浮子式液位計(jì)原位校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究

王德利，范百興，李祥云，蘇雪龍

(1.信息工程大學(xué),河南 鄭州 450000;2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院 上海 200000)

液位儀表常用于過程控制中的液位檢測(cè)。近年來，由于液位儀表精度和液位計(jì)量自動(dòng)化要求的不斷提高，使液位儀表廣泛應(yīng)用于液位測(cè)量領(lǐng)域[1]。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)用于油庫(kù)、貨輪、造紙等行業(yè)[2]。

目前，液位計(jì)常見的檢定是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，短量程(2 m以內(nèi))的液位計(jì)一般采用水箱法檢定，中長(zhǎng)量程(2 m以上)的液位計(jì)一般采用比較法檢定。兩種檢定方法如下：

1)水箱法[3]。檢定前，用水平儀檢查主水箱底座及有機(jī)玻璃管支架是否水平。安裝待檢液位計(jì)并調(diào)整安裝精度，進(jìn)行正、反行程檢定，進(jìn)行逐點(diǎn)控制并讀數(shù)，使檢定點(diǎn)均勻分布在被檢液位計(jì)整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，直至液位升降到測(cè)量上下限。在示值檢定過程的同時(shí)，調(diào)整電信號(hào)示值，使之與其檢定值一一對(duì)應(yīng)。

2)比較法[4]。比較法是利用高一級(jí)別的長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器去檢定和校準(zhǔn)液位計(jì)。高一級(jí)別的長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器通常選用高精度激光測(cè)距儀、雙頻激光干涉儀、光柵尺和磁柵尺等一系列高精度儀器。將被檢液位計(jì)拆卸之后，運(yùn)輸?shù)礁咭患?jí)別的檢定單位(省計(jì)量院、國(guó)家計(jì)量院)對(duì)該液位計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，期間可能由于運(yùn)輸、安裝等不確定因素對(duì)被檢液位計(jì)本身和其檢定結(jié)果造成一定的影響。

液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝完成以后標(biāo)注的是在實(shí)驗(yàn)室安裝環(huán)境下的參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件差別較大，液位計(jì)的安裝精度也很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的要求，而安裝后對(duì)液位計(jì)進(jìn)行調(diào)試也只是確保量程上、下限的準(zhǔn)確度，未做過現(xiàn)場(chǎng)全量程的校準(zhǔn)，導(dǎo)致浮子式液位計(jì)在實(shí)際使用中出現(xiàn)計(jì)量不可靠的問題。針對(duì)此問題，本文設(shè)計(jì)了一套浮子式液位計(jì)原位校準(zhǔn)系統(tǒng)，確保液位計(jì)安裝后的精度準(zhǔn)確可靠。

1 浮子式液位計(jì)原位校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

1.1 浮子式液位計(jì)測(cè)量原理

浮子式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，液位計(jì)的傳感器工作時(shí)，傳感器的電路部分將在波導(dǎo)絲上激勵(lì)出脈沖信號(hào)，該信號(hào)沿波導(dǎo)絲傳播時(shí)會(huì)在波導(dǎo)絲的周圍產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。在液位計(jì)的傳感器導(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)生改變使得由磁致伸縮材料做成的波導(dǎo)絲在浮子所在的位置產(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[5]。

圖1 浮子式液位計(jì)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了方便攜帶和運(yùn)輸，一般6 m以上量程的液位計(jì)采用柔性軟纜材料，6 m以內(nèi)量程的液位計(jì)采用不銹鋼鋼管材料。浮子式液位計(jì)根據(jù)測(cè)量精度可分為毫米級(jí)和亞毫米級(jí)。

1)系統(tǒng)精度設(shè)計(jì)。本文針對(duì)量程為0～6 m、精度為±1 mm的液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)計(jì)量學(xué)理論，標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度應(yīng)該高出被檢設(shè)備的0.3～1個(gè)數(shù)量級(jí)，故校準(zhǔn)裝置精度應(yīng)不大于±0.3 mm，長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器精度應(yīng)不大于±0.1 mm。

2)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)對(duì)浮子式液位計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，且浮子式液位計(jì)多在油庫(kù)油罐等環(huán)境使用，故所用儀器和裝置應(yīng)具有便攜、安裝方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)和防爆等功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境，系統(tǒng)采用提升裝置托舉浮子模擬浮子在液面的運(yùn)動(dòng)。

浮子上下滑動(dòng)過程中，因提升裝置制造誤差等原因，頂板會(huì)發(fā)生傾斜，故應(yīng)補(bǔ)償頂板傾斜帶來的偏差。液面靜止時(shí)為水平面，浮子隨液面上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為鉛垂線，故浮子的移動(dòng)距離應(yīng)歸算至鉛垂線上。由于校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)光線較暗，還應(yīng)考慮測(cè)距過程中儀器的精密照準(zhǔn)問題。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1—提升裝置;2—攝像機(jī);3—頂板;4—電子傾斜儀5—反射棱鏡;6—浮子式液位計(jì);7—液位計(jì)顯示器8—精密測(cè)距儀(內(nèi)置電子傾斜儀);9—可平移基座10—TLINK控制器;11—PC機(jī)圖2 系統(tǒng)硬件組成示意圖

系統(tǒng)硬件由精密測(cè)距儀、可平移基座、電子傾斜儀、提升裝置以及頂部裝置等組成，如圖2所示。提升裝置有三個(gè)可調(diào)節(jié)支撐腳，伸縮桿頂端安置圓水準(zhǔn)器，通過調(diào)節(jié)支撐腳螺桿將伸縮桿調(diào)至鉛垂方向。提升裝置一端連接頂板，另一端設(shè)置配重，頂板中間有凹槽，凹槽可以放入液位計(jì)導(dǎo)桿中并托起浮子，使浮子上下滑動(dòng)。頂板下部安裝測(cè)距儀配套的棱鏡和攝像機(jī)，上部安裝電子傾斜儀。棱鏡正下方安裝精密測(cè)距儀，由于在測(cè)量過程中頂板會(huì)發(fā)生傾斜導(dǎo)致棱鏡發(fā)生一定的偏離，故將測(cè)距儀置于可平移基座上，確保測(cè)距儀可以精確地對(duì)準(zhǔn)棱鏡中心。精密測(cè)距儀、電子傾斜儀和液位計(jì)通過TLINK控制器與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)儀器的供電、指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的傳輸。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)液位計(jì)原位校準(zhǔn)的要求，軟件劃分為5個(gè)模塊，分別為工程屬性模塊、垂直度測(cè)量模塊、聯(lián)機(jī)測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)解算模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊。工程屬性模塊記錄液位計(jì)的型號(hào)、液位計(jì)的編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量地點(diǎn)、測(cè)量人員和測(cè)量次數(shù)等基本信息。垂直度測(cè)量模塊利用全站儀獲取導(dǎo)桿中心點(diǎn)坐標(biāo)，通過最小二乘原理擬合導(dǎo)桿的空間軸線并計(jì)算其方程，最終解算擬合軸線的直線度和垂直度[6]。聯(lián)機(jī)測(cè)量模塊對(duì)液位計(jì)、精密測(cè)距儀和電子傾斜儀進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)量，通過軟件向儀器發(fā)送指令，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和預(yù)處理，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)解算模塊主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并輸出報(bào)表，其中包括精密測(cè)距儀的垂線偏差，頂板的傾斜偏差等，最后通過多源數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，得到液位計(jì)在不同量程范圍內(nèi)的改正值。數(shù)據(jù)管理模塊是對(duì)原始數(shù)據(jù)和解算的結(jié)果進(jìn)行查看和刪除操作。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)桿垂直度測(cè)量

液位計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，由于加工誤差以及人為因素的影響會(huì)出現(xiàn)安裝誤差。如圖3所示，液位計(jì)安裝完成以后，液位計(jì)的導(dǎo)桿應(yīng)與鉛垂線平行，由于安裝誤差導(dǎo)致導(dǎo)桿與鉛垂線方向存在夾角θ，待校準(zhǔn)液位計(jì)量程為0～6 m、精度±1 mm，根據(jù)誤差影響“忽略不計(jì)原則”，液位計(jì)豎直時(shí)與液位計(jì)傾斜時(shí)量程差應(yīng)不超過0.3 mm，故計(jì)算夾角θ。

(1)

圖3 液位計(jì)安裝示意圖

因此，校準(zhǔn)前應(yīng)首先檢驗(yàn)液位計(jì)的安裝精度，若液位計(jì)垂直度超過0.57°，則應(yīng)對(duì)液位計(jì)重新進(jìn)行安裝。

液位計(jì)導(dǎo)桿的截面一般為圓形，導(dǎo)桿比較細(xì)長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)無法安裝全站儀的反射棱鏡和反射片，因此利用全站儀的無棱鏡功能[7]，通過測(cè)量一些特征點(diǎn)計(jì)算出導(dǎo)桿圓心坐標(biāo)。

如圖4所示，距離導(dǎo)桿5 m左右架設(shè)全站儀Ti，用全站儀十字絲的豎絲切準(zhǔn)導(dǎo)桿的左邊沿，得到水平角和天頂距角度分別為(HzL，VL)，保持垂直角不變，切準(zhǔn)導(dǎo)桿的右邊沿得到水平角和天頂距角度分別為(HzR，VL)，計(jì)算左右水平角的平均值HZ：

HZ=(HZL+HZR)/2.

(2)

將全站儀定位于(HZ，VL)處，啟用無合作目標(biāo)測(cè)量，得到方位角、天頂距和斜距(HZ，VL，S)。

圖4 導(dǎo)桿中心點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量示意圖

計(jì)算得到導(dǎo)桿中心的點(diǎn)坐標(biāo)Oi(xi,yi,zi)：

(3)

式中：R為導(dǎo)桿的半徑。

為保證導(dǎo)桿垂直度的測(cè)量精度，應(yīng)盡可能觀測(cè)浮子式液位計(jì)導(dǎo)桿的全量程范圍，最后將中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行直線擬合，根據(jù)直線方程計(jì)算出導(dǎo)桿的垂直度。

2.2 精密測(cè)距儀數(shù)據(jù)內(nèi)插與修正

精密測(cè)距儀的精度選用雙頻激光干涉儀氣浮導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)裝置檢定，裝置的不確定度為：U=±(0.2 μm+4.6×10-7L)(L單位為m，K=3)。因此，可將干涉儀的測(cè)距值作為參考值。

如圖5所示，將棱鏡中心與干涉儀的CCR角隅棱鏡中心放置在同一高度且位于干涉儀的測(cè)距軸線上。調(diào)整測(cè)距儀位置，使其測(cè)距軸線與干涉儀的測(cè)距軸為同一條直線，以減小阿貝誤差[8]，避免增加更多的誤差來源。

開始時(shí)，小車置于測(cè)距儀端，將干涉儀示值置零，測(cè)距儀測(cè)量第一個(gè)點(diǎn)，然后向干涉儀方向移動(dòng)小車，每隔0.5 m采集一次數(shù)據(jù)，直至小車距離測(cè)距儀10.5 m處。將測(cè)距儀的相對(duì)移動(dòng)值與干涉儀的參考值進(jìn)行比對(duì)[9]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如圖6所示，經(jīng)計(jì)算均方根誤差為RMS=0.14 mm，測(cè)距儀的精度超出了系統(tǒng)要求。

圖5 檢定方案示意圖

圖6 精密測(cè)距儀誤差折線圖

從圖6中可以看出，誤差期望值并不為零，誤差的分布情況并不符合偶然誤差的特點(diǎn)。經(jīng)過幾次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果與第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別不大。根據(jù)殘余誤差觀察法，可以確定該測(cè)距儀存在系統(tǒng)誤差。通過最小二乘法對(duì)誤差進(jìn)行線性擬合，擬合直線的方程為：

y=0.016 17x+0.02.

(4)

式中：x為測(cè)距儀距離，m，y為改正值，mm。

經(jīng)線性改正后的誤差分布如圖7所示，改正后的均方根誤差為RMS=0.08 mm，經(jīng)線性改正后的精度達(dá)到0.1 mm的系統(tǒng)要求。

2.3 系統(tǒng)傾斜改正

1)測(cè)距軸線傾斜改正。浮子移動(dòng)距離應(yīng)歸算至鉛垂線上，但測(cè)量時(shí)測(cè)距軸線與鉛垂線存在夾角，故對(duì)測(cè)距值進(jìn)行傾斜改正。如圖8所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)測(cè)距儀軸線L與鉛垂線夾角為α?xí)r，會(huì)導(dǎo)致液體深度H測(cè)量不準(zhǔn)確，即二者之間存在差值，其計(jì)算式：

Δ=L-H=L-Lcosα.

(5)

式中：α可由精密測(cè)距儀內(nèi)的電子傾斜儀測(cè)量得出。

2)頂部裝置傾斜改正。由于提升裝置的加工誤差、伸縮桿不垂直等原因?qū)е马敯灏l(fā)生傾斜，引起測(cè)距值的偏差，如圖9所示。

若傾斜前與傾斜后頂板之間的夾角為β，根據(jù)棱鏡中心至浮子中心的距離D，由下式可求得頂板傾斜偏差改正值γ。

γ=D×sinβ.

(6)

圖7 線性改正后的誤差

圖8 測(cè)距儀軸線傾斜示意圖

圖9 頂板傾斜偏差示意圖

3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析。由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)條件的限制，本文對(duì)一個(gè)標(biāo)稱精度為±1 mm、量程為3 m的液位計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為20 ℃，導(dǎo)桿的垂直度為0.346°，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

為了方便直觀判讀和分析，將表1中的數(shù)據(jù)繪制折線圖如圖10所示。

1)系統(tǒng)誤差的判別。用不同公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差比較法判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是否存在系統(tǒng)誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù) mm

按照白塞爾[10]公式計(jì)算中誤差為：

(7)

按別捷爾斯公式：

(8)

圖10 液位計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)折線

(9)

(10)

則說明測(cè)量中存在系統(tǒng)誤差。

表2 系統(tǒng)誤差分析結(jié)果

2)粗差的判別。在測(cè)量中，粗差主要是由測(cè)量條件異常變化產(chǎn)生的誤差，一般以異常值或孤值形式表現(xiàn)出來[11]。本文利用3σ(萊以特準(zhǔn)則)對(duì)粗差進(jìn)行判斷和剔除[12]。表3是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的粗差分析結(jié)果。

表3 粗差分析結(jié)果

3)精度分析。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到，粗差產(chǎn)生的原因是液位計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)跳動(dòng)引起的，將第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的粗差剔除后重新計(jì)算均方根誤差為RMS=0.94 mm，液位計(jì)測(cè)試精度滿足其標(biāo)稱精度。通過對(duì)精度為±1 mm的浮子式液位計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn)，驗(yàn)證了校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

由于條件有限，本系統(tǒng)只是在室溫條件下進(jìn)行的測(cè)試，沒有在低溫和高溫條件下測(cè)試，如果該系統(tǒng)用來測(cè)量高溫或低溫液體的液位，性能需要進(jìn)一步測(cè)試，溫度的變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)和液位計(jì)精度產(chǎn)生一定的影響[13]。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一套浮子式液位計(jì)原位校準(zhǔn)系統(tǒng)，分別對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行介紹，并詳細(xì)論述系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)選用精密測(cè)距儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，通過提升裝置帶動(dòng)浮子模擬液位變化，利用TLINK控制器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、分析、比對(duì)，自動(dòng)完成對(duì)液位計(jì)的校準(zhǔn)。該方法不僅減小人員和環(huán)境對(duì)液位計(jì)精度的影響，而且降低原位校準(zhǔn)的難度，提高工作效率，為浮子式液位計(jì)的原位校準(zhǔn)提供一定的參考和借鑒意義。