王 旺,劉 源,胡鶴鳴,謝代梁

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100019)

在儲罐、明渠、水工模型試驗(yàn)等參數(shù)監(jiān)測和貿(mào)易結(jié)算中,液位是非常重要的參數(shù)?；诟鞣N測量原理,許多類型的液位計(jì)被設(shè)計(jì)制造并廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)場[1]。這些液位計(jì)設(shè)計(jì)出廠前均需要進(jìn)行測試、校準(zhǔn),其測試結(jié)果直接影響著液位計(jì)的現(xiàn)場測量準(zhǔn)確度[2]。

目前對于液位測試、校準(zhǔn)主要是利用水箱或水塔所模擬的不同液位,再通過標(biāo)準(zhǔn)尺、壓差等方法得到一系列標(biāo)準(zhǔn)液位去跟液位計(jì)測得液位對比,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對液位計(jì)的測試、校準(zhǔn)[3]。標(biāo)準(zhǔn)尺法在對精度要求不高的液位計(jì)進(jìn)行測試、校準(zhǔn)時(shí),應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)JJG971-2002液位計(jì)檢定規(guī)程[4],液位計(jì)檢定方法為水箱法。通過調(diào)節(jié)檢定水箱的進(jìn)水量模擬不同的液位,并以標(biāo)準(zhǔn)尺的讀數(shù)變化量作為標(biāo)準(zhǔn)液位值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對液位計(jì)的測試、校準(zhǔn)。但這種方法存在著操作不便、讀數(shù)與人經(jīng)驗(yàn)有關(guān)及精度較低等缺點(diǎn)。并不適用于高精度液位計(jì)的測試、校準(zhǔn)。壓差法指在不同的液位條件下,測其壓力,通過壓差值去對液位計(jì)進(jìn)行測試、校準(zhǔn),但壓力跟現(xiàn)場溫度變化等因素相關(guān),操作起來存在一定的局限性,并且精度不高。

目前液位測試裝置有浮子式液位測試裝置及位移平臺測試裝置等[5]。張海林等[6]曾基于大量程的浮子式液位計(jì)測試、校準(zhǔn)需求,研制了一套針對大量程的浮子式液位計(jì)的測試、校準(zhǔn)裝置,因受制于液位模擬控制的精確度,并且其不確定度跟浮子重心、激光測距儀的光路等因素有關(guān)[7],故該裝置擴(kuò)展不確定度為k=2時(shí)不大于2 mm。陳漢松等[8]基于超聲明渠流量計(jì)的在線校準(zhǔn),利用相對位移法,研制了水位模擬校準(zhǔn)平臺裝置,其裝置最大允許絕對誤差為0.2 mm。在用于現(xiàn)場的測試、校準(zhǔn)時(shí),需將裝置放在水槽并調(diào)節(jié)水平,因此伺服電機(jī)控制可能會影響測量點(diǎn)的平臺穩(wěn)定性。相對位移法技術(shù)核心是如何保證相對位移的測量精度和測量位置的穩(wěn)定性,以及可溯源性。此外,為了使液位計(jì)測試方便并提高測試效率,自動化測試也是設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題之一。對一些高精度液位測量現(xiàn)場,例如水工模型試驗(yàn),由于水工模型試驗(yàn)是縮尺模型,其水位測量誤差一般不高于0.1 mm[9]。因此,這種現(xiàn)場高精度液位計(jì)的測試、校準(zhǔn),對于測試裝置精度要求達(dá)到了μm量級,所以研制出一套達(dá)到μm精度、可溯源的高精度液位測試裝置,針對一些高精度液位計(jì)的測試分析就非常必要。

本文基于相對位移法,研究了一種高精度液位計(jì)測試方法。從測試原理、設(shè)計(jì)思想以及誤差評價(jià)等3個(gè)方面對液位測試平臺的搭建與性能進(jìn)行了研究,并基于自主研制的高精度液位測試平臺對一款商用磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行了寬范圍的測試實(shí)驗(yàn)。

1 裝置原理及設(shè)計(jì)方案

1.1 液位計(jì)的測試原理

相對位移法測試液位計(jì)的基本原理是在特定水箱環(huán)境內(nèi),通過精密位移裝置帶動液位計(jì)在豎直方向上做運(yùn)動形成的相對位移以模擬液面變化。測試時(shí),每到達(dá)一個(gè)預(yù)定的相對液位即停止運(yùn)動,記錄一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定或波動液面,以標(biāo)準(zhǔn)相對位移的結(jié)果作為參考值。相對位移法對液位計(jì)測試過程如圖1。

圖1 相對位移法測試原理Figure 1 Test principle of relative displacement method

相對位移所計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)液位值與液位值的測量段數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理時(shí),為了保證數(shù)據(jù)更加精確,去掉每個(gè)測量段前后不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。液位計(jì)在測量每個(gè)不同的液位時(shí),與相對位移值計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)液位進(jìn)行比較,進(jìn)行分析液位計(jì)測量性能。

利用測試平臺帶動液位計(jì)在水箱豎直方向移動模擬液位時(shí),為了保證相對位移的準(zhǔn)確性,需要考慮到位移平臺在每個(gè)測量段靜止是否能保證絕對穩(wěn)定,且重力對其影響是否能忽略以及液位計(jì)在水箱中上下移動體積所引起的高度變化等因素。重力對于平臺穩(wěn)定性的影響,可采用測試時(shí)改變運(yùn)動方向(從上到下)或通過電機(jī)使能控制的方法解決。

此外,部分插入式液位計(jì)的實(shí)心長度桿(例如磁致伸縮液位計(jì))上下移動時(shí)的體積變化所引起的水箱液位高度變化可通過公式計(jì)算出高度修正系數(shù),對相對位移進(jìn)行修正。其修正系數(shù)α如式(1):

(1)

式(1)中,d指長度桿直徑,D指測試水箱內(nèi)徑。

因此,高精度液位測試平臺需要滿足幾個(gè)條件:

1)移動臺在每個(gè)測試段能保持穩(wěn)定;

2)移動臺能夠提供任意步長的位移;

3)提供高精度參考標(biāo)準(zhǔn);

4)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試。

1.2 設(shè)計(jì)原理及方案

液位測試平臺的設(shè)計(jì)原理基于相對位移法,利用旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)帶動絲桿從而使得豎直導(dǎo)軌移動臺完成上下移動的動作,同時(shí)伺服單元能夠精確地控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn),使得移動臺對液位計(jì)進(jìn)行測試時(shí)能夠保證每個(gè)測試段的平臺位置穩(wěn)定。同時(shí),通過上位機(jī)界面程序的合理設(shè)計(jì)使得測試平臺能夠進(jìn)行自動化測試,提高測試效率。并且部分液位測量現(xiàn)場(水工模型試驗(yàn))對于液位計(jì)的測量誤差通常不超過0.1 mm。對于這類高精度的液位計(jì)的測試分析,通常要求測試平臺能夠達(dá)到0.1 mm以下甚至微米的精度。

高精度液位測試平臺由伺服驅(qū)動系統(tǒng)、長約為1.4 m的豎直導(dǎo)軌、支架、夾持機(jī)構(gòu)、移動臺、水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、激光干涉儀、對光棱鏡(固定在導(dǎo)軌平臺右側(cè))、垂直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、限位保護(hù)等組成,其裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 液位測試平臺Figure 2 Liquid level test platform

1.2.1 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器主要由伺服電機(jī)及伺服單元組成[10],如圖3。其主要功能是伺服電機(jī)通過與導(dǎo)軌內(nèi)部絲桿一端連接以帶動移動臺上下移動,配合伺服單元,從而使得移動臺運(yùn)動配合測試水箱以模擬不同的液位。因此伺服驅(qū)動機(jī)的性能直接決定著其移動臺步長精度。伺服電機(jī)為旋轉(zhuǎn)型、中慣量、低速、大轉(zhuǎn)矩電機(jī),配合伺服單元,能夠?qū)σ苿优_的位置與速度進(jìn)行控制。伺服單元為模擬量電壓,脈沖序列指令型,它能夠設(shè)定伺服電機(jī)的參數(shù),同時(shí)對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,如處于異常狀態(tài)時(shí),通過伺服單位指示燈顯示字符串進(jìn)行報(bào)警。并且伺服單元接口能夠?qū)崿F(xiàn)與PC上位機(jī)的通信,可利用編寫的上位機(jī)界面完成對移動臺的控制。因此,伺服驅(qū)動器是控制導(dǎo)軌移動臺精密運(yùn)動的重要部件。

圖3 伺服驅(qū)動器Figure 3 Servo drive

液位計(jì)在不同的測量段進(jìn)行測試,伺服驅(qū)動器在控制移動臺到達(dá)不同的位置時(shí),由于重力作用,會影響移動臺在每個(gè)測量段位置的穩(wěn)定性。為了降低此影響,伺服單元在每個(gè)等待測量段部分時(shí)間內(nèi)設(shè)定電機(jī)為使能狀態(tài),保證移動臺在每個(gè)測量段位置的精度,以保證相對位移的準(zhǔn)確性。

1.2.2 主軸驅(qū)動的線性軸導(dǎo)軌

豎直導(dǎo)軌的主要功能是對移動臺起著支撐、導(dǎo)向、降低摩擦等作用,如圖4。豎直導(dǎo)軌由移動臺、導(dǎo)向器、夾持機(jī)構(gòu)、滾珠絲桿驅(qū)動主軸構(gòu)成。導(dǎo)向器由鋁制矩形輪廓組成,其中集成了兩個(gè)滾輪導(dǎo)向器。安裝在其上的移動臺通過帶有分配的導(dǎo)向螺母的旋轉(zhuǎn)絲杠移動。使用導(dǎo)向螺母固定器,當(dāng)線性單元并聯(lián)分配或兩個(gè)滑架在一個(gè)單元上移動時(shí),滑架的對稱性可以對齊。導(dǎo)向器上的開口覆蓋有三個(gè)蓋板,可保護(hù)驅(qū)動器免受濺水和灰塵的侵害。

圖4 主軸驅(qū)動線性軸導(dǎo)軌Figure 4 Spindle drive linear axis guide

對于測試平臺性能而言,導(dǎo)軌驅(qū)動方式及重復(fù)性精度會對定位精度有著直接的影響。并且存在對液位計(jì)做重復(fù)性測試的需求,因此對導(dǎo)軌的重復(fù)精度也有一定的要求。而選用的滾珠絲桿主軸驅(qū)動方式正適合高精度的定位,重復(fù)精度可達(dá)0.025 mm。其特點(diǎn)是效率高、摩擦小、高驅(qū)動剛性和重復(fù)精度高,這樣可以將分離扭矩和驅(qū)動扭矩降至最低。配合伺服驅(qū)動系統(tǒng)使用,可以保證相對位移模擬的準(zhǔn)確性和高定位精度。

1.2.3 限位保護(hù)

限位保護(hù)的主要作用是防止移動臺在高精度液位測試平臺豎直導(dǎo)軌上下移動時(shí),發(fā)生超程現(xiàn)象導(dǎo)致測試平臺損壞。因此需要在豎直導(dǎo)軌正反行程處分別加裝限位保護(hù),實(shí)物如圖5。其工作原理如下:移動臺在豎直導(dǎo)軌上下移動時(shí),當(dāng)移動臺向上運(yùn)動(或者向下運(yùn)動)時(shí),接觸到限位保護(hù)的滑動式開關(guān)時(shí),限位保護(hù)會使得伺服電機(jī)斷電以啟動超程保護(hù)裝置,此時(shí)移動臺會停止不再運(yùn)動,達(dá)到防止移動臺運(yùn)動超程的作用。與此同時(shí),伺服單元顯示屏及上位機(jī)界面程序此時(shí)均會顯示P-OT(接觸上限位開關(guān))或者N-OT(接觸下限位開關(guān))指示報(bào)警。

圖5 限位保護(hù)Figure 5 Limit protection

1.2.4 PC上位機(jī)界面

PC上位機(jī)界面基于C++中Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架編寫,串口數(shù)據(jù)傳輸采用基于RS232的串口通訊,以此實(shí)現(xiàn)軟件對移動臺在導(dǎo)軌上運(yùn)行進(jìn)行控制。為了使得液位計(jì)測試方便及自動化測試,上位機(jī)界面模塊主要分為五個(gè)部分:測試參數(shù)設(shè)置模塊、測試狀態(tài)監(jiān)控模塊、實(shí)時(shí)速度位置模塊、電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊等,各模塊的功能如下:

1)測試參數(shù)設(shè)置模塊:包括對測試時(shí)的總測試行程、每段相對位移標(biāo)準(zhǔn)值(分段距離)、移動速度、每個(gè)測量段的等待時(shí)間、測試實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù);

2)測試狀態(tài)監(jiān)控模塊:對測試實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行監(jiān)控,主要包括工況進(jìn)度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控;

3)實(shí)時(shí)速度位置模塊:包括移動臺當(dāng)前的位置和速度信息;

4)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控模塊:主要對電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控,包括電機(jī)運(yùn)行異常、故障、通電與否進(jìn)行監(jiān)控;

5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊:對測試數(shù)據(jù)保存導(dǎo)出。

PC上位機(jī)界面測試參數(shù)界面可設(shè)置液位計(jì)測試實(shí)驗(yàn)要求的工況信息,測試參數(shù)界面如圖6?？蓪σ何挥?jì)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),當(dāng)完成一次測試實(shí)驗(yàn)時(shí),移動臺可回到起始位置并進(jìn)行下一次的重復(fù)測試,并且測試過程中的信息都能通過狀態(tài)模塊里進(jìn)行觀察。上位機(jī)界面控制程序能夠?qū)Υ郎y液位計(jì)進(jìn)行自動化測試,提高測試效率。

圖6 測試參數(shù)設(shè)置界面Figure 6 Test parameter setting interface

2 測試平臺的性能評價(jià)方法

2.1 測試方向的優(yōu)選

測試平臺受重力作用會發(fā)生自然下墜,從而給平臺的穩(wěn)定性造成一定影響。在進(jìn)行液位計(jì)測試時(shí),通過電機(jī)使能和抱閘等方式提高平臺絕對位置的穩(wěn)定性,但是其在分段測試時(shí)的維持保持能力尚需要驗(yàn)證。

采用了超聲液位計(jì)(插入式)在靜液面的環(huán)境下利用高精度液位測試平臺進(jìn)行了測試,其超聲液位計(jì)液位測量誤差小于0.1 mm(900 mm測量范圍),分辨力能達(dá)到1 μm。在50～250 mm測量范圍內(nèi),以兩個(gè)運(yùn)動方向(向下及向上)將超聲液位計(jì)固定于移動臺并以10 mm/s的速度做步長為10 mm的分段運(yùn)動,每個(gè)測量段等待足夠時(shí)間(60 s),分析兩種運(yùn)動方向下部分測量段數(shù)據(jù),以每個(gè)測量臺階的數(shù)據(jù)變化判斷平臺位置是否穩(wěn)定。圖7為測試過程圖。

圖7 測試過程Figure 7 Testing process

圖8為不同運(yùn)動方向同一測量段臺階的局部放大圖,根據(jù)測量段數(shù)據(jù)可以看出:移動臺向下運(yùn)行時(shí),在一個(gè)測量段中,移動臺保持穩(wěn)定,一個(gè)測量段中平臺位置變化在1 μm以內(nèi);移動臺向上運(yùn)動時(shí),電機(jī)使能生效期間,平臺位置較為穩(wěn)定,位置變化小于0.5 μm。電機(jī)使能關(guān)閉時(shí),在重力的作用下,平臺會有明顯的下墜現(xiàn)象。平臺位置變化量跟測量段時(shí)間成正比,60 s內(nèi)移動臺位置變化在6 μm左右。

圖8 不同運(yùn)動方向局部測量段放大Figure 8 Local measurement section zoom in different directions of motion

在對液位計(jì)進(jìn)行測試時(shí),為了降低平臺位置變化對測量結(jié)果造成的影響,應(yīng)以從上到下的運(yùn)動方向?qū)ζ湓跍y試水箱中進(jìn)行測試。若需移動臺以向上的運(yùn)動方向?qū)ζ溥M(jìn)行測試,由于電機(jī)使能生效期間能夠有效地控制位置變化在0.5 μm以內(nèi),可通過設(shè)置每個(gè)測量段時(shí)間在使能生效范圍內(nèi),并取其生效期間液位計(jì)測得數(shù)據(jù)均值進(jìn)行計(jì)算,降低重力作用下對其位置變化造成的影響。

2.2 基于激光跟蹤儀的誤差評定

提出了一種空間測量方法,空間測量方法利用了高精度幾何測量設(shè)備激光跟蹤儀(依照校準(zhǔn)報(bào)告可知激光跟蹤儀的空間測量精度為15 μm+5 μm/m)。激光跟蹤儀主要由測量主機(jī)、靶球、溫度壓力補(bǔ)償傳感器等構(gòu)成[11],線性測量范圍在0～100 m。

其方法原理如下:將激光跟蹤儀的測量靶球固定在導(dǎo)軌移動臺上,通過上位機(jī)界面控制移動臺以設(shè)定的步長使得其以向下的方向進(jìn)行移動。當(dāng)導(dǎo)軌移動臺每移動一個(gè)步長時(shí),靶球會捕捉到一個(gè)三維坐標(biāo)。將移動臺步長與跟蹤儀在每個(gè)步長段的三維坐標(biāo)進(jìn)行分析比較,觀察其結(jié)果。評價(jià)實(shí)驗(yàn)示意如圖9。

圖9 激光跟蹤儀實(shí)驗(yàn)示意圖Figure 9 Laser tracker experiment schematic

利用激光跟蹤儀對高精度液位測試裝置的移動臺向下的運(yùn)動方向進(jìn)行了測試,并以20 mm和50 mm作為測試步長,在1 000 mm的范圍內(nèi)進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn),不同工況下的累積誤差曲線如圖10?？梢钥闯?移動臺向下運(yùn)動時(shí),在1 000 mm左右行程范圍內(nèi),其累積示值誤差在30 μm以內(nèi);同一方向運(yùn)動步長差異對導(dǎo)軌平臺累積誤差分布影響較小。

圖10 激光跟蹤儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 10 Laser tracker experiment results

移動臺運(yùn)動步長存在誤差的原因主要是重力對于移動臺的影響,可通過電機(jī)在每個(gè)平臺運(yùn)動段提供使能以保證移動臺穩(wěn)定或改變測試方向等方法,以降低此因素影響。

此外,空間測量儀器激光跟蹤儀的測量精度會受到轉(zhuǎn)角測量、地面水平度等多種因素的影響,而軸線一維線性測量理論上會比空間測量的精度更高,能夠更好地對測試平臺進(jìn)行溯源并進(jìn)行誤差判定[12]。

2.3 基于激光干涉儀的誤差評定

提出了沿運(yùn)動方向軸向的一維線性測量的方法。采用裝置底部的激光干涉儀作為參照,激光干涉儀由干涉儀主機(jī)、干涉鏡、干涉儀磁性座、干涉儀反射棱鏡等組成,測量范圍在0～45 m。依照校準(zhǔn)報(bào)告可知其線性測量精度可達(dá)0.5 μm。利用激光干涉儀高精度的直線度測量能力,對旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制的移動臺的在豎直導(dǎo)軌運(yùn)動步長進(jìn)行評價(jià)。

其方法原理如下:將激光干涉儀的對光棱鏡固定在導(dǎo)軌移動臺的右側(cè)進(jìn)行線性測量,通過上位機(jī)控制程序設(shè)置參數(shù)控制導(dǎo)軌的移動,其導(dǎo)軌移動步長和速度可以通過上位機(jī)界面程序中進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)導(dǎo)軌每移動程序設(shè)定的步長時(shí),連接激光干涉儀的軟件上采到激光干涉儀所測量的線性坐標(biāo),重復(fù)五次,將設(shè)定步長數(shù)據(jù)與干涉儀在各自對應(yīng)的軟件中所測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析其位移精度及重復(fù)性。其評定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖11。

圖11 激光干涉儀實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖Figure 11 Laser interferometer experiment site

上位機(jī)界面控制液位測試平臺以10 mm/s,從上到下,做步長為10 mm的分段運(yùn)動。每個(gè)測量段等待一定的時(shí)間以獲取平均線性坐標(biāo),重復(fù)5次測試。圖12為5次干涉儀評價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(分段絕對示值誤差和累積示值誤差),由圖12可見,以10 mm步長運(yùn)動時(shí)的每段絕對示值誤差在2 μm以內(nèi);高精度液位測試平臺在約1 000 mm的測試行程中,其累積誤差小于30 μm,測量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差在1.6 μm以內(nèi)。

圖12 激光干涉儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 12 Laser interferometer experiment results

綜合對比激光跟蹤儀和激光干涉儀評價(jià)實(shí)驗(yàn)可知,待測液位計(jì)在關(guān)注μm量級的精度時(shí),移動臺步長能作為參照標(biāo)準(zhǔn)對液位計(jì)的性能進(jìn)行分析。在利用導(dǎo)軌步長對液位計(jì)進(jìn)行性能分析時(shí),在關(guān)注更高精度量級時(shí),可選擇導(dǎo)軌脈沖計(jì)算的步長或激光干涉儀作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 測試方法確認(rèn)

3.1 磁致伸縮液位計(jì)

磁致伸縮液位計(jì)的基本工作原理為:利用浮子表征液面位置,其測量的是超聲波沿波導(dǎo)管傳播至浮子內(nèi)磁性線圈的時(shí)間,在不同的液位時(shí)獲取不同的時(shí)間進(jìn)而測量液位。主要由長度桿、浮子、控制電路模塊構(gòu)成,其主要特點(diǎn)是使用范圍廣、穩(wěn)定性高、精度高。為了驗(yàn)證測試方法的可行性,選取了一款商用磁致伸縮液位計(jì)利用高精度液位測試平臺進(jìn)行測試,如圖13。這款液位計(jì)的標(biāo)稱精度為0.3 mm(測量范圍在50～1 000 mm)?？梢詼y量的環(huán)境為水、油、乙醇等潔凈液體介質(zhì)。

圖13 EA型磁致伸縮液位計(jì)Figure 13 Model EA magnetostrictive level gauge

將磁致伸縮液位計(jì)固定在液位測試平臺的移動臺上,實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)由Modbus串口通信采集。以高精度液位測試平臺底部的激光干涉儀作為參照標(biāo)準(zhǔn),在50～1 000 mm測量范圍內(nèi),以10 mm/s的速度做步長為10 mm的分段運(yùn)動。每個(gè)測量段等待時(shí)間40 s以測量平均液位,并去掉每個(gè)測量段前后不穩(wěn)定的數(shù)據(jù),重復(fù)5次。同時(shí)激光干涉儀采集導(dǎo)軌的運(yùn)動坐標(biāo)并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)液位,將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,從測量結(jié)果的示值誤差、重復(fù)性等方面對商用磁致伸縮液位計(jì)的性能進(jìn)行評價(jià),驗(yàn)證是否達(dá)到標(biāo)稱精度水平。

考慮到磁致伸縮液位計(jì)的長度桿在測試水箱上下移動體積引起的高度變化,需對其修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。測試水箱內(nèi)徑D為400 mm,長度桿外徑d為8 mm,經(jīng)過計(jì)算,其修正系數(shù)為1.000 4。

3.2 測試結(jié)果

圖14為五次在液位測試平臺實(shí)驗(yàn)室測量范圍(50～1 000 mm)時(shí)的累積示值誤差曲線,累積示值誤差曲線能夠直觀地顯示液位計(jì)在不同深度處的誤差分布,誤差棒為五次重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差。表1為磁致伸縮液位計(jì)部分測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示,磁致伸縮液位計(jì)50～1 000 mm范圍測量時(shí),其累積示值誤差在0.16 mm以內(nèi),重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差在0.14 mm以內(nèi),測試結(jié)果在液位計(jì)出廠標(biāo)稱的精度范圍內(nèi),能夠滿足使用需求。

圖14 液位測量示值誤差Figure 14 Indication error of liquid level measurement

表1 磁致伸縮液位計(jì)部分測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

研究了一種高精度液位計(jì)的測試方法,并基于相對位移法,搭建了一套高精度液位測試平臺。對其設(shè)計(jì)原理、平臺穩(wěn)定性影響、誤差評定等方面進(jìn)行了深入地研究,并利用商用磁致伸縮液位計(jì)在平臺上進(jìn)行測試以確認(rèn)其測試方法的可行性。其主要結(jié)論如下。

1)電機(jī)使能控制測量段的位置變化在0.5 μm以內(nèi);平臺克服重力運(yùn)動時(shí),向下運(yùn)動比向上運(yùn)動更容易得到穩(wěn)定的測量段,穩(wěn)定段內(nèi)的波動小于1 μm。對液位計(jì)進(jìn)行測試時(shí),應(yīng)選取向下的運(yùn)動方向?qū)ζ溥M(jìn)行測試。

2)高精度液位測量平臺位移行程在1 000 mm范圍時(shí),其累積示值誤差小于30 μm;以10 mm步長分段運(yùn)行時(shí),其分段絕對誤差能控制2 μm以內(nèi)。測試平臺的相對位移值能夠溯源到國家基準(zhǔn)。

3)測試平臺能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試,能滿足高精度液位計(jì)的測試需求。