磁致伸縮液位計(jì)由國(guó)外引進(jìn)、隨后國(guó)產(chǎn)化以來(lái)，由于其準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、安裝簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在石油、化工、水利、食品等行業(yè)得到了日益普遍的采用，尤其是在石油儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中稱為一種重要的液位測(cè)量?jī)x器。本文在利用國(guó)家鐵路罐車容積計(jì)量站量傳實(shí)驗(yàn)室的原有硬件、軟件基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了鐵路罐車容積量傳系統(tǒng)的功能，研制了一套經(jīng)濟(jì)、合理，適用于磁致伸縮液位計(jì)檢定或校準(zhǔn)的裝置，可用于磁致伸縮液位計(jì)的量值溯源，解決目前大量程磁致伸縮液位計(jì)無(wú)法量值溯源的問(wèn)題，也適用于其它浮子式傳感器的液位計(jì)。
1、測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理
1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
用2-3mm厚不銹鋼板制作一個(gè)（500*500/4000）mm3的長(zhǎng)方體槽連接在底座上，作為介質(zhì)槽，頂部加溢流管。底座用（700*700*15）mm3的不銹鋼板經(jīng)機(jī)加工制成。底座上安裝兩個(gè)相互垂直的長(zhǎng)水準(zhǔn)泡，下面安裝三個(gè)調(diào)整水平的螺絲。介質(zhì)槽的一個(gè)面開一（300*5000）mm3矩形孔，鑲嵌透明度高、變形小的玻璃或有機(jī)玻璃作為視窗。在玻璃或有機(jī)玻璃上鑲嵌儀支量程為0-3500mm的光柵尺作為標(biāo)準(zhǔn)器。光柵尺為密封式線位移傳感器，選擇的光柵尺采納數(shù)為：柵距0.02mm（50線對(duì)/mm），分辨力1μm，讀數(shù)誤差±10μm。視窗旁邊安裝一導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝攝像頭和光柵尺位移傳感器固定在步進(jìn)電機(jī)上，計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攝像頭和位移傳感器在導(dǎo)軌上移動(dòng)，攝像頭用于觀察液面的高度，通過(guò)軟件獲得光柵尺光柵尺位移傳感器的數(shù)字信號(hào)，傳輸給控制室計(jì)算機(jī)。
介質(zhì)槽頂部安裝防塵蓋，邊緣為直口，扣在長(zhǎng)方體槽的上端。中間開一個(gè)直徑為150mm的圓孔，作為被檢伸縮磁致伸縮液位計(jì)的入口。圓孔邊緣焊上短節(jié)和法蘭，以固定被檢磁致伸縮液位計(jì)。金屬部分全部做防銹處理。測(cè)量裝置由一下部件組成：介質(zhì)槽，底座、視窗、固定液位計(jì)的法蘭和防塵蓋、光柵尺、數(shù)據(jù)采集卡、導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、攝像頭、進(jìn)水（電磁閥管、排水（電磁閥）管、調(diào)整螺絲、長(zhǎng)水準(zhǔn)泡、微調(diào)（電磁閥）管、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理單元、軟件。
1.2工作原理
被檢磁致伸縮液位計(jì)從測(cè)量裝置上方圓孔裝入，垂直立在底座后，用法蘭固定。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)攝像頭和位移傳感器在導(dǎo)軌上上下移動(dòng)，在控制室遠(yuǎn)程觀察液面的高度，傳感器讀出各個(gè)液面高度。測(cè)量介質(zhì)為過(guò)濾后的自來(lái)水。被檢磁致伸縮液位及的電源線、信號(hào)線接入鐵路罐車容積量傳系統(tǒng)，利用量傳系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)處理單元和軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件界面顯示被檢磁致伸縮液位計(jì)的讀數(shù)。磁致伸縮液位計(jì)的輸出信號(hào)一般采用4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或RS485數(shù)字信號(hào)，可計(jì)入鐵路罐車容積量傳系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，并由軟件界面顯示讀數(shù)。以光柵尺讀數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，被檢磁致伸縮液位計(jì)讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到各點(diǎn)的示值誤差（或修正值）。
2、測(cè)量過(guò)程
2.1 0-3500mm量程液位計(jì)的測(cè)量
（1）將側(cè)臉該裝置安放在具有5m高度操作平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。利用調(diào)整螺絲和長(zhǎng)水準(zhǔn)泡將裝置調(diào)整水平。
（2）利用操作平臺(tái)，將被檢磁致伸縮液位計(jì)固定在介質(zhì)槽的法蘭上。
（3）操作人員通過(guò)攝像頭控制器，觀察調(diào)整射向頭影像的清晰度。
（4）連接被檢磁致伸縮液位計(jì)的電源線、信號(hào)線。
（5）通過(guò)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)水電磁閥打開，水進(jìn)入介質(zhì)槽并使液位計(jì)的浮子浮起，停止進(jìn)水。
（6）待液面穩(wěn)定后，通過(guò)監(jiān)視器觀察，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，使攝像頭與頁(yè)面平齊，光柵尺采集卡才寄出位移傳感器輸出的距離信號(hào)。根據(jù)光柵尺采集的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)顯示的磁致伸縮液位計(jì)讀數(shù)進(jìn)行初始化。
（7）通過(guò)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)水電磁閥打開，水進(jìn)入介質(zhì)槽內(nèi)到達(dá)需要測(cè)量的液位后，停止進(jìn)水（可通過(guò)微調(diào)電磁閥調(diào)整液位）。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，使攝像頭與液面平齊，讀取計(jì)算機(jī)顯示的光柵尺位移傳感器的讀數(shù)和磁致伸縮液位計(jì)讀數(shù)并記錄。（8）重復(fù)（7）的步驟，按規(guī)程測(cè)量其它各點(diǎn)。
磁致伸縮液位計(jì)
2.2大量程液位計(jì)的測(cè)量
上述檢定（校準(zhǔn)）過(guò)程適用于量程小于0-3500mm的磁致伸縮液位計(jì)。目前，常用磁致伸縮液位計(jì)的量程從3m到20m不等（一般來(lái)說(shuō)超過(guò)5m的為軟桿結(jié)構(gòu)，以便于運(yùn)輸時(shí)將軟桿盤起來(lái)）。對(duì)于測(cè)量大型儲(chǔ)罐上用的大量程液位計(jì)，上述裝置的原理、總體結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理單元、軟件、測(cè)量過(guò)程等同樣適用，支隊(duì)一些組成部件加以改動(dòng)即可投入使用；同時(shí)，鐵路罐車容積量傳實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部空間為檢定大量程液位計(jì)提供了充足的場(chǎng)地。
當(dāng)測(cè)量大量程液位計(jì)時(shí)，做如下設(shè)計(jì)：將介質(zhì)槽的底部開一個(gè)孔，使磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量桿從底座開孔伸出去，然后用法蘭、螺栓、橡膠密封圈將水密封住，這樣即可對(duì)磁致伸縮液位計(jì)分段測(cè)量，解決了大量程液位計(jì)的溯源問(wèn)題。具體操作方法如下：以測(cè)量一支10m量程的磁致液位計(jì)為例，按3.1過(guò)程（1）-（8）步驟測(cè)量完0-3500mm的示值范圍后，記錄后的一點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)尺的偏差值。將介質(zhì)槽內(nèi)水放掉，拆下底座密封法蘭，將已測(cè)量過(guò)得0-3500mm部分通過(guò)介質(zhì)槽底座的孔伸到槽外，然后用密封橡膠圈、法蘭、螺栓將水密封住，不可有任何滲漏。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)水電磁閥打開，水進(jìn)入介質(zhì)槽并使液位計(jì)的浮子漂浮起來(lái)，停止進(jìn)水。再通過(guò)計(jì)算機(jī)微調(diào)將液位計(jì)的浮子調(diào)整到剛才測(cè)量后的一點(diǎn)的位置，這時(shí)介質(zhì)槽內(nèi)的液面作為該次檢定（校準(zhǔn)）的起始點(diǎn)。重復(fù)以上步驟，將一支10m的量程液位計(jì)分段測(cè)量完畢。
3、介質(zhì)密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及修正
磁致伸縮液位計(jì)的液位測(cè)量是建立在浮子可以準(zhǔn)確反映頁(yè)面位置這一基礎(chǔ)上的，而浮子在介質(zhì)中的浸沒(méi)成都隨著介質(zhì)密度的變化而變化，可見，浮子式液位計(jì)的測(cè)量與介質(zhì)的密度油罐。傳統(tǒng)的浮子式液位計(jì)本身的測(cè)量準(zhǔn)確度較低，該影響可以忽略；磁致伸縮液位計(jì)由于測(cè)量準(zhǔn)確度很高，致使該影響非常顯著，不能忽略。浮子在介質(zhì)中的浸沒(méi)成都與浮子形狀、密度和介質(zhì)密度油罐。以一種環(huán)形浮子來(lái)說(shuō)明介質(zhì)密度對(duì)液位測(cè)量的影響。試驗(yàn)可知，在平時(shí)使用中被測(cè)介質(zhì)不為水的液位計(jì)用上述裝置測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
4、測(cè)量不確定度
4.1測(cè)量模型
磁致伸縮液位計(jì)的示值誤差：△=h-h0，式中：：h為磁致伸縮液位計(jì)的示值，mm；h0為光柵尺讀數(shù)，mm。
4.2各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
（1）光柵尺讀數(shù)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，光柵尺讀數(shù)誤差δ=±10μm，服從均勻分布，于是μ1=5.77μm=0.0058mm
（2）光柵尺分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量光柵尺分辨力為1μm，服從均勻分布，于是u2=1μm*0.29=0.29μm=0.0003mm
（3）磁致伸縮液位計(jì)讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，磁致伸縮液位計(jì)分辨力為0.025mm，服從均勻分布，于是u3=0.025mm*0.29=0.0072mm
（4）磁致伸縮液位計(jì)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量重復(fù)性為0.001%，u4=0.001%*3500mm=00035mm
4.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ue，ue=0.036mm
4.4擴(kuò)展不確定度U，取k=2，則有U=K*UE=2*0.036=0.072MM
5、結(jié)論
根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG971-2002《液位計(jì)》，液位計(jì)是指的較大允許誤差△=±（a%FS+b），這里a取較小值0.02；FS為液位計(jì)的滿量程3500mm；b為液位計(jì)的分辨力，b=0.025mm，則△=0.725mm。因此，本裝置滿足量值傳遞原則。
