浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

吳凱，姜璋，李志剛，金榮品

（1. 國(guó)防科技工業(yè)大容量一級(jí)計(jì)量站，上海 201203；2. 海軍裝備部駐上海第一軍代表室，上海 201203）

0 前言

浮子式液位計(jì)因其精度高、 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于液面測(cè)量領(lǐng)域［1］。目前，液位計(jì)檢定都是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件差別大，使用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的數(shù)據(jù)不能保證浮子式液位計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的精度一致。 針對(duì)此問(wèn)題，利用高精度傳感器結(jié)合輔助設(shè)備設(shè)計(jì)出浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，確保液位計(jì)安裝后的精度準(zhǔn)確可靠。

1 液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 浮子式液位計(jì)的工作原理

浮子式液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，工作時(shí)其電路部分將在波導(dǎo)絲上激勵(lì)出脈沖信號(hào)，該信號(hào)沿波導(dǎo)絲傳播并在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，液位計(jì)導(dǎo)桿外配有一浮子，浮子可以沿導(dǎo)桿隨液位的變化而上下滑動(dòng)。 在浮子內(nèi)部有一組永久磁鐵。 當(dāng)脈沖磁場(chǎng)與浮子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相遇時(shí)，浮子周圍的磁場(chǎng)發(fā)生改變，產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波脈沖，這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回并由超聲換能器檢出。 通過(guò)測(cè)量脈沖信號(hào)與扭轉(zhuǎn)波的時(shí)間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置［2］。

圖1 浮子式液位計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2 浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在工作狀態(tài)下，浮子式液位計(jì)可以實(shí)時(shí)得到液體的高度，要想得到液位計(jì)的示值誤差，就必須對(duì)浮子式液位計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，如圖2 所示。 浮子式液位計(jì)自動(dòng)檢校裝置基于光電測(cè)量原理，采用精密測(cè)距儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，機(jī)械裝置用來(lái)提升浮球，模擬浮球在液面上的運(yùn)動(dòng)，再結(jié)合精密雙軸電子補(bǔ)償器對(duì)精密測(cè)距儀的距離值進(jìn)行改正。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量工作效率，整個(gè)測(cè)量過(guò)程實(shí)時(shí)連續(xù)，避免了以往注水等待時(shí)間；另一方面，通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)量過(guò)程，避免了人工控制的影響，有利于提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

校準(zhǔn)方法采用光電測(cè)距原理，利用精密測(cè)距儀作為主標(biāo)準(zhǔn)管。 使用機(jī)械裝置提升浮球，滿足全量程的檢校要求，并結(jié)合傾斜補(bǔ)償器修正測(cè)量過(guò)程中的傾斜誤差。 該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則有以下3個(gè)方面：

1） 校準(zhǔn)的快速性。 使用精密測(cè)距儀、傾斜傳感器和機(jī)械裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼卷尺、人工注水提升浮球等液位測(cè)量設(shè)備和方法， 提高實(shí)際應(yīng)用精度，縮短校準(zhǔn)時(shí)間。

2）校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。利用精密測(cè)距儀作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器，通過(guò)傾斜傳感器對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器和提升裝置進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，保證了校準(zhǔn)系統(tǒng)的精度。

3）校準(zhǔn)的便利性。校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)多在油罐或者船艙內(nèi)部，因此要求整個(gè)校準(zhǔn)裝置具有一定的便攜性和防爆功能。 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理自動(dòng)化，降低人為因素的影響，也能減小現(xiàn)場(chǎng)人員工作量。

1.3 浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置組成

設(shè)計(jì)完成的一套便攜式現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置， 具有攜帶便捷、安裝方便、穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。校準(zhǔn)裝置中以精密測(cè)距儀作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)， 基本原理是通過(guò)精密測(cè)距儀得到距離參考值， 同時(shí)浮子式液位計(jì)自身測(cè)得液位值， 將距離參考值與液位值進(jìn)行比對(duì)，得到校準(zhǔn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)浮子式液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

圖4 所示為校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)組成示意圖。

圖4 校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)組成示意圖

從圖4 可以看出，浮球提升裝置通過(guò)3 個(gè)腳支撐與地面接觸， 提升裝置中間伸縮桿與地面分離，伸縮桿頂部配有圓水準(zhǔn)器，通過(guò)調(diào)節(jié)3 個(gè)腳支撐調(diào)平圓水準(zhǔn)器。 提升裝置采用氣動(dòng)提升方式工作，為了防止測(cè)量過(guò)程中伸縮桿下滑，伸縮桿伸長(zhǎng)至一定長(zhǎng)度后可以鎖死， 避免伸縮桿下滑帶來(lái)測(cè)量偏差。提升裝置的加工工藝、伸縮桿之間存在間隙等原因?qū)е马敯逶谔嵘^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)小幅度的傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致棱鏡在垂直方向出現(xiàn)移動(dòng)，帶來(lái)測(cè)量偏差。 為了補(bǔ)償頂板傾斜帶來(lái)的偏差，在棱鏡上方安置1 臺(tái)傾斜補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)測(cè)量頂板與水平面的夾角，通過(guò)棱鏡與浮球中心的距離求出偏差值，對(duì)精密測(cè)距儀的測(cè)距值進(jìn)行改正。

浮球在液面上的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殂U垂線方向，因此， 精密測(cè)距儀的測(cè)距軸線方向也應(yīng)為鉛垂線方向。 精密測(cè)距儀的安裝誤差和平移基座的制造誤差等原因?qū)е聹y(cè)距軸線與鉛垂線不平行，為了補(bǔ)償該偏差帶來(lái)的影響， 測(cè)距儀內(nèi)置1 臺(tái)傾斜補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)距軸線的傾斜角，將測(cè)距值歸算至鉛垂線方向。 由于頂板的傾斜導(dǎo)致在校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)距儀不能精確照準(zhǔn)棱鏡中心， 在測(cè)距儀底部安裝平移基座，通過(guò)調(diào)節(jié)基座使測(cè)距儀精確照準(zhǔn)棱鏡中心。 通過(guò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集測(cè)距儀激光點(diǎn)與棱鏡中心的重合度，實(shí)現(xiàn)了照準(zhǔn)的可視化。 該系統(tǒng)PC 端通過(guò)測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)儀器的指令發(fā)送和數(shù)據(jù)采集，軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有距離值、液位值、角度值和溫度值，測(cè)量軟件通過(guò)多源數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差解算，求得液位值與參考值的偏差值，最后對(duì)液位值和偏差值進(jìn)行擬合和內(nèi)插，得到液位計(jì)在全量程范圍內(nèi)的修正值并輸出修正表。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

液位計(jì)在使用過(guò)程中由于測(cè)試環(huán)境、裝置調(diào)整以及人為操作影響會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，在精度分析前需排除系統(tǒng)誤差影響。 在數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量過(guò)程中，如有個(gè)別數(shù)據(jù)與其他的有明顯差異，則其中可能含有粗大誤差，要對(duì)其進(jìn)行正確判斷和處理，獲得客觀測(cè)量數(shù)據(jù)。 確定多個(gè)有效測(cè)量數(shù)據(jù)后，可以對(duì)浮子式液位計(jì)進(jìn)行精度分析并計(jì)算其不確定度。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)液位計(jì)進(jìn)行浮球上行和下行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1 系統(tǒng)誤差判別

用不同公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，比較判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是否存在系統(tǒng)誤差。 按照貝塞爾公式計(jì)算誤差σ1，見(jiàn)式（1）。

式中：vi為殘差，vi=xi-；n 為自由度。

按照別捷爾斯公式計(jì)算誤差σ2，見(jiàn)式（2）。

式中：vi為殘差為自由度。

2.2 粗差判別

按照3σ（萊以特準(zhǔn)則）對(duì)粗差進(jìn)行判斷和剔除，需比較Δmax和3σ 的大小，｜。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，Δmax=0.78，σ1=0.444，3σ1=1.33，Δmax＜3σ1， 所以無(wú)粗差。

2.3 精度分析

該系統(tǒng)以精密測(cè)距值作為液位計(jì)參考值， 故通過(guò)均方根誤差（root mean square error，RMSE）評(píng)定系統(tǒng)精度，經(jīng)計(jì)算得RMSE=0.444 mm，液位計(jì)測(cè)試精度滿足其標(biāo)稱精度。 通過(guò)對(duì)精度為±1 mm 的浮子式液位計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)， 驗(yàn)證了校準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 不確定度分析

測(cè)量不確定度是指對(duì)測(cè)量結(jié)果不能肯定的程度，它反映了被測(cè)量“真值”的不足。 經(jīng)測(cè)量，合理地賦予被測(cè)量的值不是唯一的， 而是有許多個(gè)可能的值，“真值”在何處并不知道，只可能獲知一個(gè)最佳估計(jì)值，而“真值”是在最佳估計(jì)值的一個(gè)不確定度范圍內(nèi)。 這就需要考慮眾多分量對(duì)測(cè)量結(jié)果分散的總的影響，從以下幾方面因素進(jìn)行分析：

2.4.1 精密激光測(cè)距儀上的讀數(shù)引起的不確定度分量

精密激光測(cè)距儀的測(cè)距精度達(dá)到±（200 μm +0.2 μm/m），按最大測(cè)距6 m 計(jì)算，則精密激光測(cè)距儀的測(cè)距精度為±0.2012 mm。 當(dāng)已知xi估計(jì)值在（b-～b+）范圍內(nèi)概率分布，可由已知的或假設(shè)的概率分布確定包含因子k。ui=（b+-b-）/2k。假設(shè)其服從均勻分布（下同）， 則此不確定分量u1=0.2012/=0.116 mm。

2.4.2 雙軸傾斜補(bǔ)償器引起的不確定度分量

雙軸傾斜補(bǔ)償器的測(cè)角精度達(dá)到±1″，按最大測(cè)距6 m 計(jì)算， 則雙軸傾斜補(bǔ)償器的測(cè)距精度為±0.03 mm。 假設(shè)其服從均勻分布，則此不確定分量=0.017 mm。

2.4.3 反射標(biāo)靶水平度引起的不確定度分量

反射標(biāo)靶的水平度擬采用自動(dòng)安平技術(shù)，利用自動(dòng)安平裝置進(jìn)行補(bǔ)償， 其測(cè)角精度達(dá)到±1″，按最大測(cè)距6 m 計(jì)算， 則自動(dòng)補(bǔ)償儀的測(cè)距精度為±0.03 mm。 假設(shè)其服從均勻分布，則此不確定分量=0.017 mm。

2.4.4 常數(shù)標(biāo)定引入的不確定度分量

現(xiàn)場(chǎng)常數(shù)標(biāo)定主要采用高精度的標(biāo)尺或卡尺，其精度可達(dá)到±0.02 mm，服從均勻分布，則此不確定分量=0.012 mm。

2.4.5 浮子測(cè)量的阿貝誤差引起的不確定度分量

由于測(cè)量基準(zhǔn)線以鉛垂線為基準(zhǔn)，測(cè)量軸線是沿導(dǎo)桿方向的，兩軸線不在同一直線上，不符合阿貝原則，故引起阿貝誤差。 由于軸線方向不同，取測(cè)量出浮子式液位計(jì)浮子與固連裝置的接觸點(diǎn)到反射板中心的距離L 的誤差為±1 mm， 偏置角度誤差為±2″，則阿貝誤差為0.007 mm。 假設(shè)其服從均勻分布，故此不確定分量=0.004 mm。

2.4.6 溫度測(cè)量引起的不確定度分量

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，受環(huán)境溫度的影響，浮子式液位計(jì)導(dǎo)桿會(huì)發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，在實(shí)際測(cè)量之前需對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量， 并對(duì)最終測(cè)量結(jié)果修正。

浮子式液位計(jì)導(dǎo)桿的熱脹冷縮程度與導(dǎo)桿材質(zhì)有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，以普通船用鋼最為常見(jiàn)；其溫度修正公式為

式中：Lt為經(jīng)溫度修正后的導(dǎo)桿長(zhǎng)度，m；Lc為浮子式液位計(jì)原位檢校時(shí)的導(dǎo)桿長(zhǎng)度，m；t 為實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中的測(cè)量溫度，℃；tc為浮子式液位計(jì)原位檢校時(shí)的溫度，℃；α 為導(dǎo)桿材料的線膨脹系數(shù)，α=0.000012/℃。

ut=t-tc，溫度測(cè)量不確定度為ut＜0.2℃，則可得長(zhǎng)度為6 m 時(shí)溫度引起的長(zhǎng)度測(cè)量不確定度分量u6=α×ut×Lc=0.0144 mm。

2.4.7 垂直度引起的不確定度分量

按垂直度的不確定度α 為20′， 浮子式液位計(jì)原位檢校時(shí)的導(dǎo)桿長(zhǎng)度L 為6 m 時(shí)引起的測(cè)量不確定度分量u7=L-Lcosα=0.1 mm。

2.4.8 提升裝置不穩(wěn)定引入的不確定度分量

設(shè)提升裝置引起的校準(zhǔn)誤差為±0.2 mm，服從均勻分布，此不確定分量=0.115 mm。

2.4.9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)引入的不確定度分析

表1 數(shù)據(jù)在測(cè)量過(guò)程中也會(huì)有不確定性，由它引入的不確定度分量也需進(jìn)行計(jì)算，此不確定分量。

因此，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

在計(jì)量法規(guī)中，常用擴(kuò)展不確定度U 來(lái)表示，U 定義為測(cè)量結(jié)果分散在某區(qū)間的半寬度， 也就是該測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的幾倍。 這個(gè)倍因子又稱為包含因子，常用k 表示，由于難以確定被測(cè)量值的估計(jì)區(qū)間及其置信水平，根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取k=2， 則擴(kuò)展不確定度為U=2×0.485 mm=0.97 mm，在浮子式液位計(jì)精度范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

高精度浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域中油庫(kù)液罐、船舶液艙等液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作，降低了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的難度，提高了工作效率。 文中介紹了浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的工作原理和系統(tǒng)組成， 通過(guò)分析獲取到的現(xiàn)場(chǎng)液位測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該校準(zhǔn)裝置的可靠性和準(zhǔn)確度，能夠確保液位計(jì)安裝后的測(cè)量精度滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，成功研制高精度浮子式液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，填補(bǔ)了國(guó)防領(lǐng)域液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的技術(shù)空白。