相對位移法液位測試平臺的設(shè)計與評價

王 旺,劉 源,胡鶴鳴,謝代梁

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國計量科學(xué)研究院,北京 100019)

在儲罐、明渠、水工模型試驗等參數(shù)監(jiān)測和貿(mào)易結(jié)算中,液位是非常重要的參數(shù)?；诟鞣N測量原理,許多類型的液位計被設(shè)計制造并廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)場[1]。這些液位計設(shè)計出廠前均需要進行測試、校準(zhǔn),其測試結(jié)果直接影響著液位計的現(xiàn)場測量準(zhǔn)確度[2]。

目前對于液位測試、校準(zhǔn)主要是利用水箱或水塔所模擬的不同液位,再通過標(biāo)準(zhǔn)尺、壓差等方法得到一系列標(biāo)準(zhǔn)液位去跟液位計測得液位對比,進而實現(xiàn)對液位計的測試、校準(zhǔn)[3]。標(biāo)準(zhǔn)尺法在對精度要求不高的液位計進行測試、校準(zhǔn)時,應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)JJG971-2002液位計檢定規(guī)程[4],液位計檢定方法為水箱法。通過調(diào)節(jié)檢定水箱的進水量模擬不同的液位,并以標(biāo)準(zhǔn)尺的讀數(shù)變化量作為標(biāo)準(zhǔn)液位值,進而實現(xiàn)對液位計的測試、校準(zhǔn)。但這種方法存在著操作不便、讀數(shù)與人經(jīng)驗有關(guān)及精度較低等缺點。并不適用于高精度液位計的測試、校準(zhǔn)。壓差法指在不同的液位條件下,測其壓力,通過壓差值去對液位計進行測試、校準(zhǔn),但壓力跟現(xiàn)場溫度變化等因素相關(guān),操作起來存在一定的局限性,并且精度不高。

目前液位測試裝置有浮子式液位測試裝置及位移平臺測試裝置等[5]。張海林等[6]曾基于大量程的浮子式液位計測試、校準(zhǔn)需求,研制了一套針對大量程的浮子式液位計的測試、校準(zhǔn)裝置,因受制于液位模擬控制的精確度,并且其不確定度跟浮子重心、激光測距儀的光路等因素有關(guān)[7],故該裝置擴展不確定度為k=2時不大于2 mm。陳漢松等[8]基于超聲明渠流量計的在線校準(zhǔn),利用相對位移法,研制了水位模擬校準(zhǔn)平臺裝置,其裝置最大允許絕對誤差為0.2 mm。在用于現(xiàn)場的測試、校準(zhǔn)時,需將裝置放在水槽并調(diào)節(jié)水平,因此伺服電機控制可能會影響測量點的平臺穩(wěn)定性。相對位移法技術(shù)核心是如何保證相對位移的測量精度和測量位置的穩(wěn)定性,以及可溯源性。此外,為了使液位計測試方便并提高測試效率,自動化測試也是設(shè)備設(shè)計的重點問題之一。對一些高精度液位測量現(xiàn)場,例如水工模型試驗,由于水工模型試驗是縮尺模型,其水位測量誤差一般不高于0.1 mm[9]。因此,這種現(xiàn)場高精度液位計的測試、校準(zhǔn),對于測試裝置精度要求達到了μm量級,所以研制出一套達到μm精度、可溯源的高精度液位測試裝置,針對一些高精度液位計的測試分析就非常必要。

本文基于相對位移法,研究了一種高精度液位計測試方法。從測試原理、設(shè)計思想以及誤差評價等3個方面對液位測試平臺的搭建與性能進行了研究,并基于自主研制的高精度液位測試平臺對一款商用磁致伸縮液位計進行了寬范圍的測試實驗。

1 裝置原理及設(shè)計方案

1.1 液位計的測試原理

相對位移法測試液位計的基本原理是在特定水箱環(huán)境內(nèi),通過精密位移裝置帶動液位計在豎直方向上做運動形成的相對位移以模擬液面變化。測試時,每到達一個預(yù)定的相對液位即停止運動,記錄一段時間內(nèi)的穩(wěn)定或波動液面,以標(biāo)準(zhǔn)相對位移的結(jié)果作為參考值。相對位移法對液位計測試過程如圖1。

圖1 相對位移法測試原理Figure 1 Test principle of relative displacement method

相對位移所計算的標(biāo)準(zhǔn)液位值與液位值的測量段數(shù)據(jù)在進行處理時,為了保證數(shù)據(jù)更加精確,去掉每個測量段前后不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)再進行統(tǒng)計平均。液位計在測量每個不同的液位時,與相對位移值計算的標(biāo)準(zhǔn)液位進行比較,進行分析液位計測量性能。

利用測試平臺帶動液位計在水箱豎直方向移動模擬液位時,為了保證相對位移的準(zhǔn)確性,需要考慮到位移平臺在每個測量段靜止是否能保證絕對穩(wěn)定,且重力對其影響是否能忽略以及液位計在水箱中上下移動體積所引起的高度變化等因素。重力對于平臺穩(wěn)定性的影響,可采用測試時改變運動方向(從上到下)或通過電機使能控制的方法解決。

此外,部分插入式液位計的實心長度桿(例如磁致伸縮液位計)上下移動時的體積變化所引起的水箱液位高度變化可通過公式計算出高度修正系數(shù),對相對位移進行修正。其修正系數(shù)α如式(1):

(1)

式(1)中,d指長度桿直徑,D指測試水箱內(nèi)徑。

因此,高精度液位測試平臺需要滿足幾個條件:

1)移動臺在每個測試段能保持穩(wěn)定;

2)移動臺能夠提供任意步長的位移;

3)提供高精度參考標(biāo)準(zhǔn);

4)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試。

1.2 設(shè)計原理及方案

液位測試平臺的設(shè)計原理基于相對位移法,利用旋轉(zhuǎn)型伺服電機帶動絲桿從而使得豎直導(dǎo)軌移動臺完成上下移動的動作,同時伺服單元能夠精確地控制旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn),使得移動臺對液位計進行測試時能夠保證每個測試段的平臺位置穩(wěn)定。同時,通過上位機界面程序的合理設(shè)計使得測試平臺能夠進行自動化測試,提高測試效率。并且部分液位測量現(xiàn)場(水工模型試驗)對于液位計的測量誤差通常不超過0.1 mm。對于這類高精度的液位計的測試分析,通常要求測試平臺能夠達到0.1 mm以下甚至微米的精度。

高精度液位測試平臺由伺服驅(qū)動系統(tǒng)、長約為1.4 m的豎直導(dǎo)軌、支架、夾持機構(gòu)、移動臺、水平調(diào)節(jié)機構(gòu)、激光干涉儀、對光棱鏡(固定在導(dǎo)軌平臺右側(cè))、垂直調(diào)節(jié)機構(gòu)、限位保護等組成,其裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 液位測試平臺Figure 2 Liquid level test platform

1.2.1 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器主要由伺服電機及伺服單元組成[10],如圖3。其主要功能是伺服電機通過與導(dǎo)軌內(nèi)部絲桿一端連接以帶動移動臺上下移動,配合伺服單元,從而使得移動臺運動配合測試水箱以模擬不同的液位。因此伺服驅(qū)動機的性能直接決定著其移動臺步長精度。伺服電機為旋轉(zhuǎn)型、中慣量、低速、大轉(zhuǎn)矩電機,配合伺服單元,能夠?qū)σ苿优_的位置與速度進行控制。伺服單元為模擬量電壓,脈沖序列指令型,它能夠設(shè)定伺服電機的參數(shù),同時對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控,如處于異常狀態(tài)時,通過伺服單位指示燈顯示字符串進行報警。并且伺服單元接口能夠?qū)崿F(xiàn)與PC上位機的通信,可利用編寫的上位機界面完成對移動臺的控制。因此,伺服驅(qū)動器是控制導(dǎo)軌移動臺精密運動的重要部件。

圖3 伺服驅(qū)動器Figure 3 Servo drive

液位計在不同的測量段進行測試,伺服驅(qū)動器在控制移動臺到達不同的位置時,由于重力作用,會影響移動臺在每個測量段位置的穩(wěn)定性。為了降低此影響,伺服單元在每個等待測量段部分時間內(nèi)設(shè)定電機為使能狀態(tài),保證移動臺在每個測量段位置的精度,以保證相對位移的準(zhǔn)確性。

1.2.2 主軸驅(qū)動的線性軸導(dǎo)軌

豎直導(dǎo)軌的主要功能是對移動臺起著支撐、導(dǎo)向、降低摩擦等作用,如圖4。豎直導(dǎo)軌由移動臺、導(dǎo)向器、夾持機構(gòu)、滾珠絲桿驅(qū)動主軸構(gòu)成。導(dǎo)向器由鋁制矩形輪廓組成,其中集成了兩個滾輪導(dǎo)向器。安裝在其上的移動臺通過帶有分配的導(dǎo)向螺母的旋轉(zhuǎn)絲杠移動。使用導(dǎo)向螺母固定器,當(dāng)線性單元并聯(lián)分配或兩個滑架在一個單元上移動時,滑架的對稱性可以對齊。導(dǎo)向器上的開口覆蓋有三個蓋板,可保護驅(qū)動器免受濺水和灰塵的侵害。

圖4 主軸驅(qū)動線性軸導(dǎo)軌Figure 4 Spindle drive linear axis guide

對于測試平臺性能而言,導(dǎo)軌驅(qū)動方式及重復(fù)性精度會對定位精度有著直接的影響。并且存在對液位計做重復(fù)性測試的需求,因此對導(dǎo)軌的重復(fù)精度也有一定的要求。而選用的滾珠絲桿主軸驅(qū)動方式正適合高精度的定位,重復(fù)精度可達0.025 mm。其特點是效率高、摩擦小、高驅(qū)動剛性和重復(fù)精度高,這樣可以將分離扭矩和驅(qū)動扭矩降至最低。配合伺服驅(qū)動系統(tǒng)使用,可以保證相對位移模擬的準(zhǔn)確性和高定位精度。

1.2.3 限位保護

限位保護的主要作用是防止移動臺在高精度液位測試平臺豎直導(dǎo)軌上下移動時,發(fā)生超程現(xiàn)象導(dǎo)致測試平臺損壞。因此需要在豎直導(dǎo)軌正反行程處分別加裝限位保護,實物如圖5。其工作原理如下:移動臺在豎直導(dǎo)軌上下移動時,當(dāng)移動臺向上運動(或者向下運動)時,接觸到限位保護的滑動式開關(guān)時,限位保護會使得伺服電機斷電以啟動超程保護裝置,此時移動臺會停止不再運動,達到防止移動臺運動超程的作用。與此同時,伺服單元顯示屏及上位機界面程序此時均會顯示P-OT(接觸上限位開關(guān))或者N-OT(接觸下限位開關(guān))指示報警。

圖5 限位保護Figure 5 Limit protection

1.2.4 PC上位機界面

PC上位機界面基于C++中Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架編寫,串口數(shù)據(jù)傳輸采用基于RS232的串口通訊,以此實現(xiàn)軟件對移動臺在導(dǎo)軌上運行進行控制。為了使得液位計測試方便及自動化測試,上位機界面模塊主要分為五個部分:測試參數(shù)設(shè)置模塊、測試狀態(tài)監(jiān)控模塊、實時速度位置模塊、電機狀態(tài)監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊等,各模塊的功能如下:

1)測試參數(shù)設(shè)置模塊:包括對測試時的總測試行程、每段相對位移標(biāo)準(zhǔn)值(分段距離)、移動速度、每個測量段的等待時間、測試實驗重復(fù)次數(shù);

2)測試狀態(tài)監(jiān)控模塊:對測試實驗的過程進行監(jiān)控,主要包括工況進度參數(shù)進行監(jiān)控;

3)實時速度位置模塊:包括移動臺當(dāng)前的位置和速度信息;

4)電機狀態(tài)監(jiān)控模塊:主要對電機的運行狀況進行監(jiān)控,包括電機運行異常、故障、通電與否進行監(jiān)控;

5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊:對測試數(shù)據(jù)保存導(dǎo)出。

PC上位機界面測試參數(shù)界面可設(shè)置液位計測試實驗要求的工況信息,測試參數(shù)界面如圖6?？蓪σ何挥嬤M行重復(fù)性實驗,當(dāng)完成一次測試實驗時,移動臺可回到起始位置并進行下一次的重復(fù)測試,并且測試過程中的信息都能通過狀態(tài)模塊里進行觀察。上位機界面控制程序能夠?qū)Υ郎y液位計進行自動化測試,提高測試效率。

圖6 測試參數(shù)設(shè)置界面Figure 6 Test parameter setting interface

2 測試平臺的性能評價方法

2.1 測試方向的優(yōu)選

測試平臺受重力作用會發(fā)生自然下墜,從而給平臺的穩(wěn)定性造成一定影響。在進行液位計測試時,通過電機使能和抱閘等方式提高平臺絕對位置的穩(wěn)定性,但是其在分段測試時的維持保持能力尚需要驗證。

采用了超聲液位計(插入式)在靜液面的環(huán)境下利用高精度液位測試平臺進行了測試,其超聲液位計液位測量誤差小于0.1 mm(900 mm測量范圍),分辨力能達到1 μm。在50～250 mm測量范圍內(nèi),以兩個運動方向(向下及向上)將超聲液位計固定于移動臺并以10 mm/s的速度做步長為10 mm的分段運動,每個測量段等待足夠時間(60 s),分析兩種運動方向下部分測量段數(shù)據(jù),以每個測量臺階的數(shù)據(jù)變化判斷平臺位置是否穩(wěn)定。圖7為測試過程圖。

圖7 測試過程Figure 7 Testing process

圖8為不同運動方向同一測量段臺階的局部放大圖,根據(jù)測量段數(shù)據(jù)可以看出:移動臺向下運行時,在一個測量段中,移動臺保持穩(wěn)定,一個測量段中平臺位置變化在1 μm以內(nèi);移動臺向上運動時,電機使能生效期間,平臺位置較為穩(wěn)定,位置變化小于0.5 μm。電機使能關(guān)閉時,在重力的作用下,平臺會有明顯的下墜現(xiàn)象。平臺位置變化量跟測量段時間成正比,60 s內(nèi)移動臺位置變化在6 μm左右。

圖8 不同運動方向局部測量段放大Figure 8 Local measurement section zoom in different directions of motion

在對液位計進行測試時,為了降低平臺位置變化對測量結(jié)果造成的影響,應(yīng)以從上到下的運動方向?qū)ζ湓跍y試水箱中進行測試。若需移動臺以向上的運動方向?qū)ζ溥M行測試,由于電機使能生效期間能夠有效地控制位置變化在0.5 μm以內(nèi),可通過設(shè)置每個測量段時間在使能生效范圍內(nèi),并取其生效期間液位計測得數(shù)據(jù)均值進行計算,降低重力作用下對其位置變化造成的影響。

2.2 基于激光跟蹤儀的誤差評定

提出了一種空間測量方法,空間測量方法利用了高精度幾何測量設(shè)備激光跟蹤儀(依照校準(zhǔn)報告可知激光跟蹤儀的空間測量精度為15 μm+5 μm/m)。激光跟蹤儀主要由測量主機、靶球、溫度壓力補償傳感器等構(gòu)成[11],線性測量范圍在0～100 m。

其方法原理如下:將激光跟蹤儀的測量靶球固定在導(dǎo)軌移動臺上,通過上位機界面控制移動臺以設(shè)定的步長使得其以向下的方向進行移動。當(dāng)導(dǎo)軌移動臺每移動一個步長時,靶球會捕捉到一個三維坐標(biāo)。將移動臺步長與跟蹤儀在每個步長段的三維坐標(biāo)進行分析比較,觀察其結(jié)果。評價實驗示意如圖9。

圖9 激光跟蹤儀實驗示意圖Figure 9 Laser tracker experiment schematic

利用激光跟蹤儀對高精度液位測試裝置的移動臺向下的運動方向進行了測試,并以20 mm和50 mm作為測試步長,在1 000 mm的范圍內(nèi)進行了兩組實驗,不同工況下的累積誤差曲線如圖10?？梢钥闯?移動臺向下運動時,在1 000 mm左右行程范圍內(nèi),其累積示值誤差在30 μm以內(nèi);同一方向運動步長差異對導(dǎo)軌平臺累積誤差分布影響較小。

圖10 激光跟蹤儀實驗結(jié)果Figure 10 Laser tracker experiment results

移動臺運動步長存在誤差的原因主要是重力對于移動臺的影響,可通過電機在每個平臺運動段提供使能以保證移動臺穩(wěn)定或改變測試方向等方法,以降低此因素影響。

此外,空間測量儀器激光跟蹤儀的測量精度會受到轉(zhuǎn)角測量、地面水平度等多種因素的影響,而軸線一維線性測量理論上會比空間測量的精度更高,能夠更好地對測試平臺進行溯源并進行誤差判定[12]。

2.3 基于激光干涉儀的誤差評定

提出了沿運動方向軸向的一維線性測量的方法。采用裝置底部的激光干涉儀作為參照,激光干涉儀由干涉儀主機、干涉鏡、干涉儀磁性座、干涉儀反射棱鏡等組成,測量范圍在0～45 m。依照校準(zhǔn)報告可知其線性測量精度可達0.5 μm。利用激光干涉儀高精度的直線度測量能力,對旋轉(zhuǎn)電機控制的移動臺的在豎直導(dǎo)軌運動步長進行評價。

其方法原理如下:將激光干涉儀的對光棱鏡固定在導(dǎo)軌移動臺的右側(cè)進行線性測量,通過上位機控制程序設(shè)置參數(shù)控制導(dǎo)軌的移動,其導(dǎo)軌移動步長和速度可以通過上位機界面程序中進行設(shè)定。當(dāng)導(dǎo)軌每移動程序設(shè)定的步長時,連接激光干涉儀的軟件上采到激光干涉儀所測量的線性坐標(biāo),重復(fù)五次,將設(shè)定步長數(shù)據(jù)與干涉儀在各自對應(yīng)的軟件中所測到的數(shù)據(jù)進行分析,分析其位移精度及重復(fù)性。其評定實驗現(xiàn)場如圖11。

圖11 激光干涉儀實驗實物圖Figure 11 Laser interferometer experiment site

上位機界面控制液位測試平臺以10 mm/s,從上到下,做步長為10 mm的分段運動。每個測量段等待一定的時間以獲取平均線性坐標(biāo),重復(fù)5次測試。圖12為5次干涉儀評價實驗的結(jié)果(分段絕對示值誤差和累積示值誤差),由圖12可見,以10 mm步長運動時的每段絕對示值誤差在2 μm以內(nèi);高精度液位測試平臺在約1 000 mm的測試行程中,其累積誤差小于30 μm,測量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差在1.6 μm以內(nèi)。

圖12 激光干涉儀實驗結(jié)果Figure 12 Laser interferometer experiment results

綜合對比激光跟蹤儀和激光干涉儀評價實驗可知,待測液位計在關(guān)注μm量級的精度時,移動臺步長能作為參照標(biāo)準(zhǔn)對液位計的性能進行分析。在利用導(dǎo)軌步長對液位計進行性能分析時,在關(guān)注更高精度量級時,可選擇導(dǎo)軌脈沖計算的步長或激光干涉儀作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 測試方法確認

3.1 磁致伸縮液位計

磁致伸縮液位計的基本工作原理為:利用浮子表征液面位置,其測量的是超聲波沿波導(dǎo)管傳播至浮子內(nèi)磁性線圈的時間,在不同的液位時獲取不同的時間進而測量液位。主要由長度桿、浮子、控制電路模塊構(gòu)成,其主要特點是使用范圍廣、穩(wěn)定性高、精度高。為了驗證測試方法的可行性,選取了一款商用磁致伸縮液位計利用高精度液位測試平臺進行測試,如圖13。這款液位計的標(biāo)稱精度為0.3 mm(測量范圍在50～1 000 mm)?？梢詼y量的環(huán)境為水、油、乙醇等潔凈液體介質(zhì)。

圖13 EA型磁致伸縮液位計Figure 13 Model EA magnetostrictive level gauge

將磁致伸縮液位計固定在液位測試平臺的移動臺上,實時液位數(shù)據(jù)由Modbus串口通信采集。以高精度液位測試平臺底部的激光干涉儀作為參照標(biāo)準(zhǔn),在50～1 000 mm測量范圍內(nèi),以10 mm/s的速度做步長為10 mm的分段運動。每個測量段等待時間40 s以測量平均液位,并去掉每個測量段前后不穩(wěn)定的數(shù)據(jù),重復(fù)5次。同時激光干涉儀采集導(dǎo)軌的運動坐標(biāo)并計算出標(biāo)準(zhǔn)液位,將兩者數(shù)據(jù)進行對比分析,從測量結(jié)果的示值誤差、重復(fù)性等方面對商用磁致伸縮液位計的性能進行評價,驗證是否達到標(biāo)稱精度水平。

考慮到磁致伸縮液位計的長度桿在測試水箱上下移動體積引起的高度變化,需對其修正系數(shù)進行計算。測試水箱內(nèi)徑D為400 mm,長度桿外徑d為8 mm,經(jīng)過計算,其修正系數(shù)為1.000 4。

3.2 測試結(jié)果

圖14為五次在液位測試平臺實驗室測量范圍(50～1 000 mm)時的累積示值誤差曲線,累積示值誤差曲線能夠直觀地顯示液位計在不同深度處的誤差分布,誤差棒為五次重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差。表1為磁致伸縮液位計部分測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示,磁致伸縮液位計50～1 000 mm范圍測量時,其累積示值誤差在0.16 mm以內(nèi),重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差在0.14 mm以內(nèi),測試結(jié)果在液位計出廠標(biāo)稱的精度范圍內(nèi),能夠滿足使用需求。

圖14 液位測量示值誤差Figure 14 Indication error of liquid level measurement

表1 磁致伸縮液位計部分測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

研究了一種高精度液位計的測試方法,并基于相對位移法,搭建了一套高精度液位測試平臺。對其設(shè)計原理、平臺穩(wěn)定性影響、誤差評定等方面進行了深入地研究,并利用商用磁致伸縮液位計在平臺上進行測試以確認其測試方法的可行性。其主要結(jié)論如下。

1)電機使能控制測量段的位置變化在0.5 μm以內(nèi);平臺克服重力運動時,向下運動比向上運動更容易得到穩(wěn)定的測量段,穩(wěn)定段內(nèi)的波動小于1 μm。對液位計進行測試時,應(yīng)選取向下的運動方向?qū)ζ溥M行測試。

2)高精度液位測量平臺位移行程在1 000 mm范圍時,其累積示值誤差小于30 μm;以10 mm步長分段運行時,其分段絕對誤差能控制2 μm以內(nèi)。測試平臺的相對位移值能夠溯源到國家基準(zhǔn)。

3)測試平臺能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試,能滿足高精度液位計的測試需求。