甘蓉 郝罗亮 王歆鑫 饶杰

摘要：随着高精度液位测量仪表的广泛应用，对液位计的量值溯源尤其是液位计检定装置的整体不确定度也有更高的要求。为解决目前采用钢直尺作为主标准器无法满足高精度液位计在JJG971-2002《液位计》中规定（整个检定设备在内的扩展不确定度U₉₅应不超过被检液位计最大允许误差绝对值1/4至1/5的溯源要求）的问题，设计一种采用补偿微压计原理，水准头进行液位精确定位，高精度直线式感应同步器测量水准头位移量，从而准确测出液位变化量的液位计检定装置。通过对装置各部件设计结构带来的不确定度进行综合评定，完全满足检定规程中最高0.02级高精度液位计的量值溯源要求，有效补充高精度液位计的量值溯源难题，保障液位计量值溯源的准确性。

关键词：液位计检定装置;液位计;直线式感应同步器;补偿式微压计

中图分类号：TH89 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）10-0090-06

收稿日期：2019-06-21;收到修改稿日期：2019-07-30

作者简介：甘蓉（1970-），女，四川广安市人，高级工程师，硕士，研究方向为软件工程。

0 引言

液位计作为一种工业级仪表，包括的类型有浮子式、浮球式、浮筒式、压力式、电容式、电导式和反射式等[1]，通常准确度等级都较低。现有的检定装置[2]能对大部分液位计进行量值传递，但随着仪器仪表技术的发展，0.05级及以上的高精度液位计被研发和生产出来。传统的液位计检定装置[3]采用钢直尺作为标准，在零点和液位测量点采用直接读取液位的方式，受限于标准器的最大允许误差和在零点、测量点读取液位值的误差，从而无法达到液位计检定规程要求整个标准装置的扩展不确定度[4]不大于被检液位仪表最大允许误差绝对值1/4的最低要求，无法对高精度液位计进行量值传递。

最大程度地减少标准器的允许误差和读取零位、测量点带来的误差，是液位计检定装置主要技术指标，设计一种补偿法液位计检定装置，与补偿式微压计工作原理[5]类似，分别对基值零位和测量点的液位进行准确测量[6]采用直线式感应同步器[7]作为主标准器，对不确定度的贡献满足装置的整体不确定度的限值范围并能达到量值传递的要求。同时通过设计定位单元来有效减小在检定过程中被检液位计安装垂直度的问题，解决液位计检定中另一个对整体不确定度影响较大的问题。

1 工作原理

装置设计采用直接比较法，通过水准头定位液面准确高度，直接测量容器中的水准头位移量可直接测量出液位的变化量，分别读出标准器和被检液位计的读数计算出基本误差。从不确定度分析得出，影响测量结果主要因素包括零位对准、主标准器误差和安装垂直度3个方面。

在设计时主标准器选用直线式感应同步器，主标准器定尺、标准器定位单元与容器由刚性支架固定，通过标准器定位单元保证主标准器定尺和主容器的垂直度。在被检液位计安装盘处设计被检器定位单元，通过被检器定位单元使被测液位计与主容器垂直度保持一致。在定位单元的干涉下，能有效控制主标准器和被检液位计安装垂直度带来的不确定度分量。运动部分通过步进电机[8]驱动反U型导杆，带动水准头和滑尺沿垂直方向移动，反U型导杆采用一体，并无连接部分，保证了滑尺和水准头的相对位移量完全相同。通过定位单元保证垂直度，水准头定位液面，再通过直线感应同步器测得水准头位移量，即可测得液位的变化量，即标准值，从而得到的被测液位计示值与标准器示值之差为被测液位计的示值误差，装置结构图如图1所示。

2 系统组成

补偿法液位计检定装置主要由测量系统、垂直定位系统和控制系统组成。测量系统主要包括直线式感应同步器和水准头，定位系统由主标准器定位单元和被检器定位单元组成，控制系统由步进电机、水泵、微调容器组成。

2.1 测量系统

直线式感应同步器主要用于准确测量与其滑尺相连的水准头的位移量，水准头主要用于精确定位液面高度。

2.1.1 直线式感应同步器

主标准器选用比光栅尺更为准确的直线式感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于高精度机加工行业，用作车床的主要测量标准，其特点为精度高、可靠、抗干扰能力强、测量长度不受限制、使用寿命长、维护简单、成本低。主要由定尺与滑尺组成，绕组为等距排列。它的可动部分为滑尺、不动部分为定尺。采用电磁原理，在滑尺繞组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺的绕组中产生了感应电压，其幅值和相位决定于定尺和滑尺的相对位置。

根据JB/T3587-1996《标准型和窄型直线式感应同步器基本参数和技术要求》要求，即使误差最大的直线式感应同步器最大误差也仅为7.5μm[9]，且直线式感应同步器输出信号可为数字信号，在显示器上直接读出，分辨率最大为1μm。

2.1.2 水准头

主要原理通过反光镜面反射观测桶内的水准头与液面接触情况，视水准头尖与其倒影的影尖相接表示读数零点，如图2所示;同理，将水准头移动至一定高度用同样方法可准确测量该测量点工作位置。而水准头的位移距离，为零点液位与测量点上的液位差值，准确反映液位计测得的实际液位。

水准头采用补偿式微压计原理使用的水准头作为零位和测量点工作位置参考，该方法经过补偿式微压计多年论证，稳定可靠。水准头的选用能满足零位误差和测量点误差不确定度的要求，能有效降低整个液位计检定装置的整体不确定度。

水准头与直线式感应同步器滑尺通过反U型导轨连接成整体，再和测微螺杆连接。此结构使得水准头的位移距离即为直线式感应同步器滑尺的位移距离，且测微螺杆能对直线式感应同步器滑尺进行微调。

2.2 垂直定位系统

首先分析垂直度对液位计检定中带来的不确定度影响，具体分析方法如下：

当安装垂直度偏离最大投影角B度时，测得液位值与标准液位值函数关系，通过下式计算：

△H_标=l_a/cosθ-l_a（1）

式中：△H_标——被测液位计显示液位值与标准液位值的差值，mm;

l_a——标准液位值，mm;

θ——偏离垂线最大投影角，（°）。

根据余弦函数表cos1°=0.999848，得到当垂直度偏离1°时，在1m时的偏移量为0.15mm，这对于测量范围为1m、准确度等级0.02级、最大允许误差为0.2mm的液位计无疑是一个不可接受的偏移量。由于最大投影角无法测量，所以采用修正该误差的方法不可行。

垂直定位系统主要由标准器定位单元和被检器定位单元两部分构成。

2.2.1 标准器定位单元

标准器定位单元与铅锤原理相似，主要由重锤和刻度盘构成，通过调节四角水平调节螺母调节重锤标线至刻度盘中线位置时，标准器安装垂直。

2.2.2 被检器定位单元

被检器定位单元由四向微调夹紧单元实现，由主安装盘、限位盘、红外线发射器和4个微调螺母构成，其中主安装盘用于固定被检液位计，安装盘与限位盘中心距为垂直状态，通过调节4个微调螺母使安装盘四周的4个红外线发射器分别对准限位盘上垂直位置的垂直限位孔（已调整垂直度），当4个限位孔下端均有红外线穿透时，证明被测液位计已经安装垂直（见图3）。

用此方法调节安装垂直度直观、准确。底端限位盘上的限位孔直径为3mm，当顶端安装盘上的4组红外线均透过底端限位盘的限位孔时，底端限位盘中心点与顶端安装盘中心点垂直投影点的距离l_c≤3mm，相对于1m量程的液位计垂直度误差用式（2）计算，得出误差值为0.005mm，该误差满足对装置整体不确定度的要求。

式中：△H_被——被测液位计显示液位值与标准液位值的差值，mm;

l_c——液位计顶端与底端在水平面上垂直投影点的距离，mm。

2.3 控制系统

控制系统分为标准器控制单元和液位控制单元，标准器控制单元主要由步进电机和对应的执行部分组成，液位控制单元由粗调部分和活塞微调部分组成。

2.3.1 标准器控制单元

标准器控制单元通过粗调按钮使步进电机带动直线感应同步器滑尺至被测点附近，再通过微调按钮准确调整滑尺位置至被测点。

2.3.2 液位控制单元

液位控制单元主要由粗调部分和微调部分构成。其中粗调部分为水泵、控制盒、阀门和管路，通过控制盒启动潜水泵，开启升液阀门即可使液位上升，开启回液阀门即可使液位下降。

微调部分底端与主容器相连，形成粗细不同的U管，单微调容器上端可通过排气阀密闭。主要作用是微调液位，内径为100mm，横截面积约为主容器横截面积的1/9，该设计为提高微调精度。当在附件微调容器上端施加一定的气压，根据U管原理，主容器端液位上升，因为两容器横截面积不同，附加微调容器能更为精确地调整主容器中的液位高度。

3 装置计量性能测试

装置的测试数据来源于直线感应同步器，直线感应同步器经校准后在2000mm的全量程范围内误差为7.5μm，对整个装置的不确定度贡献在理想范围内。因测量点读数为视觉读数，每一个检定员习惯不同可能会带来不同的视觉误差，现任选下限附近、50%附近和上限附近3个液位点由6位不同的检定员进行升降水准头5个循环读数（见表1～表3）。

可以看出，在全量程内，装置的重复性误差[10]和人员视觉误差都表明装置具有良好的重复性，结合直线感应同步器的高精度测量，在整个量程范围内整个装置具有稳定、准确的计量性能。

液位计测量装置根据各组成部分的环境条件要求，得出使用环境温度为20℃±5℃，温度波动不大于0.2℃/h，相对湿度小于90%。介质选取为自来水，对于浮球式、浮力式、磁致伸缩式、导波雷达式、压强式、反射式液位计均能满足，单电极、双电极或同轴电极等带绝缘保护套的电容式液位计也能满足测量条件。

4 装置不确定度分析

以JJG971-2002选取的2000mm的检定装置为例，能对0.02级1000mm以上液位计进行量值溯源的检定装置整体不确定度必须达到U₉₅=0.05mm。在此前提下，做出不确定度分析[8]，不确定度分量汇总见表4。

合成标准装置引入的不确定度u_c（l）为

当置信区间为95%时，取k=2，则扩展不确定度为

U₉₅=0.030mm（4）

根据不确定分析得出，整个构成检定装置的扩展不确定度为U₉₅=0.030mm，检定测量范围0～1m，0.02级被检液位计的最大允许误差为0.200mm。根据JJG971-2002要求“整个检定设备在内的扩展不确定度U₉₅不超过被检液位计最大允许误差绝对值的1/4～1/5”，按照最高1/5的要求计算，高精度补偿法液位计检定装置完全满足检定0.02级液位计的要求，可以作为标准器使用。

5 结束语

本文提出的高精度补偿法液位计检定装置，完全满足JJG971-2002的相关要求，作为检定装置，具有优良的计量性能，对主标准器进行量值溯源简单、便捷。有效补充了目前高精度液位计无法有效溯源的问题，使得液位计的量值溯源更加可靠和可行，对目前液位计检定装置不能溯源的液位计是一个有效、及时的补充，大大增加了液位计检定规程的可操作性和严谨性。

同时从设计结构出发，考虑到对今后进行全自动化的改造，可对滑尺部分电机通过加入执行软件对步进电机进行控制，在液位微调部分也可以通过步进电机实现相同的功能，为半自动化到全自动化的升级充分预留了空间。

参考文献

[1]液位计：JJG 971-2002[S].北京：中国计量出版社，2002.

[2]宫风顺，程振来，潘志刚，等.液位计检定装置的研究[J].中国计量，2005（3）：52-53.

[3]吉喆，丁宏升，米尚言，等.一种液位计自动检定装置的设计[J].中国计量，2018（7）：77-79.

[4]国家质量技术监督局计量司.测量不确定度评定与表示指南[M].北京：中国计量出版社，2000：10-20.

[5]甘蓉，李雁灵.如何使用补偿式微压计进行压力检测[J].中国测试技术，2004，30（6）：101-102.

[6]何亚洲，张强，赵峰，等.液位计自動检测装置的研制[J].中国测试，2012，38（2）：73-76.

[7]曾乐乐.直线式感应同步器[J].科技风，2018（34）：144.

[8]田秋实，赵鹏.步进电机控制器设计[J].中国科技信息，2019（14）：69-71.

[9]直线感应同步器的误差分析[J].机床与液压，1977（5）：37-47.

[10]陈玉华，林来宾.测量系统重复性误差和重现性误差的分析方法[J].电子质量，2007（11）：53-55.

（编辑：李刚）