摘要：隨（suí）著高精度液位測量儀表（biǎo）的廣泛應用，對液位計的量值溯源尤（yóu）其是液位計檢定裝置的整體不確定度也有更高的要求。為解決目前采用鋼（gāng）直尺作為主標（biāo）準器無（wú）法滿足高精度液位計在JJG971-2002《液位計》中（zhōng）規（guī）定（整個（gè）檢定設備（bèi）在（zài）內的擴展不（bú）確定度U95應不超過被檢液位計zui大允許誤差絕 對值1/4至1/5的（de）溯源要求）的問題，設（shè）計（jì）一種采用補（bǔ）償微壓計原理，水準頭進行液位準確定位，高精度直線式感應同步器測量水準頭位移量（liàng），從而準確測出液位變化量的液位計檢定裝置。通過對裝置各部件（jiàn）設計結構帶來的不確定度進行綜合評定，完全滿足檢定規程中zui高0.02級高精度（dù）液位計的量值溯源（yuán）要求，有效（xiào）補充高（gāo）精度液位計的量（liàng）值溯源難題，保障液位計量值溯源的準確性（xìng）。

引言

液位計作（zuò）為一（yī）種工（gōng）業級儀表，包括的類型有浮子式、浮球式、浮筒式、壓力式、電容式、電導式和反射式等[1]，通常準確度等級都較低（dī）。現有（yǒu）的檢定裝置[2]能對大部分液位計進（jìn）行量值傳遞，但隨著儀器儀表技術的發展，0.05級及（jí）以上的高精度液位計被研發（fā）和生產出來。傳統的液位計檢定裝（zhuāng）置[3]采用鋼直尺作為標準，在零點和（hé）液位測量點采用直接讀取液位的方式，受限於標準器的（de）zui大允許誤差和在零點、測量點讀取液位值的誤差，從而無法達到液（yè）位計（jì）檢定規程要求整個標準（zhǔn）裝置的擴（kuò）展不確定度[4]不大於（yú）被檢液（yè）位（wèi）儀表zui大允許誤差絕 對值1/4的zui低要求，無法對（duì）高精度液位計進行量值傳遞。

zui大程度地減少標準器的允許（xǔ）誤差和（hé）讀取零位、測量點（diǎn）帶來的誤差，是液位計檢定裝置（zhì）主要技（jì）術指標，設計一種補（bǔ）償（cháng）法液位計檢定裝置，與補償（cháng）式微壓（yā）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（xiàn）式感應同步器[7]作為主（zhǔ）標準器，對不確定度的貢獻滿足（zú）裝置的整體不確（què）定（dìng）度的限值範圍並能達到量值傳遞的要求。同時通過設計定位單元來有效減小在檢定過程中（zhōng）被檢液位計安裝垂直度的問題，解（jiě）決液位計檢定中（zhōng）另一個對整體不確定度（dù）影響較大的問題。

1 工作（zuò）原理

裝置設計采用直接比較（jiào）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量出（chū）液位的變化量，分別讀出標（biāo）準器（qì）和被檢液位計的讀數計算出基本誤（wù）差。從不確定度分析得出，影響測量結果主要因素包括零位對準、主標準器誤（wù）差和（hé）安裝垂直度3個（gè）方麵。

在設計時主標（biāo）準器選用直線式感應同步器（qì），主標準器定尺、標準（zhǔn）器定位單元與容器由剛性支架固定，通過標準器定位單（dān）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（dìng）位單元（yuán），通（tōng）過被檢器定位單元使被測液（yè）位計與主（zhǔ）容器垂（chuí）直度保持一致（zhì）。在定位單元（yuán）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（de）不確定度分量。運動部分（fèn）通過步進電機[8]驅動反U型導杆（gǎn），帶動水準頭和（hé）滑尺沿垂直方（fāng）向移動，反U型導杆采用一體，並無連接部分，保證了滑尺和水準頭的（de）相對位移量完全（quán）相同。通過定位單元保證垂直度，水準頭定位液麵，再通過直線感應同步器測得水準（zhǔn）頭（tóu）位移量，即可測得液位的變化（huà）量，即標準值，從而得到的被測液位計示（shì）值與標準器示值之差為被測液位計的示值誤差，裝置結構圖如（rú）圖1所示（shì）。

2 係統組成（chéng）

補償法液位計檢定裝置主要由測量係（xì）統（tǒng）、垂直定位係統和控製係統組（zǔ）成。測（cè）量係統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和被檢器定（dìng）位單元組成，控製（zhì）係統由步進電機、水泵、微調容器組（zǔ）成。

2.1 測量係統

直線式感應同步（bù）器主要用於準確測量與其滑尺相連的水準頭的位移量，水準頭主要用於準確定位液麵高度。

2.1.1 直線式感應同步器

主（zhǔ）標準器（qì）選用比光柵尺更為準確的直線式感應同（tóng）步（bù）器。直線式感應同步器廣泛應用於高精度機加（jiā）工行業，用作車床的主要測量標準，其特點為精度高、可（kě）靠、抗幹擾能力強、測量長度不受限製、使用壽命長、維（wéi）護簡單、成本低。主要由（yóu）定尺與滑尺組成，繞組為等距排（pái）列。它的（de）可動部分為滑尺、不動部分為定尺。采用電（diàn）磁原理，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓（yā），由於電磁（cí）感應，在定尺的繞組中產生了感應（yīng）電壓，其幅值和相位決定於定尺和滑尺（chǐ）的（de）相對位置。

根據（jù）JB/T3587-1996《標準型（xíng）和窄型（xíng）直線式感應同步（bù）器基本參數和技術要求》要求，即使誤差zui大的直線式感應同步器zui大誤差也（yě）僅為7.5μm[9]，且（qiě）直線式感應同步器輸出信號可為數字信號，在顯（xiǎn）示器上直接讀出，分辨率zui大為1μm。

2.1.2 水準頭

主要原理通過反光（guāng）鏡麵反射觀測桶內的（de）水準頭與液麵接觸情（qíng）況，視水準頭（tóu）尖與（yǔ）其倒影的影尖相接表示（shì）讀數零點，如圖2所示（shì）;同理，將水準頭移動至一定高度用同樣方法可準確測（cè）量該（gāi）測量點工（gōng）作位置。而水準頭的（de）位移距離，為零點液位與測量點上的液位差（chà）值，準確（què）反映液位計測得的實際液位。

水準頭采用補（bǔ）償式微壓計原理使用（yòng）的水準頭作為零位和測量點工作位置參（cān）考，該方法經過補償式（shì）微壓計多年（nián）論證，穩定可靠。水準頭的選用能滿足零（líng）位誤差和測量點誤（wù）差不確定度的要（yào）求（qiú），能有效降低整個液位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尺通過反U型導軌（guǐ）連接成整體，再和測微螺杆連（lián）接（jiē）。此結（jié）構使（shǐ）得水（shuǐ）準頭的位移距離即為直線式感應同步器滑尺的位移距離（lí），且測微螺杆能對直（zhí）線式感（gǎn）應同步器滑尺進行微（wēi）調（diào）。

2.2 垂直（zhí）定位係統

首先分析垂直（zhí）度對液位計檢（jiǎn）定中帶來的不確定度影響，具體分（fèn）析方法如下：

當安裝垂（chuí）直度偏離zui大投影角B度時，測得液位值與標準液（yè）位值函數關係，通（tōng）過下式計算：

△H標=la/cosθ-la（1）

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

la——標準液（yè）位值，mm;

θ——偏離垂線zui大投影角，（°）。

根據餘弦函數（shù）表cos1°=0.999848，得到當垂直度偏離1°時，在1m時的偏移量為0.15mm，這對於測量範圍為1m、準確度等級0.02級、zui大允許誤（wù）差為0.2mm的液位計無疑是一個不可接受的偏移（yí）量。由於zui大投影角無法測量，所（suǒ）以采（cǎi）用修正該（gāi）誤差的方法不（bú）可行。

垂直定位係統（tǒng）主要由標準器定（dìng）位單元（yuán）和被檢器（qì）定位單元（yuán）兩部分構成（chéng）。

2.2.1 標（biāo）準器定位（wèi）單元

標準器定位單元與鉛錘原理相似，主要由重錘和刻（kè）度盤構成，通過調節四角水平調節螺母調（diào）節重錘標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夾緊單元（yuán）實現，由主安裝盤（pán）、限位盤、紅外線發（fā）射器和4個微調螺（luó）母構成，其中主安裝盤用於固定被檢液位計（jì），安裝盤與限位盤中心距為垂直（zhí）狀態，通過（guò）調節（jiē）4個微調螺母使安裝盤（pán）四周的4個（gè）紅外線發射器分別對（duì）準限位盤上垂直位置的垂直（zhí）限位孔（已調整垂直度），當4個限位孔下端均有紅外線穿透時，證明被測液位計已經安裝垂直。

用此方法調節安裝垂直（zhí）度直觀、準確。底端限（xiàn）位盤上的限位孔直徑為（wéi）3mm，當頂端安裝盤上的4組紅外線均透過底端限位盤的限位孔時，底端限位盤中心點與頂端安（ān）裝盤中心點垂直投影點的距離lc≤3mm，相對於1m量（liàng）程的液位計垂直度誤差用式（2）計算，得出（chū）誤差值為0.005mm，該誤差滿足對裝置整體不確定度的要（yào）求。

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

lc——液位計頂端與底端在（zài）水平麵上垂直投影點的距離，mm。

2.3 控製（zhì）係統

控製係統分為標準器（qì）控製單元和液位（wèi）控製單元，標準器控製單元主要由步（bù）進（jìn）電機（jī）和對應的執（zhí）行部分組成，液位控製單元由粗調部分和活（huó）塞微調（diào）部分組成。

2.3.1 標準器控製單元

標準器控製單元通過（guò）粗調按鈕使步進電機帶動直線感應同步器滑尺至被測點附近，再通過微調按鈕準確調整滑尺位置至被測點。

2.3.2 液位控製單元

液位控製單元主（zhǔ）要由粗（cū）調部分和微調（diào）部分構成。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液位上升，開啟回液閥門即（jí）可使液位下降（jiàng）。

微調（diào）部分底端與主（zhǔ）容器相連，形成粗細不同的（de）U管，單微調容器上端可通過排氣（qì）閥密閉。主要作（zuò）用是微調液位，內徑為100mm，橫（héng）截麵積約為主（zhǔ）容器橫截麵積的1/9，該設計為提高微調精度。當（dāng）在（zài）附件微調容器上端施加一定的氣壓，根據U管原理，主容器（qì）端液（yè）位上升，因為兩容（róng）器橫截（jié）麵積不同，附加微（wēi）調容器能更為準確地調整主（zhǔ）容器中的液位（wèi）高度。

3 裝置計（jì）量性能測試

裝置的測（cè）試數據來源於直線（xiàn）感應同（tóng）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（dìng）度貢獻在理想範圍內。因測量點讀數為（wéi）視覺讀數，每一（yī）個檢定員習慣不（bú）同可能會（huì）帶來（lái）不同的視覺誤（wù）差，現任選下限附近、50%附近和（hé）上限附近3個液位點由6位不同（tóng）的檢定員進（jìn）行升降水準頭5個循環（huán）讀數。

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

液位計測量裝置根據各組成部分的環（huán）境條件要（yào）求，得出使用環境（jìng）溫度為20℃±5℃，溫度波動不大於0.2℃/h，相對濕度小於90%。介質（zhì）選取為自來水，對於浮球式、浮力式、磁致伸縮（suō）式、導波（bō）雷達式（shì）、壓強式、反射式液位計均能滿足，單電極、雙電極或同軸電極等帶絕（jué）緣保護套的電（diàn）容式液（yè）位計也能滿足測量條件。

4 裝置（zhì）不確定度分（fèn）析

以JJG971-2002選取的（de）2000mm的檢定裝置為例，能對0.02級（jí）1000mm以上液位計（jì）進行（háng）量值溯源的檢定裝置整體不確定度必（bì）須（xū）達到U95=0.05mm。在此前（qián）提下，做出不（bú）確（què）定度分析[8]。

合（hé）成標準裝置引入（rù）的不確定度uc（l）為

當置信區間為95%時，取k=2，則擴（kuò）展不確定（dìng）度（dù）為

U95=0.030mm（4）

根據不（bú）確定分析得（dé）出，整個構成檢定裝置的（de）擴展不確定度為U95=0.030mm，檢（jiǎn）定測（cè）量範圍0～1m，0.02級被檢液位計的zui大允許誤（wù）差為0.200mm。根據JJG971-2002要求“整個（gè）檢定設備在內的擴展不確定度U95不超過被檢液（yè）位計zui大允許誤差絕 對值的1/4～1/5”，按照zui高1/5的要（yào）求計算，高精度補償法液位（wèi）計檢定裝置完全滿（mǎn）足檢定0.02級（jí）液（yè）位計的要求，可以作為標準（zhǔn）器使用。

5 結束語

本文提出的高精度補償法液位計檢定裝置，完全滿（mǎn）足JJG971-2002的相關要求，作為檢定（dìng）裝置，具有優良的計量性（xìng）能，對主標準（zhǔn）器進行量值溯源簡單、便捷。有效補充了目前高精度液位計無法有效溯源的問題，使（shǐ）得液位計的量值溯源更加可靠和可（kě）行，對目前液位計（jì）檢定裝置不能溯源的液位計是一個有效、及時的補充，大大增加（jiā）了液位計（jì）檢定規（guī）程的可操作性和（hé）嚴謹（jǐn）性。

同時從（cóng）設計結構出發，考慮到對今後進行全自動（dòng）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，在液位微調部分也可以通過步進電（diàn）機實現相同的功能，為半自動化到全自動化的升級充（chōng）分預（yù）留了空間。