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(yè)北京長城計量測試技術(shù)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(yè)庫區(qū)儲罐、油罐車等場合測量存儲介質(zhì)液位的設(shè)備［1］，主要應(yīng)用于液罐的液位工業(yè)計量和控制，相較于其他類型的液位計量系統(tǒng)，具有測量精度高、可靠性好、安裝維護簡單等優(yōu)勢［2-3］。

現(xiàn)有液位計校準手段眾多［4-5］，校準裝置以臥式設(shè)計為主，這類裝置容易實現(xiàn)，但存在測量過程復(fù)雜、設(shè)備占地面積大、現(xiàn)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(shè)計，利用電機驅(qū)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(shù)據(jù)，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(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，液位浮子內(nèi)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(chǎn)生一個瞬時扭力，同時產(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(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 校準需求

為滿足現(xiàn)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(shè)計方案。為滿足簡單方便、高效快捷的應(yīng)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(jù)實際應(yīng)用需求，設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

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

圖1 校準裝置結(jié)構(gòu)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(qū)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(fā)生變化，根據(jù)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(xiàn)對液位計的校準。

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、豎直背架和調(diào)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(dǎo)軌和底部直線導(dǎo)軌。安裝平臺底部設(shè)計有調(diào)整墊鐵，調(diào)整墊鐵放置于地基上，分別置于平臺四角處，通過調(diào)整螺栓實現(xiàn)設(shè)備調(diào)平。

2.3 液位計夾持調(diào)整系統(tǒng)

液位計夾持調(diào)整系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)軌運動方向平行。

2.4 浮子運動控制系統(tǒng)

浮子運動控制系統(tǒng)包括傳動導(dǎo)軌、滑臺、導(dǎo)軌直線度調(diào)整塊、電機和傳感器。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，用于安裝固定傳動導(dǎo)軌并調(diào)整導(dǎo)軌直線度。電機安裝于傳動導(dǎo)軌頂端，帶動安裝在滑臺上的浮子沿傳動導(dǎo)軌運行方向移動。

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)軌傳動方向平行且對稱布置，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 測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)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(dǎo)軌一側(cè)，用于記錄位移。控制柜分別連接電機、讀數(shù)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(huán)等不同運動模式。計算機連接控制柜，內(nèi)裝控制與數(shù)據(jù)分析處理軟件，主要用來實現(xiàn)測量時的位置控制、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)管理與報告生成等功能。

3 測量過程

3.1 液位計安裝調(diào)整

在校準磁致伸縮液位計之前，需進行相關(guān)位置調(diào)整，以保證設(shè)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(diào)整裝置整體水平，通過調(diào)整安裝平臺底部的墊鐵來實現(xiàn)安裝平臺的水平調(diào)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(tài)。

然后調(diào)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(dǎo)軌方向調(diào)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(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(qū)動傳動導(dǎo)軌上的滑臺沿傳動導(dǎo)軌上下移動，在滑臺移動過程中通過讀數(shù)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(dǎo)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(xiàn)對磁致伸縮液位計的校準功能。

檢測工作通過控制與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境監(jiān)控模塊、直線運動控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。測量系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖3所示。

通過應(yīng)用軟件可準確且高效地實現(xiàn)液位計測量時的位置控制、光柵尺數(shù)據(jù)和液位計數(shù)據(jù)采集與處理、溫度數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)管理與報告生成等功能。

圖3 測量系統(tǒng)模塊關(guān)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(diào)平后浮子應(yīng)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(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)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(diào)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(shù)值。設(shè)此時液位計軸向與鉛垂線的夾角為θ。

產(chǎn)生的偏移量S和處于測量范圍內(nèi)的量程H與實際量程L的關(guān)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(jīng)過計算θ≈0.57°，對于0～2 m量程范圍內(nèi)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(nèi)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(nèi)的磁致伸縮液位計而言，由于頂部液位計夾持裝置結(jié)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(nèi)。但為進一步提高測量精度，避免因人工安裝產(chǎn)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(dǎo)軌上下移動，適應(yīng)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(guān)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(diào)平誤差、液位計測量重復(fù)性和分辨力帶來的誤差，以及來自現(xiàn)場環(huán)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(chǎn)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(diào)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(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(fù)性不確定度分量［9］

液位計本身的重復(fù)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(xiàn)場環(huán)境的沖擊振動、磁場等因素帶來的誤差，設(shè)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(dǎo)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(jīng)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(shù)指標

5 結(jié)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(xiàn)液位計的高效安裝及調(diào)整，通過豎直導(dǎo)軌系統(tǒng)自動實現(xiàn)浮子的上下定點移動，利用專用控制軟件實現(xiàn)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(shè)備占地面積小等優(yōu)點，有較高實際應(yīng)用價值。