摘要：隨著高精度液位測量儀表的廣泛應用，對液（yè）位計的量值溯（sù）源尤其是液位計檢定裝置的整體不（bú）確（què）定度也有更高（gāo）的要求。為解（jiě）決目前采（cǎi）用鋼直尺作為主標準器無法滿足高精度液（yè）位計在JJG971-2002《液（yè）位計》中規定（整個檢定設備在內的擴（kuò）展不確定度U95應（yīng）不超過被檢液位計zui大允許誤差（chà）絕 對值1/4至1/5的溯源要求）的問題，設計一種采用補（bǔ）償微壓計原（yuán）理，水準頭（tóu）進行液位準確定位，高精度直線式感應同（tóng）步器測量水準頭位（wèi）移量（liàng），從而準確測出液位變化量的液位計檢定（dìng）裝置。通（tōng）過對（duì）裝置各（gè）部件設計結構帶來的不確定（dìng）度進行綜（zōng）合評定，完全（quán）滿足檢定（dìng）規程中zui高0.02級高精度液位計的量值溯源要求，有效補充（chōng）高精度液位計的量值溯源難題，保障液位計量值溯源的準確性。

引言

液位計作為一種工業級儀表，包括的類型有（yǒu）浮子（zǐ）式、浮球式、浮筒（tǒng）式、壓（yā）力式、電容式、電（diàn）導式（shì）和反射式等[1]，通常準確度等級都較低。現有的檢定裝置[2]能對大部分液位計進行量值傳遞（dì），但隨著儀器儀表（biǎo）技術的發展，0.05級及以上的高精度液位計被研發和生產出來。傳統的液位計檢定裝置[3]采用鋼直尺作為標準，在零點和液位測量點（diǎn）采用直接讀取液位的方式，受限於標準（zhǔn）器的zui大允許誤差和在零（líng）點、測量點讀取液位值的誤差，從而無法達到液（yè）位計檢定規程（chéng）要（yào）求（qiú）整個標準裝置的擴展不確定（dìng）度[4]不大於被檢液（yè）位儀表zui大允許誤差絕 對值1/4的zui低要（yào）求，無法（fǎ）對高精度（dù）液位計進行量值傳遞。

zui大程度地減少標準器（qì）的允許誤差和讀取零位、測（cè）量點帶來的誤差，是液位計檢定裝置主（zhǔ）要技術指標（biāo），設計一種補償法液位計檢定裝置，與補償式微壓計工作原理（lǐ）[5]類（lèi）似，分別對基值零位和測量點的液位進行準確測量[6]采用直線式（shì）感應（yīng）同步器[7]作為主標準（zhǔn）器，對不確（què）定度的貢獻滿足（zú）裝置（zhì）的整體不確定度的限值範圍並能達（dá）到（dào）量值傳遞（dì）的要求。同時通過設計定（dìng）位單元來有效減小在檢定過程中被檢液位計安裝垂直度的問題，解決（jué）液位計檢定中另一個對整體不確定度影響較大的問題。

1 工作原理

裝置設計采用直接比較法，通過水準頭定位液麵準確高度，直接測量容器中的水（shuǐ）準頭位移量可直接測（cè）量（liàng）出液位的變化量，分別讀（dú）出標準器和被檢液位計的讀數計算出基本誤差（chà）。從不確定度分（fèn）析得出，影響測量結果主要因素（sù）包括零位對準、主標準器誤差和安裝垂直（zhí）度3個方麵。

在設計時主標準器選用直線式感應同步器，主標準器定尺、標準器定位單元與容器由剛性支架固定，通過標準器定位單元保證主標準器定尺和主容器的垂直度。在被檢液位計安裝盤處設計被檢器定位（wèi）單元，通過（guò）被檢（jiǎn）器定位單元使被測（cè）液位計與主容器垂直度保持一致。在定位單元的幹涉下，能有效控製主標準器和被檢液位計安裝垂直度帶來的不確定度分量。運動部分通過步進電機[8]驅動反U型導杆，帶動水準頭和滑尺沿垂直方向移動，反U型導杆（gǎn）采用一體，並無連接部分，保證了滑尺和水（shuǐ）準頭的相（xiàng）對位移量完全相同。通過定位（wèi）單元保證垂直度，水準頭定位液麵，再通過直線感應同步器測得水準頭位（wèi）移量，即可測得液位的變（biàn）化量，即標準值，從而得到的（de）被測液位計示值（zhí）與標準器（qì）示值之差為被測（cè）液位計的示值誤差，裝置結構圖如圖1所示（shì）。

2 係統組成

補償法液（yè）位計檢定裝置主要（yào）由測量係統、垂直定位（wèi）係統（tǒng）和控（kòng）製係統組成。測量係統（tǒng）主要包括直線式感應同步器和水準頭，定位係統由主標準器定位單元（yuán）和被檢器定位（wèi）單元組成（chéng），控製係統由步進電機、水泵、微調容器組成。

2.1 測量係統

直線式感應同步器主要用於準確測量與其滑尺相連（lián）的（de）水準頭的位移量，水準（zhǔn）頭（tóu）主要用於準確定位液麵高度。

2.1.1 直線式感應（yīng）同步器

主標準器選用比光柵尺更為準確的直線式感應同步器（qì）。直線（xiàn）式感應同步器廣泛應用於高精度機加工行業，用作車床的主要測量標準，其特點為精度高、可靠、抗（kàng）幹擾能力強、測量長度不受限製、使用壽命長、維護簡單、成本低。主要由定尺與滑尺組成，繞組為等距（jù）排（pái）列。它的可動（dòng）部分為滑尺（chǐ）、不動部分為定尺。采用電磁原理，在滑尺繞組通以一定（dìng）頻率的交流電壓，由於電磁感應，在定尺（chǐ）的繞組中產生（shēng）了感應電壓（yā），其幅值和相位決定於定尺和滑尺的相對位置。

根據JB/T3587-1996《標準型和窄型直線式感應（yīng）同步（bù）器基本參數和技術（shù）要求》要求，即使誤差（chà）zui大的直線式感應同步器zui大誤差也僅為7.5μm[9]，且直線式感應同步器輸出（chū）信號可為數（shù）字信號，在顯示器上直（zhí）接讀出，分辨率zui大為1μm。

2.1.2 水準（zhǔn）頭

主要原（yuán）理通過反（fǎn）光鏡麵反射觀測桶內的水準頭與液麵接觸情況，視水準頭尖與其倒影的影尖相接表示讀數零點，如圖2所示;同理，將水準頭移動至一定（dìng）高度用同樣方法可準確（què）測量（liàng）該測量點（diǎn）工作位置。而水準頭的位移距離，為零點液位與測量點上的液位（wèi）差值，準確反映液位計測得的實際液（yè）位。

水（shuǐ）準頭采用補償式（shì）微壓計原理使用的水準頭作為零位和測量點工作位置參考，該方（fāng）法經（jīng）過補償（cháng）式微壓計多年論證，穩定可靠。水準頭的選用（yòng）能滿足零位誤差（chà）和測量點誤差不確（què）定度的要求（qiú），能有效降低整個液位（wèi）計檢定裝置的整體不確定度。

水準頭與直線式感應同步器滑（huá）尺通過反U型導軌連（lián）接成整體，再和測微（wēi）螺杆連接。此結構使得水準（zhǔn）頭的位移距離即為直（zhí）線（xiàn）式感應同步器滑尺的位移距離（lí），且測（cè）微（wēi）螺杆能對直線式感應同步器滑尺進行微調。

2.2 垂直定位係統

首先分析垂直度對液位（wèi）計檢定中帶來（lái）的不確定度影響，具體分析方法如下：

當安裝垂直度偏離zui大投影角（jiǎo）B度時，測得液位值與標準液位值函數關係，通過（guò）下式計算：

△H標（biāo）=la/cosθ-la（1）

式中：△H標——被測液（yè）位計顯示液位值與標準液位值的差值，mm;

la——標準液位值，mm;

θ——偏離垂線（xiàn）zui大（dà）投影角，（°）。

根據餘弦函數表cos1°=0.999848，得到當垂（chuí）直度偏離1°時，在1m時的偏移量為0.15mm，這對於（yú）測量範圍為1m、準確度（dù）等級0.02級、zui大允許誤差為（wéi）0.2mm的液位計無疑是一個不可接受的偏移量。由於zui大投影角無法測量，所以采用修正該誤差的方法不可行。

垂直定位係統主要由標（biāo）準器定（dìng）位單元和被檢器定位單（dān）元（yuán）兩部分構成。

2.2.1 標準器定（dìng）位單元

標準器定位單元與鉛錘原理相似，主要由重錘（chuí）和刻度盤構成，通過調節四角水平調節螺母調節重錘標（biāo）線至刻度盤中線位置時，標準器安裝垂直。

2.2.2 被檢（jiǎn）器定位單元

被檢器定位單元由四向微調（diào）夾緊單元實（shí）現，由主安（ān）裝盤、限位盤、紅外線發射器和4個微調螺母構成，其（qí）中主安裝盤用於固定被檢液位計，安裝盤與限位盤中心距為垂直狀態，通（tōng）過調（diào）節4個微調螺母使安裝盤四周的4個紅外線發射器分別對準限位盤（pán）上垂直位置的垂直限位孔（已調整垂直度），當4個限位孔下端均有紅外線穿（chuān）透時，證明被測液位計已經安裝垂直。

用（yòng）此方法調（diào）節安裝垂直度（dù）直觀、準確。底端限位盤上的限位孔直徑為3mm，當頂端安裝盤上的4組紅外線均透過底端（duān）限位盤的限位孔（kǒng）時，底端（duān）限位盤中心點與頂端安（ān）裝盤中心點垂（chuí）直投影點的距離lc≤3mm，相對於1m量程（chéng）的液位計垂直度（dù）誤差（chà）用式（2）計算，得出誤差值為0.005mm，該誤差滿足對裝置整（zhěng）體不確定度的要求。

式中：△H被——被測液位（wèi）計顯示液（yè）位值與標準液位（wèi）值的差值，mm;

lc——液位計頂端與底（dǐ）端在水平麵上垂直投（tóu）影點的距離，mm。

2.3 控製係統

控製（zhì）係統分為標準器控製單（dān）元和液位控製單元，標準器（qì）控製單元主要由步進電機和對應的執行部分組成，液位控製單元由粗調部分和活塞微調部分組成。

2.3.1 標準器控製單元

標（biāo）準器控製單元通過粗調（diào）按鈕使（shǐ）步進電機（jī）帶動直線感（gǎn）應同步（bù）器滑尺至被（bèi）測點附近，再通過微調按鈕準確調整滑尺位（wèi）置（zhì）至被測點。

2.3.2 液位控製單元（yuán）

液（yè）位控製單元主要由粗（cū）調（diào）部（bù）分和微調部（bù）分構成。其中粗調部分為水泵、控製盒、閥門和管路，通過控製（zhì）盒啟動潛水泵，開啟升液閥門即可使（shǐ）液位上升，開（kāi）啟回液閥門即可使液位下降。

微調部分底端與主容器相連，形成粗細不同的U管，單微調（diào）容器上端可通過排氣閥密閉。主要作用（yòng）是微調液（yè）位，內徑為100mm，橫截麵積約為主容器橫截麵積的1/9，該設計為提高微調精度。當在附件微調容器上端施加一定的氣壓，根據U管原（yuán）理，主容器端（duān）液位上升，因為兩容器橫截麵積不同，附加微調容器能（néng）更為準確地調整主容器中的液位高（gāo）度（dù）。

3 裝置計量性能測（cè）試

裝置的（de）測試數據來（lái）源於直線感應同步器，直線感應同步器經校準後在2000mm的全量程範圍內誤差為7.5μm，對整（zhěng）個裝置的不確定度貢獻在理（lǐ）想範圍內。因測量點讀數為視覺讀數，每一個檢定員習慣不同（tóng）可能會帶來不同的視覺誤差，現任選下（xià）限附近（jìn）、50%附近和上限附近（jìn）3個液位（wèi）點由6位不（bú）同的檢（jiǎn）定員進行升降水準頭5個循環（huán）讀數。

可以看出，在全量程內（nèi），裝置的重（chóng）複性誤差[10]和人員視覺誤差都表明裝（zhuāng）置具有良好的重複性，結合直線感應（yīng）同步器的高精度測量，在整個量程範圍內整個裝置具有穩定、準確的計量性能。

液位計測量裝置根據各組成（chéng）部分的環境條件要求，得出使用環境溫（wēn）度為20℃±5℃，溫度波動不大於0.2℃/h，相對濕度小於90%。介質選取（qǔ）為自來水，對於浮球式、浮（fú）力式、磁致伸縮式、導波雷達式、壓強（qiáng）式、反射式液位計均能滿足，單電極、雙電極或同軸電極等帶絕緣保護套的電容式液位計也能滿足測量條件。

4 裝置不確定度分析

以JJG971-2002選（xuǎn）取的2000mm的（de）檢定裝置為例，能對0.02級（jí）1000mm以（yǐ）上液（yè）位計進行量值溯源的檢定裝置整體不確定（dìng）度（dù）必須達到（dào）U95=0.05mm。在（zài）此前提（tí）下，做出不確定度分析[8]。

合成標準裝置引入的不確定度uc（l）為

當置信區間為95%時，取k=2，則擴展不確（què）定度為

U95=0.030mm（4）

根據不確定分析得（dé）出，整個構（gòu）成檢定裝（zhuāng）置的擴展不確定度為U95=0.030mm，檢定測量範圍0～1m，0.02級被（bèi）檢液位（wèi）計的zui大允許誤差為0.200mm。根據JJG971-2002要求“整個檢定設備在內的擴（kuò）展不（bú）確定度U95不超過（guò）被檢液位計zui大允許誤差絕 對值的1/4～1/5”，按照zui高1/5的要求計算，高精度補償法液位計檢定裝置完全滿足檢定0.02級液位計的要求，可以作為標準器（qì）使用。

5 結束語

本文提出的高精度補償法液位（wèi）計檢定裝置，完全滿足（zú）JJG971-2002的相關要求（qiú），作為檢定裝置（zhì），具有優良（liáng）的計量性能，對主標準器進行量值溯源簡單、便捷。有效補（bǔ）充了目前高精度液位計無法有效溯源的問題，使得（dé）液位（wèi）計的量（liàng）值溯源更加可靠和可行，對（duì）目前液位（wèi）計檢定裝置不能溯源的液位計是一個（gè）有效、及時的補充，大大增加了（le）液位計檢定規程的可操作性和嚴謹性（xìng）。

同（tóng）時從設計結構出發，考慮到對今後（hòu）進（jìn）行全（quán）自動化的改造，可對滑尺部（bù）分電機通過加入執行軟件對步進電機進行控製，在液（yè）位微調（diào）部分也可以通過（guò）步進電機實（shí）現相同的功能，為半自動化到全自動化的升級充分預留了空間。