液位儀表常用于過程控制中的液位檢測。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、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)測量范圍內(nèi), 直至液位升降到測量上下限。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應(yīng)。

2) 比較法[4]。比較法是利用高一級(jí)別的長度計(jì)量儀器去檢定和校準(zhǔn)液位計(jì)。高一級(jí)別的長度計(jì)量儀器通常選用高精度激光測距儀、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、國家計(jì)量院) 對該液位計(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。

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。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)脈沖磁場與浮子產(chǎn)生的磁場相遇時(shí), 浮子周圍的磁場發(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]。

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, 長度計(jì)量儀器精度應(yīng)不大于±0.1 mm。

2) 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)對浮子式液位計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn), 且浮子式液位計(jì)多在油庫油罐等環(huán)境使用, 故所用儀器和裝置應(yīng)具有便攜、安裝方便、操作簡單等特點(diǎn)和防爆等功能。根據(jù)現(xiàn)場測試環(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)場光線較暗, 還應(yīng)考慮測距過程中儀器的精密照準(zhǔn)問題。

系統(tǒng)硬件由精密測距儀、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距儀, 由于在測量過程中頂板會(huì)發(fā)生傾斜導(dǎo)致棱鏡發(fā)生一定的偏離, 故將測距儀置于可平移基座上, 確保測距儀可以精確地對準(zhǔn)棱鏡中心。精密測距儀、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。

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、垂直度測量模塊、聯(lián)機(jī)測量模塊、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)、測量時(shí)間、測量地點(diǎn)、測量人員和測量次數(shù)等基本信息。垂直度測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)測量模塊對液位計(jì)、精密測距儀和電子傾斜儀進(jìn)行聯(lián)機(jī)測量, 通過軟件向儀器發(fā)送指令, 對獲取的數(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。數(shù)據(jù)解算模塊主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并輸出報(bào)表, 其中包括精密測距儀的垂線偏差, 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)管理模塊是對原始數(shù)據(jù)和解算的結(jié)果進(jìn)行查看和刪除操作。

液位計(jì)在現(xiàn)場安裝過程中, 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。

θ=arccos6000−0.36000≈0.57°.         (1)$\theta =\arccos \frac{6000–0.3}{6000}\approx 0.57°.(1)$

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, 現(xiàn)場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)${\rm H}{}_{{\rm Z}}=({\rm H}{}_{{\rm Z}L}+{\rm H}{}_{{\rm Z}R})/2.(2)$

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

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

?????xi=(SsinVL+R)cosHZ,yi=(SsinVL+R)sinHZ,zi=ScosVL.         (3)$\{\begin{array}{l}x{}_i=(S\text{s}\text{i}\text{n}V{}_L+R)\cos {\rm H}{}_{{\rm Z}},\\ y{}_i=(S\text{s}\text{i}\text{n}V{}_L+R)\sin {\rm H}{}_{{\rm Z}},\\ z{}_i=S\text{c}\text{o}\text{s}V{}_L.\end{array}(3)$

式中:R為導(dǎo)桿的半徑。

為保證導(dǎo)桿垂直度的測量精度, 應(yīng)盡可能觀測浮子式液位計(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。

精密測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距軸線上。調(diào)整測距儀位置, 使其測距軸線與干涉儀的測距軸為同一條直線, 以減小阿貝誤差[8], 避免增加更多的誤差來源。

開始時(shí), 小車置于測距儀端, 將干涉儀示值置零, 測距儀測量第一個(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), 直至小車距離測距儀10.5 m處。將測距儀的相對移動(dòng)值與干涉儀的參考值進(jìn)行比對[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, 測距儀的精度超出了系統(tǒng)要求。

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, 可以確定該測距儀存在系統(tǒng)誤差。通過最小二乘法對誤差進(jìn)行線性擬合, 擬合直線的方程為:

y=0.01617x+0.02.         (4)$y=0.01617x+0.02.(4)$

式中:x為測距儀距離, 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。

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

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

Δ=L−H=L−Lcosα.         (5)$\text{Δ}=L–{\rm H}=L–L\text{c}\text{o}\text{s}\alpha .(5)$

式中:α可由精密測距儀內(nèi)的電子傾斜儀測量得出。

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)$\gamma =D\times \sin \beta .(6)$

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)差比較法判斷測量數(shù)據(jù)是否存在系統(tǒng)誤差。

按照白塞爾[10]公式計(jì)算中誤差為:

σ1=∑i=1nv2in−1−−−−√.         (7)$\sigma {}_1=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}v}{}_i^2}{n–1}}.(7)$

按別捷爾斯公式:

σ2=1.253∑i=1n|vi|n(n−1)√.         (8)$\sigma {}_2=1.253\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|v{}_i\right|}}{\sqrt{n(n–1)}}.(8)$

令σ2σ1=1+μ.         (9)若|μ|≥2n−1√.         (10)$\begin{array}{l}\text{令}\frac{\sigma {}_2}{\sigma {}_1}=1+\mu .(9)\\ \text{若}\left|\mu \right|\ge \frac{2}{\sqrt{n–1}}.(10)\end{array}$

則說明測量中存在系統(tǒng)誤差。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中, n=14,2n−1√=0.55$n=14,\frac{2}{\sqrt{n–1}}=0.55$mm, 表2是對液位計(jì)系統(tǒng)誤差的分析結(jié)果。

2) 粗差的判別。在測量中, 粗差主要是由測量條件異常變化產(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) 對粗差進(jìn)行判斷和剔除[12]。表3是對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的粗差分析結(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)測試精度滿足其標(biāo)稱精度。通過對精度為±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)行的測試, 沒有在低溫和高溫條件下測試, 如果該系統(tǒng)用來測量高溫或低溫液體的液位, 性能需要進(jìn)一步測試, 溫度的變化會(huì)對系統(tǒng)和液位計(jì)精度產(chǎn)生一定的影響[13]。

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, 自動(dòng)完成對液位計(jì)的校準(zhǔn)。該方法不僅減小人員和環(huán)境對液位計(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。