一種補償法液位計檢定裝置的設計與不確定度分析

甘蓉 郝羅亮 王歆鑫 饒杰

摘要：隨著高精度液位測量儀表的廣泛應用，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》中規定（整個檢定設備在內的擴展不確定度U₉₅應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計結構帶來的不確定度進行綜合評定，完全滿足檢定規程中最高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。

關鍵詞：液位計檢定裝置;液位計;直線式感應同步器;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、電導式和反射式等[1]，通常準確度等級都較低?，F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的發展，0.05級及以上的高精度液位計被研發和生產出來。傳統的液位計檢定裝置[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指標，設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計算出基本誤差。從不確定度分析得出，影響測量結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。

在設計時主標準器選用直線式感應同步器，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]驅動反U型導桿，帶動水準頭和滑尺沿垂直方向移動，反U型導桿采用一體，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，裝置結構圖如圖1所示。

2 系統組成

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

2.1 測量系統

直線式感應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 直線式感應同步器

主標準器選用比光柵尺更為準確的直線式感應同步器。直線式感應同步器廣泛應用于高精度機加工行業，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，在定尺的繞組中產生了感應電壓，其幅值和相位決定于定尺和滑尺的相對位置。

根據JB/T3587-1996《標準型和窄型直線式感應同步器基本參數和技術要求》要求，即使誤差最大的直線式感應同步器最大誤差也僅為7.5μm[9]，且直線式感應同步器輸出信號可為數字信號，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，該方法經過補償式微壓計多年論證，穩定可靠。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同步器滑尺通過反U型導軌連接成整體，再和測微螺桿連接。此結構使得水準頭的位移距離即為直線式感應同步器滑尺的位移距離，且測微螺桿能對直線式感應同步器滑尺進行微調。

2.2 垂直定位系統

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關系，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，（°）。

根據余弦函數表cos1°=0.999848，得到當垂直度偏離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。

垂直定位系統主要由標準器定位單元和被檢器定位單元兩部分構成。

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成，通過調節四角水平調節螺母調節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夾緊單元實現，由主安裝盤、限位盤、紅外線發射器和4個微調螺母構成，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，通過調節4個微調螺母使安裝盤四周的4個紅外線發射器分別對準限位盤上垂直位置的垂直限位孔（已調整垂直度），當4個限位孔下端均有紅外線穿透時，證明被測液位計已經安裝垂直（見圖3）。

用此方法調節安裝垂直度直觀、準確。底端限位盤上的限位孔直徑為3mm，當頂端安裝盤上的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

控制系統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的執行部分組成，液位控制單元由粗調部分和活塞微調部分組成。

2.3.1 標準器控制單元

標準器控制單元通過粗調按鈕使步進電機帶動直線感應同步器滑尺至被測點附近，再通過微調按鈕準確調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部分和微調部分構成。其中粗調部分為水泵、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。

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

3 裝置計量性能測試

裝置的測試數據來源于直線感應同步器，直線感應同步器經校準后在2000mm的全量程范圍內誤差為7.5μm，對整個裝置的不確定度貢獻在理想范圍內。因測量點讀數為視覺讀數，每一個檢定員習慣不同可能會帶來不同的視覺誤差，現任選下限附近、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個循環讀數（見表1～表3）。

可以看出，在全量程內，裝置的重復性誤差[10]和人員視覺誤差都表明裝置具有良好的重復性，結合直線感應同步器的高精度測量，在整個量程范圍內整個裝置具有穩定、準確的計量性能。

液位計測量裝置根據各組成部分的環境條件要求，得出使用環境溫度為20℃±5℃，溫度波動不大于0.2℃/h，相對濕度小于90%。介質選取為自來水，對于浮球式、浮力式、磁致伸縮式、導波雷達式、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

當置信區間為95%時，取k=2，則擴展不確定度為

U₉₅=0.030mm（4）

根據不確定分析得出，整個構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JJG971-2002要求“整個檢定設備在內的擴展不確定度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的相關要求，作為檢定裝置，具有優良的計量性能，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程的可操作性和嚴謹性。

同時從設計結構出發，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行軟件對步進電機進行控制，在液位微調部分也可以通過步進電機實現相同的功能，為半自動化到全自動化的升級充分預留了空間。

參考文獻

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[10]陳玉華，林來賓.測量系統重復性誤差和重現性誤差的分析方法[J].電子質量，2007（11）：53-55.

（編輯：李剛）