一種立式磁致伸縮液位計(jì)校準(zhǔn)裝置的研制

喬磊，孫安斌，高廷

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

磁致伸縮液位計(jì)是一種常用于煉油廠、油庫(kù)、石化企業(yè)庫(kù)區(qū)儲(chǔ)罐、油罐車等場(chǎng)合測(cè)量存儲(chǔ)介質(zhì)液位的設(shè)備［1］，主要應(yīng)用于液罐的液位工業(yè)計(jì)量和控制，相較于其他類型的液位計(jì)量系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、可靠性好、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)［2-3］。

現(xiàn)有液位計(jì)校準(zhǔn)手段眾多［4-5］，校準(zhǔn)裝置以臥式設(shè)計(jì)為主，這類裝置容易實(shí)現(xiàn)，但存在測(cè)量過(guò)程復(fù)雜、設(shè)備占地面積大、現(xiàn)場(chǎng)條件要求高、精度相對(duì)較低等問(wèn)題。本文研制了一種以精密光柵尺作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的磁致伸縮液位計(jì)校準(zhǔn)裝置，該裝置采用立式設(shè)計(jì)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)浮子沿豎軸移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理浮子的實(shí)際位移值和液位計(jì)輸出值數(shù)據(jù)，可對(duì)測(cè)量范圍為0～2 m的磁致伸縮液位計(jì)或其他浮子式液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 工作原理

1.1 磁致伸縮液位計(jì)工作原理

磁致伸縮液位計(jì)利用磁致伸縮的物理特性進(jìn)行液位測(cè)量［1］，去除了介質(zhì)的介電常數(shù)、溫度或壓力變化等影響因素。電路單元沿非磁性傳感管內(nèi)的磁致伸縮線發(fā)射電流脈沖，在磁致伸縮線周圍形成環(huán)形磁場(chǎng)，液位浮子內(nèi)的永久磁鋼自帶的磁場(chǎng)可以令磁致伸縮線沿軸向磁化。當(dāng)電流磁場(chǎng)和磁鐵磁場(chǎng)疊加時(shí)，浮子位置處的磁致伸縮線將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)扭力，同時(shí)產(chǎn)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(jù)脈沖波傳播速度恒定原理，電子單元只需通過(guò)計(jì)算起始脈沖和返回脈沖的時(shí)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(hào)與液位的轉(zhuǎn)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(zhǔn)需求

為滿足現(xiàn)場(chǎng)空間緊湊條件下的校準(zhǔn)需求，研制的磁致伸縮液位計(jì)校準(zhǔn)裝置采用立式設(shè)計(jì)方案。為滿足簡(jiǎn)單方便、高效快捷的應(yīng)用要求，本裝置采用比較法進(jìn)行測(cè)量，以光柵尺做為標(biāo)準(zhǔn)，并采用非金屬裝置對(duì)磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行夾持，保證裝置操作的便捷性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)該裝置量程為2 m，可對(duì)測(cè)量范圍為0～2 m的磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

磁致伸縮液位計(jì)校準(zhǔn)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括豎直背架支撐系統(tǒng)、液位計(jì)夾持調(diào)整系統(tǒng)、浮子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、輔助導(dǎo)軌系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。

圖1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

使用時(shí)，首先通過(guò)裝置頂部和底部的夾持單元將磁致伸縮液位計(jì)安裝到位，并將浮子固定在移動(dòng)滑臺(tái)上，使浮子可以與滑臺(tái)同步移動(dòng)。然后利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)，移動(dòng)量可通過(guò)光柵測(cè)量得出，而浮子的同步移動(dòng)使磁致伸縮液位計(jì)的電流輸出發(fā)生變化，根據(jù)式（1）計(jì)算得出浮子所在液位位置的變化，與光柵的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位計(jì)的校準(zhǔn)。

2.2 豎直背架支撐系統(tǒng)

豎直背架支撐系統(tǒng)包括安裝平臺(tái)、豎直背架和調(diào)整墊鐵。豎直背架通過(guò)螺栓固定在安裝平臺(tái)上，用于固定支撐傳動(dòng)導(dǎo)軌和底部直線導(dǎo)軌。安裝平臺(tái)底部設(shè)計(jì)有調(diào)整墊鐵，調(diào)整墊鐵放置于地基上，分別置于平臺(tái)四角處，通過(guò)調(diào)整螺栓實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)平。

2.3 液位計(jì)夾持調(diào)整系統(tǒng)

液位計(jì)夾持調(diào)整系統(tǒng)包括頂部、底部液位計(jì)夾持裝置。頂部液位計(jì)夾持裝置固定在豎直背架精加工面上，底部液位計(jì)夾持裝置固定在底部直線導(dǎo)軌滑塊上，可上下滑動(dòng)。頂部、底部液位計(jì)夾持裝置分別包含一個(gè)液位計(jì)夾持組件，用于固定液位計(jì)的上下兩端。安裝過(guò)程中，應(yīng)保證兩個(gè)液位計(jì)夾持尼龍組件中心于豎直方向重合，且二者連線與傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向平行。

2.4 浮子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

浮子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括傳動(dòng)導(dǎo)軌、滑臺(tái)、導(dǎo)軌直線度調(diào)整塊、電機(jī)和傳感器。導(dǎo)軌直線度調(diào)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(dòng)導(dǎo)軌并調(diào)整導(dǎo)軌直線度。電機(jī)安裝于傳動(dòng)導(dǎo)軌頂端，帶動(dòng)安裝在滑臺(tái)上的浮子沿傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行方向移動(dòng)。

2.5 輔助導(dǎo)軌系統(tǒng)

輔助導(dǎo)軌系統(tǒng)主要由底部直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌限位塊構(gòu)成，底部直線導(dǎo)軌安裝在豎直背架精加工面上，與導(dǎo)軌傳動(dòng)方向平行且對(duì)稱布置，上下兩端分別設(shè)置直線導(dǎo)軌限位塊。底部直線導(dǎo)軌上安裝有滑塊，用于固定底部支撐架兩支腳。

2.6 測(cè)量控制系統(tǒng)

測(cè)量控制系統(tǒng)包括光柵尺、溫濕度傳感器、控制柜和計(jì)算機(jī)。光柵尺安裝在傳動(dòng)導(dǎo)軌一側(cè)，用于記錄位移。控制柜分別連接電機(jī)、讀數(shù)頭、溫濕度傳感器和限位傳感器，用于控制滑臺(tái)手動(dòng)、自動(dòng)、循環(huán)等不同運(yùn)動(dòng)模式。計(jì)算機(jī)連接控制柜，內(nèi)裝控制與數(shù)據(jù)分析處理軟件，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)的位置控制、光柵尺數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)采集與處理、溫度數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)管理與報(bào)告生成等功能。

3 測(cè)量過(guò)程

3.1 液位計(jì)安裝調(diào)整

在校準(zhǔn)磁致伸縮液位計(jì)之前，需進(jìn)行相關(guān)位置調(diào)整，以保證設(shè)備測(cè)量精度。首先通過(guò)參照放置在安裝平臺(tái)上的電子水平儀來(lái)調(diào)整裝置整體水平，通過(guò)調(diào)整安裝平臺(tái)底部的墊鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝平臺(tái)的水平調(diào)整，從而保證液位計(jì)在校準(zhǔn)過(guò)程中處于鉛垂于水平面的狀態(tài)。

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

圖2 豎直背架與液位計(jì)夾持組件基準(zhǔn)面俯視示意圖

安裝時(shí)，首先利用頂部液位計(jì)夾持裝置緊固夾持磁致伸縮液位計(jì)頂部；然后沿導(dǎo)軌方向調(diào)整底部液位計(jì)夾持裝置的位置，對(duì)磁致伸縮液位計(jì)尾端進(jìn)行緊固夾持，使液位計(jì)與傳動(dòng)導(dǎo)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(jì)在浮子中間位置。

3.2 液位計(jì)校準(zhǔn)測(cè)量

通過(guò)控制柜控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)導(dǎo)軌上的滑臺(tái)沿傳動(dòng)導(dǎo)軌上下移動(dòng)，在滑臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)讀數(shù)頭實(shí)時(shí)讀取并記錄光柵尺的位置變化，以確定滑臺(tái)沿傳動(dòng)導(dǎo)軌方向的位移大小。通過(guò)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(jì)算機(jī)將其與磁致伸縮液位計(jì)自身測(cè)量浮子位置的變化量進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)溫濕度進(jìn)行采集用以補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁致伸縮液位計(jì)的校準(zhǔn)功能。

檢測(cè)工作通過(guò)控制與數(shù)據(jù)分析處理軟件進(jìn)行，軟件主要包括光柵尺測(cè)長(zhǎng)模塊、液位計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境監(jiān)控模塊、直線運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。測(cè)量系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖3所示。

通過(guò)應(yīng)用軟件可準(zhǔn)確且高效地實(shí)現(xiàn)液位計(jì)測(cè)量時(shí)的位置控制、光柵尺數(shù)據(jù)和液位計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理、溫度數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)管理與報(bào)告生成等功能。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)模塊關(guān)系圖

4 不確定度分析

4.1 液位計(jì)安裝垂直度對(duì)測(cè)量誤差影響分析

磁致伸縮液位計(jì)在校準(zhǔn)裝置上安裝的垂直度對(duì)整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程的測(cè)量誤度有很大影響，理論上調(diào)平后浮子應(yīng)沿垂直于水平面的鉛垂線方向上下運(yùn)行，實(shí)際安裝固定后液位計(jì)軸向相對(duì)于鉛垂線的夾角（如圖4所示）會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差［6］。

圖4 液位計(jì)軸向與鉛垂線的夾角示意圖

盡管機(jī)械裝配精度、水平調(diào)整人為操作、光柵尺安裝位置等因素依然會(huì)帶來(lái)誤差，但考慮到這些誤差相對(duì)較小，有些可以通過(guò)補(bǔ)償方式進(jìn)行計(jì)算，因此在考慮夾角問(wèn)題時(shí)，假定其他參量均為理想數(shù)值。設(shè)此時(shí)液位計(jì)軸向與鉛垂線的夾角為θ。

產(chǎn)生的偏移量S和處于測(cè)量范圍內(nèi)的量程H與實(shí)際量程L的關(guān)系為

當(dāng)量程為最大值2 m時(shí)，最大偏移量小于等于20 mm，即

經(jīng)過(guò)計(jì)算θ≈0.57°，對(duì)于0～2 m量程范圍內(nèi)的磁致伸縮液位計(jì)而言，實(shí)際量程L=2000 mm，因此可以計(jì)算出處于測(cè)量范圍內(nèi)的量程

由計(jì)算公式可知，校準(zhǔn)裝置此時(shí)的最大偏差為0.1 mm。

對(duì)于0～2 m量程范圍內(nèi)的磁致伸縮液位計(jì)而言，由于頂部液位計(jì)夾持裝置結(jié)合端面機(jī)械配合帶來(lái)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(nèi)。但為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，避免因人工安裝產(chǎn)生的誤差問(wèn)題，使用底部液位計(jì)夾持裝置對(duì)磁致伸縮液位計(jì)尾端進(jìn)行固定，該裝置可沿底部直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)，適應(yīng)夾持磁致伸縮液位計(jì)的尾端。

采用圖2所示的雙基準(zhǔn)面對(duì)準(zhǔn)法對(duì)上下兩個(gè)夾持裝置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，使二者處于同一鉛垂軸向上，即控制了磁致伸縮液位計(jì)軸向與鉛垂線的夾角。機(jī)械對(duì)準(zhǔn)偏差按±1 mm計(jì)算，可得出此時(shí)

此時(shí)由安裝垂直度帶來(lái)的偏差為0.001 mm。

4.2 不確定度計(jì)算

本裝置主要針對(duì)量程范圍為0～2 m，測(cè)量誤差范圍為±1 mm的液位計(jì)進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)工作。其誤差來(lái)源主要有以下幾方面［4-6］：光柵尺測(cè)量精度引入誤差、阿貝誤差、液位計(jì)安裝垂直度誤差、平臺(tái)調(diào)平誤差、液位計(jì)測(cè)量重復(fù)性和分辨力帶來(lái)的誤差，以及來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的其它誤差。不確定度分量［7-8］計(jì)算如下：

1）光柵尺精度不確定度分量

光柵尺本身的測(cè)量精度為15μm，按均勻分布計(jì)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(jì)安裝位置產(chǎn)生的阿貝誤差為0.05 mm，按均勻分布計(jì)算其不確定度分量

3）安裝垂直度誤差不確定度分量

通過(guò)調(diào)整頂部和底部的夾持裝置控制液位計(jì)本身的安裝垂直度誤差，計(jì)算其不確定度分量時(shí)予以適當(dāng)放大，按0.04 mm且均勻分布計(jì)算其不確定度分量

4）平臺(tái)調(diào)平誤差不確定度分量

采用水平儀調(diào)平誤差為±0.1°，換算成液位計(jì)測(cè)量誤差為0.003 mm，按均勻分布計(jì)算其不確定度分量

5）液位計(jì)測(cè)量重復(fù)性不確定度分量［9］

液位計(jì)本身的重復(fù)性為0.001%，其不確定度分量

6）液位計(jì)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(jì)本身的分辨力為0.04 mm，按均勻分布計(jì)算其不確定度分量

7）其它誤差不確定度分量

來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的沖擊振動(dòng)、磁場(chǎng)等因素帶來(lái)的誤差，設(shè)為±0.1 mm，按均勻分布計(jì)算其不確定度分量

考慮到已對(duì)溫濕度進(jìn)行補(bǔ)償，因而溫濕度導(dǎo)致的不確定度分量忽略不計(jì)。

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

各不確定度分量之間相互獨(dú)立，按照標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成原理［10］，該裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

則其擴(kuò)展不確定度為

經(jīng)計(jì)算，滿足校準(zhǔn)需求，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 磁致伸縮液位計(jì)校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

研制了一套立式磁致伸縮液位計(jì)校準(zhǔn)裝置，該裝置以高精密光柵尺作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，采用機(jī)械定位方法實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的高效安裝及調(diào)整，通過(guò)豎直導(dǎo)軌系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)浮子的上下定點(diǎn)移動(dòng)，利用專用控制軟件實(shí)現(xiàn)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量，可有效滿足測(cè)量范圍為0～2 m的磁致伸縮液位計(jì)的校準(zhǔn)需求。對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定，其擴(kuò)展不確定度為0.15 mm，總之，裝置具有準(zhǔn)確性高、易操作、設(shè)備占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。