目前的液位計(jì)檢定裝置主要存在兩方面的不足:一是多為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量環(huán)境, 而且多為橫向的檢尺臺(tái)進(jìn)行檢定, 不能夠真實(shí)的模擬液位計(jì)的實(shí)際工作環(huán)境和工作狀態(tài);二是即使為豎向的檢定裝置, 但量程一般不超過(guò)6米, 與目前大型儲(chǔ)罐一般12~25 m相比, 對(duì)液位計(jì)主要量程的覆蓋不夠全面。文章將介紹我單位自主研發(fā)的液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置, 對(duì)上述的兩方面不足均進(jìn)行了改良, 能夠給出常用量程下液位計(jì)的真實(shí)計(jì)量性能。

 

　　0、引言：

 

　　隨著石油化工行業(yè)智能化的發(fā)展, 液位計(jì)在石油化工大型儲(chǔ)罐的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。儲(chǔ)罐用自動(dòng)類(lèi)型液位計(jì)是安裝在大型儲(chǔ)罐上能夠自動(dòng)連續(xù)測(cè)量液體高度 (空高或液面高度) 的儀表。由于液位計(jì)的計(jì)量性能關(guān)系到油品交接過(guò)程中的準(zhǔn)確程度, 進(jìn)而對(duì)單位的效益和安全有較大影響。如何能夠?qū)Σ煌瑥S(chǎng)商、不同類(lèi)型、不同測(cè)量原理的液位計(jì)進(jìn)行客觀(guān)、真實(shí)的檢定的需求變得日益迫切起來(lái)。我單位在建立液位計(jì)型式評(píng)價(jià)中心的過(guò)程中, 通過(guò)大量調(diào)研液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況、液位計(jì)產(chǎn)品的現(xiàn)狀, 以及已有液位計(jì)檢定裝置的檢定條件、檢定方法, 并綜合國(guó)際上對(duì)液位計(jì)產(chǎn)品的要求[1], 研究并建立了一套液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置。本裝置的主要特點(diǎn)有:一是豎向檢定液位計(jì), 真實(shí)再現(xiàn)了液位計(jì)的實(shí)際工作狀態(tài);二是標(biāo)準(zhǔn)裝置覆蓋的量程***高可達(dá)25 m, 滿(mǎn)足市場(chǎng)上儲(chǔ)罐用自動(dòng)液位計(jì)的主要量程;三是采用激光干涉儀作為主標(biāo)準(zhǔn)器, 與一般的檢定裝置采用一級(jí)鋼直尺不同, 具有非常高的準(zhǔn)確度;四是采用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行全程的檢定數(shù)據(jù)采集、液位控制, 自動(dòng)化程度高。

 

　　本文首先了介紹液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成情況, 接下來(lái)介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式, ***后給出標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定結(jié)果的不確定度分析。

 

　　1、液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成：

 

　　液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置[2]由激光干涉儀、自由態(tài)雙浮子和25 m高立式儲(chǔ)罐構(gòu)成, 如圖1所示。將激光干涉儀的激光發(fā)射裝置安裝在儲(chǔ)罐罐頂, 激光發(fā)射器垂直向下發(fā)射, 照準(zhǔn)安裝在雙浮子中的全反射棱鏡。自由態(tài)雙浮子由內(nèi)外浮子構(gòu)成, 如圖2所示。內(nèi)浮子內(nèi)安裝全反射棱鏡, 如圖3所示, 可以反射儲(chǔ)罐頂部激光發(fā)射器所發(fā)出的激光束, 從而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。內(nèi)外浮子間通過(guò)支桿進(jìn)行分隔, 從而保證內(nèi)浮子隨液位進(jìn)行自由波動(dòng)的同時(shí), 始終處于外浮子的內(nèi)徑范圍。外浮子兩側(cè)設(shè)有吊耳, 固定在儲(chǔ)罐上下的兩條導(dǎo)軌穿過(guò)吊耳, 從而約束雙浮子在水平方向的運(yùn)動(dòng)范圍, 保證內(nèi)浮子內(nèi)安裝的全反射棱鏡能夠在量程范圍內(nèi)反射激光發(fā)射器所發(fā)出的激光束。儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)有上下計(jì)量板, 下計(jì)量板設(shè)為液位零點(diǎn)。當(dāng)液位變化時(shí), 全反射棱鏡在垂直方向的位移即為液位變化量。激光干涉儀[3]通過(guò)測(cè)量全反射鏡移動(dòng)時(shí)多普勒效應(yīng)引起的頻率變化, 從而得到這一時(shí)刻反射棱鏡的移動(dòng)速度, 再計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)全反射棱鏡的位移, 從而得出液位測(cè)量值。通過(guò)將液位測(cè)量值與待檢液位計(jì)的測(cè)量值在全量程范圍均勻選取幾個(gè)液位點(diǎn)作差, 從而得出待檢液位計(jì)的***大允許誤差。

 

　　

 

　　圖1 液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖

 

　　

 

　　圖2 自由態(tài)雙浮子連接剖面示意圖

 

　　

 

　　圖3 內(nèi)浮子及全反射棱鏡安裝示意圖

 

　　2、控制系統(tǒng)概述：

 

　　液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的液位控制和液位測(cè)量由PLC控制系統(tǒng)[4]進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集?？刂葡到y(tǒng)示意圖如圖4所示。

 

　　

 

　　圖4 液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)示意圖

 

　　其中立式儲(chǔ)罐頂部安裝激光干涉儀和待檢液位計(jì), 二者的測(cè)量值通過(guò)通信模塊傳回中控室。在液位變化過(guò)程中, PLC控制系統(tǒng)可以通過(guò)激光干涉儀測(cè)量值的反饋來(lái)控制主泵、控制泵、閥門(mén)進(jìn)行工作。主泵主要用于液位的粗略控制, 當(dāng)液位逼近設(shè)定液位值時(shí), 關(guān)閉主泵, 啟動(dòng)控制泵, 由于控制泵流量非常小, 能夠比較地控制液位, 從而使立式儲(chǔ)罐液位達(dá)到指定液位設(shè)定值。在液位上升和下降過(guò)程中, 通過(guò)遠(yuǎn)程切換閥門(mén)的開(kāi)啟和閉合, 能夠使測(cè)量介質(zhì)在蓄水池和立式儲(chǔ)罐間雙向運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)雙泵雙向, 從而實(shí)現(xiàn)液位設(shè)定值的雙向控制。

 

　　3、不確定度評(píng)定：

 

　　根據(jù)前文描述, 液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置在全量程范圍內(nèi)均勻選取幾個(gè)液位測(cè)量點(diǎn), 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量值和待檢液位計(jì)測(cè)量值之間的差值, 得出全量程范圍內(nèi)待檢液位計(jì)的***大允許誤差。

 

　　3.1、數(shù)學(xué)模型：

 

　　液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的數(shù)學(xué)模型為:

　　式中:Δ為特定液位點(diǎn)誤差;y'為待檢液位計(jì)示值;x為標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量值。

 

　　3.2、測(cè)量不確定度的主要來(lái)源：

 

　　3.2.1、液位計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u (y')：

 

　　液位計(jì)的不確定度[5]主要是由液位計(jì)重復(fù)性、分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度, 重復(fù)性的不確定度采用A類(lèi)方法評(píng)定, 分辨力的不確定度采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定, 液位計(jì)的重復(fù)性可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到, 按照檢定規(guī)程[6]要求, 在全量程范圍內(nèi)選擇一固定的液位測(cè)量點(diǎn), 10次讀取待檢液位計(jì)的測(cè)量值為10.310 1、10.310 9、10.310 2、10.310 6、10.311 1、10.310 9、10.310 2、10.310 1、10.309 4、10.310 2 m。

 

　　根據(jù)貝塞爾公式, 得出標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

　　液位計(jì)分辨力為0.1 mm, 在此區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布, 包含因子k取, 則:

　　液位計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

　　3.2.2、液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u (h0)：

 

　　液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u (h0) 采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定[6]。

　　3.2.3、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算：

 

　　數(shù)學(xué)模型:Δ=y'-x

 

　　靈敏系數(shù):

 

　　各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

 

　　因而合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下:

 

　　輸入量y'、x彼此獨(dú)立互不相關(guān), 所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式計(jì)算得到:

 

　　

 

　　表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

　　擴(kuò)展不確定度評(píng)定如下:

 

　　取包含因子k=2, 液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為:

　　3.3 測(cè)量不確定度報(bào)告與表示

 

　　液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為:

　　4、結(jié)束語(yǔ)：

 

　　本文對(duì)液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成、控制系統(tǒng)以及測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了說(shuō)明和分析, 得出本裝置能夠?qū)Ω呔纫何挥?jì)進(jìn)行示值誤差方面的檢定, 并通過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)裝置中的液位, 能夠在量程范圍內(nèi)均勻的液位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量工作, 基本覆蓋待檢液位計(jì)的量程。本檢定裝置的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在測(cè)量精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好, 并能夠真實(shí)模擬液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境和工作狀態(tài), 與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室橫向檢定大量程液位計(jì)相比, 能夠更加真實(shí)地再現(xiàn)液位計(jì)的具體工作環(huán)境, 并為液位計(jì)的離線(xiàn)檢定系統(tǒng)的研發(fā)提供了啟示和技術(shù)支撐。