一種液位計自動檢定裝置的研制

冀中祥

(沈陽紫微恒檢測設備有限公司，遼寧 沈陽 110114)

1 引 言

液位計是測量和控制系統(tǒng)中用以指示和控制液位的儀表，廣泛應用于石油、化工、電力等領(lǐng)域。作為重要的計量器具，液位計的準確性直接關(guān)系到企業(yè)成本核算、經(jīng)營結(jié)算等重要指標，同時也關(guān)系到國家對外貿(mào)易，如化工原料、石油等進出口計量的結(jié)算等。

目前，國內(nèi)大多數(shù)的液位計檢定裝置仍然采用人工讀數(shù)的方式進行檢定，檢定時間長、工作效率低、測量誤差大等缺陷越來越明顯。為了保證液位計計量的準確性，參考我國相關(guān)標準要求，本文研制了一種液位計自動檢定裝置，該檢定裝置采用伺服電機驅(qū)動鏈輪鏈條帶動水箱升降，通過上位機軟件控制水箱升降位移來替代人工讀數(shù)，從而實現(xiàn)了對液位計的自動檢定。同時，該自動檢定裝備還具有檢定速度快、使用方便等優(yōu)點。

2 檢定裝置原理與結(jié)構(gòu)

2.1 原理

液位計自動檢定裝置用于液位計的示值誤差、回差、設定點誤差、切換差的綜合檢定。該檢定裝置采用各容器從底面相連通形成連通器，注入同種液體時各連通容器內(nèi)水平液位一致的基本原理。被檢液位計與中區(qū)位水連通，依據(jù)連通器原理，中區(qū)位水液面與被檢液位計的液面一直保持在同一水平面，則升降水箱的位移就是被檢液位計內(nèi)液位升降的位移。

首先將升降水箱調(diào)整至最低點，升降水箱的中區(qū)位水平面與液位計的液位保持一致。調(diào)整液位計的零位，通過上位機軟件的設定行程控制伺服電機運行，伺服電機通過鏈輪鏈條升降機構(gòu)將升降水箱升高至各檢定點位置，直至測量上限，然后緩慢降低至各檢定點，直至液位計零位。期間，上位機軟件分別讀取上下行程中的標準值與被檢值，自動計算示值誤差等各檢定項目數(shù)值，自動生成檢定報告。中間過程完全自動化，無需進行人為操作。

2.2 結(jié)構(gòu)

本檢定裝置主要由箱體框架、水位升降系統(tǒng)、供水及回水系統(tǒng)、滑動導軌法蘭系統(tǒng)、可翻轉(zhuǎn)量筒系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及人機操作軟件組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

箱體框架提供對設備結(jié)構(gòu)件的支撐和安裝，主體采用鋼結(jié)構(gòu)，外圍為鈑金殼體。

水位升降系統(tǒng)主要由水箱、直線導軌副、伺服電機、鏈條鏈輪及配重塊等組成。水箱采用不銹鋼制作，不易生銹。水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)分高、中、低3個區(qū)位：高區(qū)位為上水區(qū)，與供水泵相連；中區(qū)位為試驗區(qū)，與被測液位計和量筒相通；低區(qū)位為回水區(qū)，與供水及回水箱相連。中區(qū)位水由高區(qū)位溢流而來，中區(qū)位水位過多也可以溢流至低區(qū)位，這樣可以保證無論水箱處于什么位置，中區(qū)位的水平面相對于水箱的位置不變。因此，水箱升降高度即為液位升降高度，以滿足液位計的檢定。

直線導軌副安裝于水箱兩側(cè)并固定于箱體框架，鏈條一端連接水箱，另一端連接配重塊，伺服電機驅(qū)動鏈輪鏈條運動，從而使水箱通過導軌副上升或者下降。

供水、回水系統(tǒng)主要由下水箱、調(diào)速水泵、PT100溫度傳感器、球閥及水管組成。水泵將下水箱的水送至水位升降系統(tǒng)的水箱內(nèi)，為其提供水源。同時，升降系統(tǒng)中水箱的溢流水通過水管流淌至下水箱，這樣形成一個循環(huán)系統(tǒng)，水可以循環(huán)利用，不用反復添水，節(jié)約資源，省時省力。

滑動導軌法蘭系統(tǒng)主要由直線導軌副、法蘭、球閥及水管組成，用于側(cè)裝單或者雙法蘭液位計的安裝，如玻璃液位計、浮球液位計、浮筒液位計等。其中，法蘭固定在直線導軌副的兩個滑塊上，通過調(diào)節(jié)兩滑塊的間距滿足不同量程的液位計安裝。

翻轉(zhuǎn)量筒系統(tǒng)主要由透明有機玻璃筒、頂部法蘭、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、球閥及水管等組成，用于插入式液位計、投入式液位計等的檢定。其中，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可0～90°轉(zhuǎn)動，便于大量程液位計的安裝，使用時將其轉(zhuǎn)至0°，安裝完畢后轉(zhuǎn)至90°并鎖緊，無需登高，方便安全。

電氣控制系統(tǒng)由工控機、PCI運動控制卡、模擬量采集模塊、伺服驅(qū)動器等構(gòu)成。上位機軟件采用Visual Basic6.0編寫，人機界面如圖2所示。上位機軟件通過動態(tài)鏈接庫的函數(shù)，對PCI運動控制卡進行控制，工控機通過RS232轉(zhuǎn)RS485模塊連接模擬量采集模塊。上位機軟件可以通過讀寫串口，獲取采集0～20mA信號，用于采集試樣模擬量信號和PT100溫度變送器的信號。

圖2 人機界面

3 檢定裝置計量分析

當前，大部分液位計檢定裝置采用鋼直尺作為檢定標準器具，通過人眼讀數(shù)作為數(shù)據(jù)來源。其中，鋼直尺量程2000mm的示值誤差為±0.35mm，并且每個檢定員的習慣不同，這可能會帶來不同的視覺誤差，所以在檢定中可能會造成更大的測量誤差。

本文研制的液位計檢定裝置采用伺服電機驅(qū)動鏈輪鏈條帶動水箱升降，通過上位機軟件控制并讀取水箱升降位移來替代人工讀數(shù)，減少人為誤差，提高檢定精度。本檢定裝置的誤差來源主要是升降位移的誤差，下面對升降位移的準確性進行檢定。首先調(diào)整檢定裝置的水平，水平儀讀數(shù)不超過0.04mm/1000mm，待調(diào)整好后，用地腳螺栓緊固。然后通過上位機軟件設定計量點并控制升降水箱的升降，同時用激光干涉儀測量升降水箱的升降高度。最后，對激光干涉儀的數(shù)值與檢定點數(shù)值進行比較分析，從而得出該檢定裝置的測量示值誤差，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 示值誤差與重復性計算數(shù)據(jù)

續(xù)表

通過數(shù)據(jù)計算分析，該液位計自動檢定裝置的示值誤差為±0.15mm，重復性為0.08mm，優(yōu)于采用人工讀取鋼直尺的精度。

4 液位計檢定實例

本檢定裝置研制成功并檢定合格后，進行了液位計檢定的實際操作。下面重點介紹測試過程及對測試數(shù)據(jù)的分析。

4.1 測試過程

被檢樣：側(cè)側(cè)裝式浮筒液位計，量程0～1200mm，測量精度0.5級。

(1)目力觀察和通電檢查被檢樣的外觀。

(2)將被檢樣安裝在滑動導軌法蘭系統(tǒng)上，打開球閥，將被檢樣通電預熱15min。

(3)打開測試軟件，填寫被檢樣信息，選擇檢定項目、檢定點及試樣采樣次數(shù)。將升降水箱調(diào)整至最低點并調(diào)整被檢樣的零位。

(4)點擊軟件上“連續(xù)上升”和“連續(xù)下降”，升降水箱從零位開始，緩慢上升至各檢定點，直至測量上限，然后緩慢降低至各檢定點，直至被檢樣零點。期間，分別讀取上下行程中的標準值與被檢值。

(5)依據(jù)檢定規(guī)程測試軟件自動計算誤差、回差、設定點誤差和切換差數(shù)值，自動出具檢定報告。

4.2 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)液位計檢定規(guī)范，檢定點的選擇應按量程基本均勻分布，一般應包括上限值、下限值在內(nèi)不少于5個點。一般液位計只進行一個循環(huán)檢定，強制檢定的液位計應至少進行3個循環(huán)的檢定。本次檢定選擇5點和3個循環(huán)檢定，檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 示值誤差及回差檢定數(shù)據(jù)

依據(jù)檢定規(guī)范，設定點應在液位計量程的10%、90%附近選定，故本次檢定選定120mm和1080mm兩點，進行設定點誤差及切換差的檢定，檢定數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 設定點誤差及切換差檢定數(shù)據(jù)

通過表2和表3檢定數(shù)據(jù)分析，被檢液位計的示值誤差為ΔA=-2mm，回差為ΔAd=3.5mm，設定點誤差為Δd=0.47mm，切換差為ΔH=2.1mm。根據(jù)被檢液位計精度等級的要求，該液位計合格。

5 結(jié) 論

本文詳細介紹了液位計自動檢定裝置的設計原理、結(jié)構(gòu)、檢定操作并進行了測試數(shù)據(jù)的分析。該檢定裝置的控制系統(tǒng)采用了工控機并結(jié)合上位機軟件，這使得操作簡單，并且提高了工作效率。同時，采用伺服系統(tǒng)控制提高了檢定校準的準確度。該檢定裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢定，并滿足JJG 971-2019的相關(guān)檢定要求，適用于計量部門推廣使用。