一種立式磁致伸縮液位計校準裝置的研制

喬磊，孫安斌，高廷

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

磁致伸縮液位計是一種常用于煉油廠、油庫、石化企業庫區儲罐、油罐車等場合測量存儲介質液位的設備［1］，主要應用于液罐的液位工業計量和控制，相較于其他類型的液位計量系統，具有測量精度高、可靠性好、安裝維護簡單等優勢［2-3］。

現有液位計校準手段眾多［4-5］，校準裝置以臥式設計為主，這類裝置容易實現，但存在測量過程復雜、設備占地面積大、現場條件要求高、精度相對較低等問題。本文研制了一種以精密光柵尺作為測量標準的磁致伸縮液位計校準裝置，該裝置采用立式設計，利用電機驅動浮子沿豎軸移動，通過計算機分析處理浮子的實際位移值和液位計輸出值數據，可對測量范圍為0～2 m的磁致伸縮液位計或其他浮子式液位計進行校準。

1 工作原理

1.1 磁致伸縮液位計工作原理

磁致伸縮液位計利用磁致伸縮的物理特性進行液位測量［1］，去除了介質的介電常數、溫度或壓力變化等影響因素。電路單元沿非磁性傳感管內的磁致伸縮線發射電流脈沖，在磁致伸縮線周圍形成環形磁場，液位浮子內的永久磁鋼自帶的磁場可以令磁致伸縮線沿軸向磁化。當電流磁場和磁鐵磁場疊加時，浮子位置處的磁致伸縮線將產生一個瞬時扭力，同時產生沿磁致伸縮線向兩端傳送的返回脈沖。變送器電子單元接收向頂端返回的脈沖波，根據脈沖波傳播速度恒定原理，電子單元只需通過計算起始脈沖和返回脈沖的時間差，即可得出浮子中磁鋼的位置，從而獲得較為精確的液位值。

輸出的電流信號與液位的轉換公式為

式中：I輸出為輸出電流；D液位為液位位置；D總為總液位量程。

1.2 校準需求

為滿足現場空間緊湊條件下的校準需求，研制的磁致伸縮液位計校準裝置采用立式設計方案。為滿足簡單方便、高效快捷的應用要求，本裝置采用比較法進行測量，以光柵尺做為標準，并采用非金屬裝置對磁致伸縮液位計進行夾持，保證裝置操作的便捷性。根據實際應用需求，設計該裝置量程為2 m，可對測量范圍為0～2 m的磁致伸縮液位計進行校準。

2 結構設計

2.1 總體結構

磁致伸縮液位計校準裝置的總體結構如圖1所示，主要包括豎直背架支撐系統、液位計夾持調整系統、浮子運動控制系統、輔助導軌系統和測量系統。

圖1 校準裝置結構圖

使用時，首先通過裝置頂部和底部的夾持單元將磁致伸縮液位計安裝到位，并將浮子固定在移動滑臺上，使浮子可以與滑臺同步移動。然后利用電機驅動滑臺移動，移動量可通過光柵測量得出，而浮子的同步移動使磁致伸縮液位計的電流輸出發生變化，根據式（1）計算得出浮子所在液位位置的變化，與光柵的標準值進行比較，實現對液位計的校準。

2.2 豎直背架支撐系統

豎直背架支撐系統包括安裝平臺、豎直背架和調整墊鐵。豎直背架通過螺栓固定在安裝平臺上，用于固定支撐傳動導軌和底部直線導軌。安裝平臺底部設計有調整墊鐵，調整墊鐵放置于地基上，分別置于平臺四角處，通過調整螺栓實現設備調平。

2.3 液位計夾持調整系統

液位計夾持調整系統包括頂部、底部液位計夾持裝置。頂部液位計夾持裝置固定在豎直背架精加工面上，底部液位計夾持裝置固定在底部直線導軌滑塊上，可上下滑動。頂部、底部液位計夾持裝置分別包含一個液位計夾持組件，用于固定液位計的上下兩端。安裝過程中，應保證兩個液位計夾持尼龍組件中心于豎直方向重合，且二者連線與傳動導軌運動方向平行。

2.4 浮子運動控制系統

浮子運動控制系統包括傳動導軌、滑臺、導軌直線度調整塊、電機和傳感器。導軌直線度調整塊沿豎直背架的精加工面按豎直方向依次固定布置，用于安裝固定傳動導軌并調整導軌直線度。電機安裝于傳動導軌頂端，帶動安裝在滑臺上的浮子沿傳動導軌運行方向移動。

2.5 輔助導軌系統

輔助導軌系統主要由底部直線導軌、直線導軌限位塊構成，底部直線導軌安裝在豎直背架精加工面上，與導軌傳動方向平行且對稱布置，上下兩端分別設置直線導軌限位塊。底部直線導軌上安裝有滑塊，用于固定底部支撐架兩支腳。

2.6 測量控制系統

測量控制系統包括光柵尺、溫濕度傳感器、控制柜和計算機。光柵尺安裝在傳動導軌一側，用于記錄位移。控制柜分別連接電機、讀數頭、溫濕度傳感器和限位傳感器，用于控制滑臺手動、自動、循環等不同運動模式。計算機連接控制柜，內裝控制與數據分析處理軟件，主要用來實現測量時的位置控制、光柵尺數據和液位數據采集與處理、溫度數據采集與處理、數據管理與報告生成等功能。

3 測量過程

3.1 液位計安裝調整

在校準磁致伸縮液位計之前，需進行相關位置調整，以保證設備測量精度。首先通過參照放置在安裝平臺上的電子水平儀來調整裝置整體水平，通過調整安裝平臺底部的墊鐵來實現安裝平臺的水平調整，從而保證液位計在校準過程中處于鉛垂于水平面的狀態。

然后調整頂部與底部液位計夾持裝置的相對位置，使二者的垂直基準面與豎直背架基準面之間的距離相同，保證處于同一鉛垂面垂直于安裝平臺。豎直背架與液位計夾持組件基準面俯視示意圖如圖2所示。

圖2 豎直背架與液位計夾持組件基準面俯視示意圖

安裝時，首先利用頂部液位計夾持裝置緊固夾持磁致伸縮液位計頂部；然后沿導軌方向調整底部液位計夾持裝置的位置，對磁致伸縮液位計尾端進行緊固夾持，使液位計與傳動導軌方向平行；最后用浮子夾持架固定浮子，保證磁致伸縮液位計在浮子中間位置。

3.2 液位計校準測量

通過控制柜控制電機驅動傳動導軌上的滑臺沿傳動導軌上下移動，在滑臺移動過程中通過讀數頭實時讀取并記錄光柵尺的位置變化，以確定滑臺沿傳動導軌方向的位移大小。通過記錄的光柵尺位置變化得出浮子沿豎直方向位移量的大小，用計算機將其與磁致伸縮液位計自身測量浮子位置的變化量進行比較，同時對溫濕度進行采集用以補償，即可實現對磁致伸縮液位計的校準功能。

檢測工作通過控制與數據分析處理軟件進行，軟件主要包括光柵尺測長模塊、液位計數據采集模塊、環境監控模塊、直線運動控制模塊、數據管理模塊等。測量系統模塊關系如圖3所示。

通過應用軟件可準確且高效地實現液位計測量時的位置控制、光柵尺數據和液位計數據采集與處理、溫度數據采集與處理、數據管理與報告生成等功能。

圖3 測量系統模塊關系圖

4 不確定度分析

4.1 液位計安裝垂直度對測量誤差影響分析

磁致伸縮液位計在校準裝置上安裝的垂直度對整個校準過程的測量誤度有很大影響，理論上調平后浮子應沿垂直于水平面的鉛垂線方向上下運行，實際安裝固定后液位計軸向相對于鉛垂線的夾角（如圖4所示）會導致測量結果產生誤差［6］。

圖4 液位計軸向與鉛垂線的夾角示意圖

盡管機械裝配精度、水平調整人為操作、光柵尺安裝位置等因素依然會帶來誤差，但考慮到這些誤差相對較小，有些可以通過補償方式進行計算，因此在考慮夾角問題時，假定其他參量均為理想數值。設此時液位計軸向與鉛垂線的夾角為θ。

產生的偏移量S和處于測量范圍內的量程H與實際量程L的關系為

當量程為最大值2 m時，最大偏移量小于等于20 mm，即

經過計算θ≈0.57°，對于0～2 m量程范圍內的磁致伸縮液位計而言，實際量程L=2000 mm，因此可以計算出處于測量范圍內的量程

由計算公式可知，校準裝置此時的最大偏差為0.1 mm。

對于0～2 m量程范圍內的磁致伸縮液位計而言，由于頂部液位計夾持裝置結合端面機械配合帶來的偏差角小于0.3°，因而依靠其自身重即可保證鉛垂線夾角在要求范圍內。但為進一步提高測量精度，避免因人工安裝產生的誤差問題，使用底部液位計夾持裝置對磁致伸縮液位計尾端進行固定，該裝置可沿底部直線導軌上下移動，適應夾持磁致伸縮液位計的尾端。

采用圖2所示的雙基準面對準法對上下兩個夾持裝置進行對準，使二者處于同一鉛垂軸向上，即控制了磁致伸縮液位計軸向與鉛垂線的夾角。機械對準偏差按±1 mm計算，可得出此時

此時由安裝垂直度帶來的偏差為0.001 mm。

4.2 不確定度計算

本裝置主要針對量程范圍為0～2 m，測量誤差范圍為±1 mm的液位計進行相關校準工作。其誤差來源主要有以下幾方面［4-6］：光柵尺測量精度引入誤差、阿貝誤差、液位計安裝垂直度誤差、平臺調平誤差、液位計測量重復性和分辨力帶來的誤差，以及來自現場環境的其它誤差。不確定度分量［7-8］計算如下：

1）光柵尺精度不確定度分量

光柵尺本身的測量精度為15μm，按均勻分布計算其不確定度分量

2）阿貝誤差引起的不確定度分量

由液位計安裝位置產生的阿貝誤差為0.05 mm，按均勻分布計算其不確定度分量

3）安裝垂直度誤差不確定度分量

通過調整頂部和底部的夾持裝置控制液位計本身的安裝垂直度誤差，計算其不確定度分量時予以適當放大，按0.04 mm且均勻分布計算其不確定度分量

4）平臺調平誤差不確定度分量

采用水平儀調平誤差為±0.1°，換算成液位計測量誤差為0.003 mm，按均勻分布計算其不確定度分量

5）液位計測量重復性不確定度分量［9］

液位計本身的重復性為0.001%，其不確定度分量

6）液位計分辨力不確定度分量

由于光柵尺分辨力較高，可忽略其影響，考慮液位計本身的分辨力為0.04 mm，按均勻分布計算其不確定度分量

7）其它誤差不確定度分量

來自現場環境的沖擊振動、磁場等因素帶來的誤差，設為±0.1 mm，按均勻分布計算其不確定度分量

考慮到已對溫濕度進行補償，因而溫濕度導致的不確定度分量忽略不計。

4.3 合成標準不確定度與擴展不確定度

各不確定度分量之間相互獨立，按照標準不確定度合成原理［10］，該裝置合成標準不確定度為

則其擴展不確定度為

經計算，滿足校準需求，其各項指標見表1。

表1 磁致伸縮液位計校準裝置技術指標

5 結論

研制了一套立式磁致伸縮液位計校準裝置，該裝置以高精密光柵尺作為測量標準，采用機械定位方法實現液位計的高效安裝及調整，通過豎直導軌系統自動實現浮子的上下定點移動，利用專用控制軟件實現液位計的準確測量，可有效滿足測量范圍為0～2 m的磁致伸縮液位計的校準需求。對裝置進行測量不確定度評定，其擴展不確定度為0.15 mm，總之，裝置具有準確性高、易操作、設備占地面積小等優點，有較高實際應用價值。