基于電阻法的工藝液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)及其校準(zhǔn)裝置的研制

劉 溢 吳佳靈 武東健 任大呈

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

火箭在飛行過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控貯箱中剩余燃料的變化，所以需要針對(duì)貯箱的不同部位進(jìn)行容積和高度計(jì)量。而在地面試驗(yàn)中，現(xiàn)有容積計(jì)量及液壓試驗(yàn)系統(tǒng)僅通過安裝在貯箱頂部的一支磁致伸縮液位計(jì)，測(cè)量貯箱頂部幾個(gè)液位點(diǎn)的容積，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的貯箱高度和總?cè)莘e。

為了更精確的測(cè)量火箭貯箱不同部位的容積，按照型號(hào)研制要求，需對(duì)現(xiàn)有容積計(jì)量及液壓試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造，利用工藝液位傳感器對(duì)試樣階段火箭各類型芯級(jí)貯箱進(jìn)行容積測(cè)量。需要研制的工藝液位傳感器包括各貯箱利用液位傳感器、點(diǎn)式液位傳感器、耗盡關(guān)機(jī)液位傳感器與剩余液位傳感器及對(duì)應(yīng)的變送器，精度要求為±2mm。

2 傳感器測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工藝液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要由工藝液位傳感器，信號(hào)轉(zhuǎn)接盒，信號(hào)變送箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個(gè)部分組成。

圖1 工藝液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of liquid level sensor measuring system

其中，工藝液位傳感器包括利用液位傳感器、點(diǎn)式液位傳感器、耗盡關(guān)機(jī)液位傳感器與剩余液位傳感器四種類型共43支，百余測(cè)點(diǎn)。其原理基于電阻法，通過檢測(cè)兩電極之間電阻值的變化實(shí)現(xiàn)液位的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)貯箱離變送箱距離較遠(yuǎn)，而每個(gè)貯箱內(nèi)使用的傳感器種類不一，數(shù)量較多，為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)走線，為每種箱體配備一個(gè)專用信號(hào)轉(zhuǎn)接盒。將不同數(shù)量的傳感器出線轉(zhuǎn)換成一根總的線纜傳輸至信號(hào)變送箱，提高系統(tǒng)可靠性和可操作性。信號(hào)變送箱將傳感器隨液面變化產(chǎn)生的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為前期建造的標(biāo)準(zhǔn)的PLC子站。

系統(tǒng)工作過程為：根據(jù)需要將不同類型的液位傳感器安裝于貯箱各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處；傳感器引出線纜通過貯箱頂部的信號(hào)轉(zhuǎn)接盒統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成一根總線纜傳輸至信號(hào)變送箱，經(jīng)變送箱轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)信號(hào)后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳送至控制系統(tǒng)參與計(jì)算、控制，完成計(jì)量過程。

3 工藝液位傳感器設(shè)計(jì)

工藝液位傳感器采用電阻法監(jiān)測(cè)液面位置。由中心電極、測(cè)量點(diǎn)電極、可調(diào)底座、防掛水保護(hù)套、輸出電纜、防波管及上下端蓋等組成，如圖2、圖3所示。其中L為最上和最下面兩只點(diǎn)電極之間的距離，表示測(cè)量范圍，其間根據(jù)具體編號(hào)傳感器測(cè)量點(diǎn)數(shù)和相應(yīng)間距裝配點(diǎn)電極。

其測(cè)量原理為：貯箱內(nèi)的水可視為導(dǎo)體，將測(cè)量點(diǎn)電極分別置于測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，當(dāng)液面未到該點(diǎn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)電極與中心電極處于開路狀態(tài)。一旦液面到達(dá)該點(diǎn)接觸測(cè)量點(diǎn)電極，測(cè)量點(diǎn)電極立刻與中心電極導(dǎo)通。通過變送器監(jiān)測(cè)這兩種截然不同的狀態(tài)，并通過相應(yīng)變送電路輸出滿足要求的相應(yīng)高低電平，達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。

圖2 工藝液位傳感器示意圖Fig.2 Diagram of liquid level sensor

圖示結(jié)構(gòu)能夠最大程度減小液面波動(dòng)影響。設(shè)計(jì)防波管和整流板下端蓋，使得液體只能通過位于防波管底端的整流孔進(jìn)入防波管內(nèi)，通過液體的自重實(shí)現(xiàn)防波管內(nèi)液面的平穩(wěn)。同時(shí)優(yōu)化整流板的結(jié)構(gòu)[1]，最大程度上消除液體側(cè)面波動(dòng)帶來的誤差和飛濺可能引起的誤觸發(fā)。

為了能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)液位點(diǎn)及方便以后校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)可調(diào)底座，使得測(cè)量點(diǎn)電極的位置在±5mm范圍內(nèi)可調(diào)。對(duì)于因空間限制中心電極和點(diǎn)電極間距離較小的傳感器必須要采取措施防止由于電極間掛液引起的誤觸發(fā)事件。為防止氧化，中心電極和測(cè)量點(diǎn)電極等相關(guān)測(cè)量件全部采用不銹鋼材料。為減輕質(zhì)量，防波管采用鋁管，進(jìn)行陽極化處理。工藝液位傳感器精度主要由機(jī)械尺寸和配合保證。鑒于是測(cè)量點(diǎn)可調(diào)結(jié)構(gòu)，測(cè)量點(diǎn)可在外部精密測(cè)量定位的情況下調(diào)整確定，并且可以經(jīng)過標(biāo)定校準(zhǔn)，其精度能夠得到保證，并且能夠溯源[2]。

工藝液位傳感器基于檢測(cè)電阻通斷原理，與其它類型傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于電阻法，原理簡(jiǎn)單可靠，靈敏度高，無延時(shí)；

(2)被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)電率寬范圍變化對(duì)其測(cè)量沒有影響，而且電阻閾值可以靈活調(diào)節(jié)，可適應(yīng)各種導(dǎo)電介質(zhì)；

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，一經(jīng)調(diào)校完成，即無可動(dòng)部件。

4 信號(hào)變送箱設(shè)計(jì)

4.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)換單元用于將傳感器隨液面變化產(chǎn)生的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，有交流法和直流法之分。

4.1.1 交流法

對(duì)電極通以交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)在陽極產(chǎn)生電解反應(yīng)，引起陽極氧化，從而使電極降低甚至喪失導(dǎo)電能力。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，抗干擾能力差。由于現(xiàn)場(chǎng)傳感器走線長(zhǎng)達(dá)五十米以上，線路分布電容的影響很大，嚴(yán)重影響電路的工作性能[3]。而且不同實(shí)驗(yàn)貯箱的傳感器安裝走線都不一致，導(dǎo)致分布電容也會(huì)有所變化，從而需要采取不同的抗干擾措施，影響了電路的通用性。

4.1.2 直流法

對(duì)電極通以直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。電解水反應(yīng)理論上要求兩電極之間最小電壓為1.23V，但是由于反應(yīng)時(shí)陰極和陽極電子轉(zhuǎn)移時(shí)會(huì)引入反應(yīng)動(dòng)力學(xué)能壘(活化能)，活化能的疊加導(dǎo)致實(shí)際電解水的電極電壓遠(yuǎn)大于1.23V[4]。因此，可以通過電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，減小中心電極和點(diǎn)電極之間的電壓，可避免陽極氧化反應(yīng)。傳感器其中一個(gè)開關(guān)點(diǎn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換單元模塊原理圖如圖4所示，電極間電壓小于1.64V，電流僅有十幾個(gè)微安，且傳感器通電時(shí)間短，所以對(duì)電極的氧化作用可以忽略。同時(shí)，也可以對(duì)電極采用鍍金等防氧化措施，或者采用碳棒電極等[5，6]。所以，本方案中采用直流法。

圖4 變送器信號(hào)轉(zhuǎn)換單元模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of transmitter signal conversion module

+24V、+18V、GND組成變送器供電系統(tǒng)。IN+、IN-為傳感器信號(hào)輸入端口，IN+接測(cè)量點(diǎn)電極，IN-接中心電極。OUT+為高低電平輸出端口，當(dāng)液位沒到監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，輸出24V高電平;液位一旦到達(dá)，則輸出接近0V低電平。

R2為閾值比較電阻，可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)確定。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)純凈水到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)電極與中心電極之間的電阻值最大不會(huì)超過100kΩ，為了保險(xiǎn)起見，取閾值比較電阻為1MΩ。

轉(zhuǎn)換單元工作過程為：根據(jù)R5、R6阻值分壓可得，比較電壓V1為9V。開始加注時(shí)，液位沒到監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中心電極和測(cè)量點(diǎn)電極間斷路。此時(shí)，V0為高電平18V，經(jīng)過RC濾波延遲后與V1比較，大于V1,比較器OUT+輸出高電平24V。當(dāng)液位到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，中心電極和測(cè)量點(diǎn)電極通過水導(dǎo)通，IN+和IN-之間電阻小于100kΩ。此時(shí)，V0電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于V1，比較器OUT+輸出接近0V低電平。

電路中其它部分，R3、C4組成RC濾波器，防止液面波動(dòng)輸出信號(hào)產(chǎn)生抖動(dòng)；C2為濾波電容，防止比較電壓抖動(dòng)；R8,C5組成負(fù)反饋，防止在比較器在比較電壓附近出現(xiàn)自激抖動(dòng)；R1提供一個(gè)電源測(cè)試點(diǎn)，方便調(diào)試和維護(hù)；R4為前后級(jí)隔離電阻；C1為電源濾波電容；C3為輸出防抖電容；D1用于防止由測(cè)量點(diǎn)電極上串入的瞬時(shí)高電壓干擾破壞板上元器件；發(fā)光二極管D3為輸出電平指示燈。

4.2 信號(hào)變送箱設(shè)計(jì)

信號(hào)變送箱為整個(gè)傳感器系統(tǒng)的測(cè)量變送模塊。基于簡(jiǎn)便統(tǒng)一考慮，設(shè)計(jì)一臺(tái)通用變送箱，同時(shí)滿足所有類型貯箱的使用要求。

圖5 信號(hào)變送箱Fig.5 Signal transmitting instrument

通用變送箱如圖5所示。包括輸入、輸出和電源三個(gè)對(duì)外接口，配備31路信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，可以同時(shí)進(jìn)行31路信號(hào)的采集、變換和傳輸。根據(jù)不同類型的貯箱液位檢測(cè)情況使用對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊。所有模塊均具有可快速插拔功能，可以互換使用，便于維護(hù)管理，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)模塊間互為備件的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 傳感器校準(zhǔn)及其不確定度評(píng)定

5.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了方便實(shí)驗(yàn)人員隨時(shí)對(duì)傳感器精度進(jìn)行快速準(zhǔn)確的校驗(yàn)，設(shè)計(jì)了半自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖6所示。系統(tǒng)由被校傳感器、標(biāo)校量筒、標(biāo)尺、水箱、配氣箱、氣源、信號(hào)轉(zhuǎn)接盒、信號(hào)變送箱及控制模塊等組成。根據(jù)不同情況，可分為簡(jiǎn)單校驗(yàn)法、精確校驗(yàn)法和針對(duì)耗盡關(guān)機(jī)傳感器的快捷校驗(yàn)校準(zhǔn)法。

圖6 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of calibration system

其中，精確校驗(yàn)法校驗(yàn)過程完全模擬貯箱液位實(shí)際加注過程。通過配氣箱控制氣源向水箱通氣，控制水箱內(nèi)壓力，使水箱向標(biāo)校量筒內(nèi)加注純凈水，觸發(fā)傳感器經(jīng)變送箱給出開關(guān)信號(hào)，利用此開關(guān)信號(hào)通過控制模塊控制進(jìn)/排水電磁閥閥關(guān)閉，停止加注。測(cè)量此時(shí)實(shí)際液位動(dòng)作點(diǎn)與理論動(dòng)作點(diǎn)的偏差△L，△L即為傳感器測(cè)量誤差。通過控制模塊切換被校點(diǎn)進(jìn)行下一點(diǎn)的校驗(yàn)，直到完成所有點(diǎn)的校驗(yàn)工作。

半自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)通過增加氣源、配氣箱和相應(yīng)的電磁閥組控制模塊，實(shí)現(xiàn)液面加注和停止的自動(dòng)控制，與傳統(tǒng)手動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)相比，有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)校驗(yàn)效率高。傳統(tǒng)校驗(yàn)法依靠水箱內(nèi)水的自重向標(biāo)校量筒內(nèi)注水，而半自動(dòng)校驗(yàn)法則通過配氣箱，控制水箱內(nèi)壓力來完成注水、排水過程。可以調(diào)節(jié)水箱內(nèi)的壓力來控制加注速度，在初始階段可以快速加注，而在液位接近被校點(diǎn)時(shí)，則緩慢加注，控制液面平穩(wěn)上升，減小液面波動(dòng)帶來的誤差。

(2)液體加注自動(dòng)控制，提高了校驗(yàn)精度。通過增加自動(dòng)控制模塊電路，實(shí)現(xiàn)液體加注的全自動(dòng)控制。液面一旦到達(dá)校準(zhǔn)點(diǎn)，觸發(fā)液位傳感器動(dòng)作，由此產(chǎn)生的開關(guān)信號(hào)控制進(jìn)/排水電磁閥關(guān)閉，停止加注，從而保證了動(dòng)作液面和實(shí)際測(cè)量液面高度一致。避免人工觀察變送箱信號(hào)再手動(dòng)關(guān)閉閥門帶來的滯后誤差。

所有傳感器經(jīng)半自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)，誤差△L均在1mm以內(nèi)，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

5.2 測(cè)量不確定度分析

通過半自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)每支傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，并計(jì)算校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度[7～9]。對(duì)于有多個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的傳感器，分別求出每個(gè)點(diǎn)的校準(zhǔn)不確定度，然后取最大者。以其中一個(gè)點(diǎn)為例，校準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：對(duì)該點(diǎn)在同樣條件下反復(fù)進(jìn)行三次測(cè)量，誤差△L分別為-0.6mm，-0.4mm，-0.6mm。則校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為：

(1)測(cè)量用鋼直尺的精度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1。采用日本進(jìn)口原裝鋼直尺，經(jīng)標(biāo)定精度δ為±0.3mm，取均勻分布，則其引入的不確定度為

(1)

(2)測(cè)量時(shí)液面的讀數(shù)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，讀數(shù)誤差Δ能夠控制在±0.2mm以內(nèi)，取均勻分布，則其引入的不確定度為

(2)

(3)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3。采用極差法，計(jì)算如下

(3)

(4)

(4)安裝卡箍位置偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4。如圖2所示，由于傳感器使用時(shí)采用卡箍安裝定位，而傳感器組裝和校驗(yàn)均以傳感器端面為基準(zhǔn)，故安裝卡箍相對(duì)于端面的位置精度也會(huì)引入不確定度。采用高精度機(jī)床加工，其精度δ′能夠達(dá)到±0.1mm，取均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(5)

(5)傳感器和變送器反應(yīng)延時(shí)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5。傳感器和變送器反應(yīng)延時(shí)小于40ms，相對(duì)于液面上升速度，其帶來的誤差可以忽略不計(jì)。

(6)液面波動(dòng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6。控制加注速度，減小液面波動(dòng)，取液面波動(dòng)l為±0.5mm，按均勻分布，其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(6)

(7)標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成

(7)

uc=0.4024mm

(8)擴(kuò)展不確定度

U=kuc

(8)

U=0.8mm (k=2)

6 測(cè)試驗(yàn)證

工藝液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

從表中可以看出，傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，并且已投入正常使用。

7 結(jié)束語

為了解決現(xiàn)有容積計(jì)量及液壓試驗(yàn)系統(tǒng)不能對(duì)貯箱各不同部位進(jìn)行容積和高度監(jiān)測(cè)的問題，本文研制了一種基于電阻法的工藝液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)。該傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括利用液位傳感器、點(diǎn)式液位傳感器、耗關(guān)液位傳感器與剩余液位傳感器及對(duì)應(yīng)的變送器。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的半自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，并分析了測(cè)量結(jié)果的不確定度。經(jīng)過測(cè)試，所有傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。目前，傳感器已投入正常使用，完成了火箭多個(gè)類型貯箱的容積液位測(cè)量，達(dá)到了預(yù)期效果。