一種補(bǔ)償法液位計(jì)檢定裝置的設(shè)計(jì)與不確定度分析

甘蓉 郝羅亮 王歆鑫 饒杰

摘要：隨著高精度液位測(cè)量?jī)x表的廣泛應(yīng)用，對(duì)液位計(jì)的量值溯源尤其是液位計(jì)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(biāo)準(zhǔn)器無(wú)法滿足高精度液位計(jì)在JJG971-2002《液位計(jì)》中規(guī)定（整個(gè)檢定設(shè)備在內(nèi)的擴(kuò)展不確定度U₉₅應(yīng)不超過(guò)被檢液位計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值1/4至1/5的溯源要求）的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種采用補(bǔ)償微壓計(jì)原理，水準(zhǔn)頭進(jìn)行液位精確定位，高精度直線式感應(yīng)同步器測(cè)量水準(zhǔn)頭位移量，從而準(zhǔn)確測(cè)出液位變化量的液位計(jì)檢定裝置。通過(guò)對(duì)裝置各部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不確定度進(jìn)行綜合評(píng)定，完全滿足檢定規(guī)程中最高0.02級(jí)高精度液位計(jì)的量值溯源要求，有效補(bǔ)充高精度液位計(jì)的量值溯源難題，保障液位計(jì)量值溯源的準(zhǔn)確性。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jiǎn)介：甘蓉（1970-），女，四川廣安市人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>

0 引言

液位計(jì)作為一種工業(yè)級(jí)儀表，包括的類(lèi)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(zhǔn)確度等級(jí)都較低?，F(xiàn)有的檢定裝置[2]能對(duì)大部分液位計(jì)進(jìn)行量值傳遞，但隨著儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，0.05級(jí)及以上的高精度液位計(jì)被研發(fā)和生產(chǎn)出來(lái)。傳統(tǒng)的液位計(jì)檢定裝置[3]采用鋼直尺作為標(biāo)準(zhǔn)，在零點(diǎn)和液位測(cè)量點(diǎn)采用直接讀取液位的方式，受限于標(biāo)準(zhǔn)器的最大允許誤差和在零點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)讀取液位值的誤差，從而無(wú)法達(dá)到液位計(jì)檢定規(guī)程要求整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度[4]不大于被檢液位儀表最大允許誤差絕對(duì)值1/4的最低要求，無(wú)法對(duì)高精度液位計(jì)進(jìn)行量值傳遞。

最大程度地減少標(biāo)準(zhǔn)器的允許誤差和讀取零位、測(cè)量點(diǎn)帶來(lái)的誤差，是液位計(jì)檢定裝置主要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)一種補(bǔ)償法液位計(jì)檢定裝置，與補(bǔ)償式微壓計(jì)工作原理[5]類(lèi)似，分別對(duì)基值零位和測(cè)量點(diǎn)的液位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[6]采用直線式感應(yīng)同步器[7]作為主標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)滿足裝置的整體不確定度的限值范圍并能達(dá)到量值傳遞的要求。同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)定位單元來(lái)有效減小在檢定過(guò)程中被檢液位計(jì)安裝垂直度的問(wèn)題，解決液位計(jì)檢定中另一個(gè)對(duì)整體不確定度影響較大的問(wèn)題。

1 工作原理

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

在設(shè)計(jì)時(shí)主標(biāo)準(zhǔn)器選用直線式感應(yīng)同步器，主標(biāo)準(zhǔn)器定尺、標(biāo)準(zhǔn)器定位單元與容器由剛性支架固定，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器定位單元保證主標(biāo)準(zhǔn)器定尺和主容器的垂直度。在被檢液位計(jì)安裝盤(pán)處設(shè)計(jì)被檢器定位單元，通過(guò)被檢器定位單元使被測(cè)液位計(jì)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(biāo)準(zhǔn)器和被檢液位計(jì)安裝垂直度帶來(lái)的不確定度分量。運(yùn)動(dòng)部分通過(guò)步進(jìn)電機(jī)[8]驅(qū)動(dòng)反U型導(dǎo)桿，帶動(dòng)水準(zhǔn)頭和滑尺沿垂直方向移動(dòng)，反U型導(dǎo)桿采用一體，并無(wú)連接部分，保證了滑尺和水準(zhǔn)頭的相對(duì)位移量完全相同。通過(guò)定位單元保證垂直度，水準(zhǔn)頭定位液面，再通過(guò)直線感應(yīng)同步器測(cè)得水準(zhǔn)頭位移量，即可測(cè)得液位的變化量，即標(biāo)準(zhǔn)值，從而得到的被測(cè)液位計(jì)示值與標(biāo)準(zhǔn)器示值之差為被測(cè)液位計(jì)的示值誤差，裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成

補(bǔ)償法液位計(jì)檢定裝置主要由測(cè)量系統(tǒng)、垂直定位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。測(cè)量系統(tǒng)主要包括直線式感應(yīng)同步器和水準(zhǔn)頭，定位系統(tǒng)由主標(biāo)準(zhǔn)器定位單元和被檢器定位單元組成，控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、水泵、微調(diào)容器組成。

2.1 測(cè)量系統(tǒng)

直線式感應(yīng)同步器主要用于準(zhǔn)確測(cè)量與其滑尺相連的水準(zhǔn)頭的位移量，水準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)器選用比光柵尺更為準(zhǔn)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(jī)加工行業(yè)，用作車(chē)床的主要測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)為精度高、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量長(zhǎng)度不受限制、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)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(dòng)部分為滑尺、不動(dòng)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(duì)位置。

根據(jù)JB/T3587-1996《標(biāo)準(zhǔn)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(hào)可為數(shù)字信號(hào)，在顯示器上直接讀出，分辨率最大為1μm。

2.1.2 水準(zhǔn)頭

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

水準(zhǔn)頭采用補(bǔ)償式微壓計(jì)原理使用的水準(zhǔn)頭作為零位和測(cè)量點(diǎn)工作位置參考，該方法經(jīng)過(guò)補(bǔ)償式微壓計(jì)多年論證，穩(wěn)定可靠。水準(zhǔn)頭的選用能滿足零位誤差和測(cè)量點(diǎn)誤差不確定度的要求，能有效降低整個(gè)液位計(jì)檢定裝置的整體不確定度。

水準(zhǔn)頭與直線式感應(yīng)同步器滑尺通過(guò)反U型導(dǎo)軌連接成整體，再和測(cè)微螺桿連接。此結(jié)構(gòu)使得水準(zhǔn)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(cè)微螺桿能對(duì)直線式感應(yīng)同步器滑尺進(jìn)行微調(diào)。

2.2 垂直定位系統(tǒng)

首先分析垂直度對(duì)液位計(jì)檢定中帶來(lái)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(shí)，測(cè)得液位值與標(biāo)準(zhǔn)液位值函數(shù)關(guān)系，通過(guò)下式計(jì)算：

△H_標(biāo)=l_a/cosθ-l_a（1）

式中：△H_標(biāo)——被測(cè)液位計(jì)顯示液位值與標(biāo)準(zhǔn)液位值的差值，mm;

l_a——標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，在1m時(shí)的偏移量為0.15mm，這對(duì)于測(cè)量范圍為1m、準(zhǔn)確度等級(jí)0.02級(jí)、最大允許誤差為0.2mm的液位計(jì)無(wú)疑是一個(gè)不可接受的偏移量。由于最大投影角無(wú)法測(cè)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(biāo)準(zhǔn)器定位單元和被檢器定位單元兩部分構(gòu)成。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器定位單元

標(biāo)準(zhǔn)器定位單元與鉛錘原理相似，主要由重錘和刻度盤(pán)構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)四角水平調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)重錘標(biāo)線至刻度盤(pán)中線位置時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)，由主安裝盤(pán)、限位盤(pán)、紅外線發(fā)射器和4個(gè)微調(diào)螺母構(gòu)成，其中主安裝盤(pán)用于固定被檢液位計(jì)，安裝盤(pán)與限位盤(pán)中心距為垂直狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)微調(diào)螺母使安裝盤(pán)四周的4個(gè)紅外線發(fā)射器分別對(duì)準(zhǔn)限位盤(pán)上垂直位置的垂直限位孔（已調(diào)整垂直度），當(dāng)4個(gè)限位孔下端均有紅外線穿透時(shí)，證明被測(cè)液位計(jì)已經(jīng)安裝垂直（見(jiàn)圖3）。

用此方法調(diào)節(jié)安裝垂直度直觀、準(zhǔn)確。底端限位盤(pán)上的限位孔直徑為3mm，當(dāng)頂端安裝盤(pán)上的4組紅外線均透過(guò)底端限位盤(pán)的限位孔時(shí)，底端限位盤(pán)中心點(diǎn)與頂端安裝盤(pán)中心點(diǎn)垂直投影點(diǎn)的距離l_c≤3mm，相對(duì)于1m量程的液位計(jì)垂直度誤差用式（2）計(jì)算，得出誤差值為0.005mm，該誤差滿足對(duì)裝置整體不確定度的要求。

式中：△H_被——被測(cè)液位計(jì)顯示液位值與標(biāo)準(zhǔn)液位值的差值，mm;

l_c——液位計(jì)頂端與底端在水平面上垂直投影點(diǎn)的距離，mm。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為標(biāo)準(zhǔn)器控制單元和液位控制單元，標(biāo)準(zhǔn)器控制單元主要由步進(jìn)電機(jī)和對(duì)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(biāo)準(zhǔn)器控制單元

標(biāo)準(zhǔn)器控制單元通過(guò)粗調(diào)按鈕使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)直線感應(yīng)同步器滑尺至被測(cè)點(diǎn)附近，再通過(guò)微調(diào)按鈕準(zhǔn)確調(diào)整滑尺位置至被測(cè)點(diǎn)。

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(mén)和管路，通過(guò)控制盒啟動(dòng)潛水泵，開(kāi)啟升液閥門(mén)即可使液位上升，開(kāi)啟回液閥門(mén)即可使液位下降。

微調(diào)部分底端與主容器相連，形成粗細(xì)不同的U管，單微調(diào)容器上端可通過(guò)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(jì)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?yàn)閮扇萜鳈M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(jì)量性能測(cè)試

裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源于直線感應(yīng)同步器，直線感應(yīng)同步器經(jīng)校準(zhǔn)后在2000mm的全量程范圍內(nèi)誤差為7.5μm，對(duì)整個(gè)裝置的不確定度貢獻(xiàn)在理想范圍內(nèi)。因測(cè)量點(diǎn)讀數(shù)為視覺(jué)讀數(shù)，每一個(gè)檢定員習(xí)慣不同可能會(huì)帶來(lái)不同的視覺(jué)誤差，現(xiàn)任選下限附近、50%附近和上限附近3個(gè)液位點(diǎn)由6位不同的檢定員進(jìn)行升降水準(zhǔn)頭5個(gè)循環(huán)讀數(shù)（見(jiàn)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(jué)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(cè)量，在整個(gè)量程范圍內(nèi)整個(gè)裝置具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確的計(jì)量性能。

液位計(jì)測(cè)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(dòng)不大于0.2℃/h，相對(duì)濕度小于90%。介質(zhì)選取為自來(lái)水，對(duì)于浮球式、浮力式、磁致伸縮式、導(dǎo)波雷達(dá)式、壓強(qiáng)式、反射式液位計(jì)均能滿足，單電極、雙電極或同軸電極等帶絕緣保護(hù)套的電容式液位計(jì)也能滿足測(cè)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(duì)0.02級(jí)1000mm以上液位計(jì)進(jìn)行量值溯源的檢定裝置整體不確定度必須達(dá)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(jiàn)表4。

合成標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度u_c（l）為

當(dāng)置信區(qū)間為95%時(shí)，取k=2，則擴(kuò)展不確定度為

U₉₅=0.030mm（4）

根據(jù)不確定分析得出，整個(gè)構(gòu)成檢定裝置的擴(kuò)展不確定度為U₉₅=0.030mm，檢定測(cè)量范圍0～1m，0.02級(jí)被檢液位計(jì)的最大允許誤差為0.200mm。根據(jù)JJG971-2002要求“整個(gè)檢定設(shè)備在內(nèi)的擴(kuò)展不確定度U₉₅不超過(guò)被檢液位計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值的1/4～1/5”，按照最高1/5的要求計(jì)算，高精度補(bǔ)償法液位計(jì)檢定裝置完全滿足檢定0.02級(jí)液位計(jì)的要求，可以作為標(biāo)準(zhǔn)器使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的高精度補(bǔ)償法液位計(jì)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(jì)量性能，對(duì)主標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行量值溯源簡(jiǎn)單、便捷。有效補(bǔ)充了目前高精度液位計(jì)無(wú)法有效溯源的問(wèn)題，使得液位計(jì)的量值溯源更加可靠和可行，對(duì)目前液位計(jì)檢定裝置不能溯源的液位計(jì)是一個(gè)有效、及時(shí)的補(bǔ)充，大大增加了液位計(jì)檢定規(guī)程的可操作性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

同時(shí)從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮到對(duì)今后進(jìn)行全自動(dòng)化的改造，可對(duì)滑尺部分電機(jī)通過(guò)加入執(zhí)行軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，在液位微調(diào)部分也可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的功能，為半自動(dòng)化到全自動(dòng)化的升級(jí)充分預(yù)留了空間。

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（編輯：李剛）