目前的液位計檢定裝置主要存在兩方面的不足:一是多為實驗室測量環(huán)境, 而且多為橫向的檢尺臺進行檢定, 不能夠真實的模擬液位計的實際工作環(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6米, 與目前大型儲罐一般12~25 m相比, 對液位計主要量程的覆蓋不夠全面。文章將介紹我單位自主研發(fā)的液位計標準裝置, 對上述的兩方面不足均進行了改良, 能夠給出常用量程下液位計的真實計量性能。

 

　　0、引言：

 

　　隨著石油化工行業(yè)智能化的發(fā)展, 液位計在石油化工大型儲罐的應(yīng)用越來越廣泛。儲罐用自動類型液位計是安裝在大型儲罐上能夠自動連續(xù)測量液體高度 (空高或液面高度) 的儀表。由于液位計的計量性能關(guān)系到油品交接過程中的準確程度, 進而對單位的效益和安全有較大影響。如何能夠?qū)Σ煌瑥S商、不同類型、不同測量原理的液位計進行客觀、真實的檢定的需求變得日益迫切起來。我單位在建立液位計型式評價中心的過程中, 通過大量調(diào)研液位計的現(xiàn)場應(yīng)用工況、液位計產(chǎn)品的現(xiàn)狀, 以及已有液位計檢定裝置的檢定條件、檢定方法, 并綜合國際上對液位計產(chǎn)品的要求[1], 研究并建立了一套液位計標準裝置。本裝置的主要特點有:一是豎向檢定液位計, 真實再現(xiàn)了液位計的實際工作狀態(tài);二是標準裝置覆蓋的量程***高可達25 m, 滿足市場上儲罐用自動液位計的主要量程;三是采用激光干涉儀作為主標準器, 與一般的檢定裝置采用一級鋼直尺不同, 具有非常高的準確度;四是采用自動控制系統(tǒng)進行全程的檢定數(shù)據(jù)采集、液位控制, 自動化程度高。

 

　　本文首先了介紹液位計標準裝置的組成情況, 接下來介紹自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式, ***后給出標準裝置檢定結(jié)果的不確定度分析。

 

　　1、液位計標準裝置的組成：

 

　　液位計標準裝置[2]由激光干涉儀、自由態(tài)雙浮子和25 m高立式儲罐構(gòu)成, 如圖1所示。將激光干涉儀的激光發(fā)射裝置安裝在儲罐罐頂, 激光發(fā)射器垂直向下發(fā)射, 照準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)外浮子間通過支桿進行分隔, 從而保證內(nèi)浮子隨液位進行自由波動的同時, 始終處于外浮子的內(nèi)徑范圍。外浮子兩側(cè)設(shè)有吊耳, 固定在儲罐上下的兩條導(dǎo)軌穿過吊耳, 從而約束雙浮子在水平方向的運動范圍, 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。儲罐內(nèi)設(shè)有上下計量板, 下計量板設(shè)為液位零點。當液位變化時, 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]通過測量全反射鏡移動時多普勒效應(yīng)引起的頻率變化, 從而得到這一時刻反射棱鏡的移動速度, 再計算出一段時間內(nèi)全反射棱鏡的位移, 從而得出液位測量值。通過將液位測量值與待檢液位計的測量值在全量程范圍均勻選取幾個液位點作差, 從而得出待檢液位計的***大允許誤差。

 

　　

 

　　圖1 液位計標準裝置示意圖

 

　　

 

　　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：

 

　　液位計標準裝置的液位控制和液位測量由PLC控制系統(tǒng)[4]進行遠程控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集?？刂葡到y(tǒng)示意圖如圖4所示。

 

　　

 

　　圖4 液位計標準裝置控制系統(tǒng)示意圖

 

　　其中立式儲罐頂部安裝激光干涉儀和待檢液位計, 二者的測量值通過通信模塊傳回中控室。在液位變化過程中, PLC控制系統(tǒng)可以通過激光干涉儀測量值的反饋來控制主泵、控制泵、閥門進行工作。主泵主要用于液位的粗略控制, 當液位逼近設(shè)定液位值時, 關(guān)閉主泵, 啟動控制泵, 由于控制泵流量非常小, 能夠比較地控制液位, 從而使立式儲罐液位達到指定液位設(shè)定值。在液位上升和下降過程中, 通過遠程切換閥門的開啟和閉合, 能夠使測量介質(zhì)在蓄水池和立式儲罐間雙向運動, 實現(xiàn)雙泵雙向, 從而實現(xiàn)液位設(shè)定值的雙向控制。

 

　　3、不確定度評定：

 

　　根據(jù)前文描述, 液位計標準裝置在全量程范圍內(nèi)均勻選取幾個液位測量點, 通過標準裝置的測量值和待檢液位計測量值之間的差值, 得出全量程范圍內(nèi)待檢液位計的***大允許誤差。

 

　　3.1、數(shù)學模型：

 

　　液位計標準裝置的數(shù)學模型為:

　　式中:Δ為特定液位點誤差;y'為待檢液位計示值;x為標準裝置測量值。

 

　　3.2、測量不確定度的主要來源：

 

　　3.2.1、液位計引入的標準不確定度u (y')：

 

　　液位計的不確定度[5]主要是由液位計重復(fù)性、分辨力引入的標準不確定度, 重復(fù)性的不確定度采用A類方法評定, 分辨力的不確定度采用B類方法進行評定, 液位計的重復(fù)性可以通過連續(xù)測量得到, 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量點, 10次讀取待檢液位計的測量值為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, 得出標準不確定度:

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

　　液位計引入的標準不確定度

　　3.2.2、液位計標準裝置引入的標準不確定度u (h0)：

 

　　液位計標準裝置誤差引入的標準不確定度u (h0) 采用B類方法進行評定[6]。

　　3.2.3、合成標準不確定度計算：

 

　　數(shù)學模型:Δ=y'-x

 

　　靈敏系數(shù):

 

　　各標準不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

 

　　因而合成標準不確定度計算如下:

 

　　輸入量y'、x彼此獨立互不相關(guān), 所以合成標準不確定度可按下式計算得到:

 

　　

 

　　表1 標準不確定度匯總表

　　擴展不確定度評定如下:

 

　　取包含因子k=2, 液位計標準裝置測量結(jié)果的擴展不確定度為:

　　3.3 測量不確定度報告與表示

 

　　液位計標準裝置測量結(jié)果的擴展不確定度為:

　　4、結(jié)束語：

 

　　本文對液位計標準裝置的組成、控制系統(tǒng)以及測量結(jié)果的不確定度進行了說明和分析, 得出本裝置能夠?qū)Ω呔纫何挥嬤M行示值誤差方面的檢定, 并通過控制標準裝置中的液位, 能夠在量程范圍內(nèi)均勻的液位點進行測量工作, 基本覆蓋待檢液位計的量程。本檢定裝置的優(yōu)點主要體現(xiàn)在測量精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好, 并能夠真實模擬液位計的現(xiàn)場安裝環(huán)境和工作狀態(tài), 與傳統(tǒng)的實驗室橫向檢定大量程液位計相比, 能夠更加真實地再現(xiàn)液位計的具體工作環(huán)境, 并為液位計的離線檢定系統(tǒng)的研發(fā)提供了啟示和技術(shù)支撐。