào)整垂直度），當(dāng)4個限位孔下端均有紅外線穿透時，證明被測液位計已經(jīng)安裝垂直（見圖3）。

用此方法調(diào)節(jié)安裝垂直度直觀、準確。底端限位盤上的限位孔直徑為3mm，當(dāng)頂端安裝盤上的4組紅外線均透過底端限位盤的限位孔時，底端限位盤中心點與頂端安裝盤中心點垂直投影點的距離l_c≤3mm，相對于1m量程的液位計垂直度誤差用式（2）計算，得出誤差值為0.005mm，該誤差滿足對裝置整體不確定度的要求。

式中：△H_被——被測液位計顯示液位值與標準液位值的差值，mm;

l_c——液位計頂端與底端在水平面上垂直投影點的距離，mm。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為標準器控制單元和液位控制單元，標準器控制單元主要由步進電機和對應(yīng)的執(zhí)行部分組成，液位控制單元由粗調(diào)部分和活塞微調(diào)部分組成。

2.3.1 標準器控制單元

標準器控制單元通過粗調(diào)按鈕使步進電機帶動直線感應(yīng)同步器滑尺至被測點附近，再通過微調(diào)按鈕準確調(diào)整滑尺位置至被測點。

2.3.2 液位控制單元

液位控制單元主要由粗調(diào)部分和微調(diào)部分構(gòu)成。其中粗調(diào)部分為水泵、控制盒、閥門和管路，通過控制盒啟動潛水泵，開啟升液閥門即可使液位上升，開啟回液閥門即可使液位下降。

微調(diào)部分底端與主容器相連，形成粗細不同的U管，單微調(diào)容器上端可通過排氣閥密閉。主要作用是微調(diào)液位，內(nèi)徑為100mm，橫截面積約為主容器橫截面積的1/9，該設(shè)計為提高微調(diào)精度。當(dāng)在附件微調(diào)容器上端施加一定的氣壓，根據(jù)U管原理，主容器端液位上升，因為兩容器橫截面積不同，附加微調(diào)容器能更為精確地調(diào)整主容器中的液位高度。

3 裝置計量性能測試

裝置的測試數(shù)據(jù)來源于直線感應(yīng)同步器，直線感應(yīng)同步器經(jīng)校準后在2000mm的全量程范圍內(nèi)誤差為7.5μm，對整個裝置的不確定度貢獻在理想范圍內(nèi)。因測量點讀數(shù)為視覺讀數(shù)，每一個檢定員習(xí)慣不同可能會帶來不同的視覺誤差，現(xiàn)任選下限附近、50%附近和上限附近3個液位點由6位不同的檢定員進行升降水準頭5個循環(huán)讀數(shù)（見表1～表3）。

可以看出，在全量程內(nèi)，裝置的重復(fù)性誤差[10]和人員視覺誤差都表明裝置具有良好的重復(fù)性，結(jié)合直線感應(yīng)同步器的高精度測量，在整個量程范圍內(nèi)整個裝置具有穩(wěn)定、準確的計量性能。

液位計測量裝置根據(jù)各組成部分的環(huán)境條件要求，得出使用環(huán)境溫度為20℃±5℃，溫度波動不大于0.2℃/h，相對濕度小于90%。介質(zhì)選取為自來水，對于浮球式、浮力式、磁致伸縮式、導(dǎo)波雷達式、壓強式、反射式液位計均能滿足，單電極、雙電極或同軸電極等帶絕緣保護套的電容式液位計也能滿足測量條件。

4 裝置不確定度分析

以JJG971-2002選取的2000mm的檢定裝置為例，能對0.02級1000mm以上液位計進行量值溯源的檢定裝置整體不確定度必須達到U₉₅=0.05mm。在此前提下，做出不確定度分析[8]，不確定度分量匯總見表4。

合成標準裝置引入的不確定度u_c（l）為

當(dāng)置信區(qū)間為95%時，取k=2，則擴展不確定度為

U₉₅=0.030mm（4）

根據(jù)不確定分析得出，整個構(gòu)成檢定裝置的擴展不確定度為U₉₅=0.030mm，檢定測量范圍0～1m，0.02級被檢液位計的最大允許誤差為0.200mm。根據(jù)JJG971-2002要求“整個檢定設(shè)備在內(nèi)的擴展不確定度U₉₅不超過被檢液位計最大允許誤差絕對值的1/4～1/5”，按照最高1/5的要求計算，高精度補償法液位計檢定裝置完全滿足檢定0.02級液位計的要求，可以作為標準器使用。

5 結(jié)束語

本文提出的高精度補償法液位計檢定裝置，完全滿足JJG971-2002的相關(guān)要求，作為檢定裝置，具有優(yōu)良的計量性能，對主標準器進行量值溯源簡單、便捷。有效補充了目前高精度液位計無法有效溯源的問題，使得液位計的量值溯源更加可靠和可行，對目前液位計檢定裝置不能溯源的液位計是一個有效、及時的補充，大大增加了液位計檢定規(guī)程的可操作性和嚴謹性。

同時從設(shè)計結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮到對今后進行全自動化的改造，可對滑尺部分電機通過加入執(zhí)行軟件對步進電機進行控制，在液位微調(diào)部分也可以通過步進電機實現(xiàn)相同的功能，為半自動化到全自動化的升級充分預(yù)留了空間。

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（編輯：李剛）