吳凱，姜璋，李志剛，金榮品

（1. 國防科技工業(yè)大容量一級計量站，上海 201203；2. 海軍裝備部駐上海第一軍代表室，上海 201203）

0 前言

浮子式液位計因其精度高、 環(huán)境適應(yīng)性強、安裝方便等特點被廣泛應(yīng)用于液面測量領(lǐng)域［1］。目前，液位計檢定都是在實驗室環(huán)境下進行的，由于實驗室環(huán)境條件與現(xiàn)場環(huán)境條件差別大，使用實驗室標(biāo)定的數(shù)據(jù)不能保證浮子式液位計與現(xiàn)場實際使用的精度一致。 針對此問題，利用高精度傳感器結(jié)合輔助設(shè)備設(shè)計出浮子式液位計現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，確保液位計安裝后的精度準(zhǔn)確可靠。

1 液位計現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)設(shè)計

1.1 浮子式液位計的工作原理

浮子式液位計結(jié)構(gòu)如圖1 所示，工作時其電路部分將在波導(dǎo)絲上激勵出脈沖信號，該信號沿波導(dǎo)絲傳播并在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生脈沖磁場，液位計導(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。 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，浮子周圍的磁場發(fā)生改變，產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回并由超聲換能器檢出。 通過測量脈沖信號與扭轉(zhuǎn)波的時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 浮子式液位計結(jié)構(gòu)圖

1.2 浮子式液位計現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

在工作狀態(tài)下，浮子式液位計可以實時得到液體的高度，要想得到液位計的示值誤差，就必須對浮子式液位計進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，如圖2 所示。 浮子式液位計自動檢校裝置基于光電測量原理，采用精密測距儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，機械裝置用來提升浮球，模擬浮球在液面上的運動，再結(jié)合精密雙軸電子補償器對精密測距儀的距離值進行改正。 這種方法的優(yōu)點在于可以提高現(xiàn)場計量工作效率，整個測量過程實時連續(xù)，避免了以往注水等待時間；另一方面，通過計算機測控系統(tǒng)監(jiān)測整個測量過程，避免了人工控制的影響，有利于提高測量準(zhǔn)確度。

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

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

浮子式液位計現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計原則有以下3個方面：

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

2）校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。利用精密測距儀作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器，通過傾斜傳感器對長度標(biāo)準(zhǔn)器和提升裝置進行傾斜補償，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)場多在油罐或者船艙內(nèi)部，因此要求整個校準(zhǔn)裝置具有一定的便攜性和防爆功能。 系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理自動化，降低人為因素的影響，也能減小現(xiàn)場人員工作量。

1.3 浮子式液位計現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置組成

設(shè)計完成的一套便攜式現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置， 具有攜帶便捷、安裝方便、穩(wěn)定性高、操作簡單等特點。校準(zhǔn)裝置中以精密測距儀作為長度基準(zhǔn)， 基本原理是通過精密測距儀得到距離參考值， 同時浮子式液位計自身測得液位值， 將距離參考值與液位值進行比對，得到校準(zhǔn)結(jié)果，實現(xiàn)浮子式液位計的現(xiàn)場校準(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3 個腳支撐與地面接觸， 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，通過調(diào)節(jié)3 個腳支撐調(diào)平圓水準(zhǔn)器。 提升裝置采用氣動提升方式工作，為了防止測量過程中伸縮桿下滑，伸縮桿伸長至一定長度后可以鎖死， 避免伸縮桿下滑帶來測量偏差。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^程中會出現(xiàn)小幅度的傾斜，進而導(dǎo)致棱鏡在垂直方向出現(xiàn)移動，帶來測量偏差。 為了補償頂板傾斜帶來的偏差，在棱鏡上方安置1 臺傾斜補償器，實時測量頂板與水平面的夾角，通過棱鏡與浮球中心的距離求出偏差值，對精密測距儀的測距值進行改正。

浮球在液面上的運動方向為鉛垂線方向，因此， 精密測距儀的測距軸線方向也應(yīng)為鉛垂線方向。 精密測距儀的安裝誤差和平移基座的制造誤差等原因?qū)е聹y距軸線與鉛垂線不平行，為了補償該偏差帶來的影響， 測距儀內(nèi)置1 臺傾斜補償器，實時測量測距軸線的傾斜角，將測距值歸算至鉛垂線方向。 由于頂板的傾斜導(dǎo)致在校準(zhǔn)過程中測距儀不能精確照準(zhǔn)棱鏡中心， 在測距儀底部安裝平移基座，通過調(diào)節(jié)基座使測距儀精確照準(zhǔn)棱鏡中心。 通過攝像機實時采集測距儀激光點與棱鏡中心的重合度，實現(xiàn)了照準(zhǔn)的可視化。 該系統(tǒng)PC 端通過測量軟件實現(xiàn)對各個儀器的指令發(fā)送和數(shù)據(jù)采集，軟件對采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示并存入數(shù)據(jù)庫。 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有距離值、液位值、角度值和溫度值，測量軟件通過多源數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差解算，求得液位值與參考值的偏差值，最后對液位值和偏差值進行擬合和內(nèi)插，得到液位計在全量程范圍內(nèi)的修正值并輸出修正表。

2 實驗驗證

液位計在使用過程中由于測試環(huán)境、裝置調(diào)整以及人為操作影響會產(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)測量過程中，如有個別數(shù)據(jù)與其他的有明顯差異，則其中可能含有粗大誤差，要對其進行正確判斷和處理，獲得客觀測量數(shù)據(jù)。 確定多個有效測量數(shù)據(jù)后，可以對浮子式液位計進行精度分析并計算其不確定度。

現(xiàn)場測試對液位計進行浮球上行和下行測試，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

2.1 系統(tǒng)誤差判別

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

式中：vi為殘差，vi=xi-；n 為自由度。

按照別捷爾斯公式計算誤差σ2，見式（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）對粗差進行判斷和剔除，需比較Δmax和3σ 的大小，｜。 實驗數(shù)據(jù)中，Δmax=0.78，σ1=0.444，3σ1=1.33，Δmax＜3σ1， 所以無粗差。

2.3 精度分析

該系統(tǒng)以精密測距值作為液位計參考值， 故通過均方根誤差（root mean square error，RMSE）評定系統(tǒng)精度，經(jīng)計算得RMSE=0.444 mm，液位計測試精度滿足其標(biāo)稱精度。 通過對精度為±1 mm 的浮子式液位計進行現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗， 驗證了校準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 不確定度分析

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

2.4.1 精密激光測距儀上的讀數(shù)引起的不確定度分量

精密激光測距儀的測距精度達到±（200 μm +0.2 μm/m），按最大測距6 m 計算，則精密激光測距儀的測距精度為±0.2012 mm。 當(dāng)已知xi估計值在（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 雙軸傾斜補償器引起的不確定度分量

雙軸傾斜補償器的測角精度達到±1″，按最大測距6 m 計算， 則雙軸傾斜補償器的測距精度為±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安平技術(shù)，利用自動安平裝置進行補償， 其測角精度達到±1″，按最大測距6 m 計算， 則自動補償儀的測距精度為±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 浮子測量的阿貝誤差引起的不確定度分量

由于測量基準(zhǔn)線以鉛垂線為基準(zhǔn)，測量軸線是沿導(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，取測量出浮子式液位計浮子與固連裝置的接觸點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 溫度測量引起的不確定度分量

在現(xiàn)場測量過程中，受環(huán)境溫度的影響，浮子式液位計導(dǎo)桿會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，在實際測量之前需對環(huán)境溫度進行測量， 并對最終測量結(jié)果修正。

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

式中：Lt為經(jīng)溫度修正后的導(dǎo)桿長度，m；Lc為浮子式液位計原位檢校時的導(dǎo)桿長度，m；t 為實際運用過程中的測量溫度，℃；tc為浮子式液位計原位檢校時的溫度，℃；α 為導(dǎo)桿材料的線膨脹系數(shù)，α=0.000012/℃。

ut=t-tc，溫度測量不確定度為ut＜0.2℃，則可得長度為6 m 時溫度引起的長度測量不確定度分量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′， 浮子式液位計原位檢校時的導(dǎo)桿長度L 為6 m 時引起的測量不確定度分量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 實驗數(shù)據(jù)引入的不確定度分析

表1 數(shù)據(jù)在測量過程中也會有不確定性，由它引入的不確定度分量也需進行計算，此不確定分量。

因此，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

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

3 結(jié)語

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