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三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

一種多功能液位計檢定裝置的設計與研究

來源: 作者: 發布日期:2020-10-15

  摘要: 分析了液位計檢定裝置現狀及存在的問題,并依據新的計量要求對舊裝置進行了改進。多功能液位計檢定裝置配有磁致伸縮液位計,可實現在線自動檢測,檢測準確度為 0. 05 級,滿足市場上大部分的液位計檢定工作,提高了檢定自動化程度和檢定效率。

 
引言
液位計是我國依法檢定的計量器具[1],是工業過程測量和控制系統中用于指示和控制液位的儀表,廣泛用于石油、化工等行業和安全生產、運輸、儲存、交接等環節。近年來,隨著 E + H、OPW、凡誼等國際知名液位計生產企業陸續登陸中國,對高精度液位計產品進行快速、準確地檢定校準成為企業的迫切需求[2]。 1 液位計檢定裝置的現狀按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸,液位儀表可以分為接觸式和非接觸式兩類[3]。 
 
1. 1 接觸式液位計
傳統的液位測量儀表主要有可見液位的連通器式玻璃管液位計玻璃板液位計、浮子( 浮筒) 式液位計、電容式液位計靜壓式液位計等[4,5],其共同特點是液位測量儀表的感應元件與被測介質接觸,因此存在一定的磨損且容易被液體污染粘黏而影響測量準確性,而且對一些腐蝕性、高溫、黏度大等特殊介質具有一定的適用局限性,同時液位儀表的體積較大,運輸、安裝以及維修維護不便。 1. 2 非接觸式液位計非接觸式液位測量儀表的特點是測量的感應元件與被測液體不接觸,測量部件不易受被測介質影響,也不影響被測介質,可用于接觸式測量儀表不能測量的特殊場合,如高溫、黏度大、腐蝕性強、污染性強、易結晶的介質[6]。目前非常常用的非接觸式液位測量儀表主要是雷達式和超聲波式液位計,此外,利用激光原理的光波式、利用同位素技術的核輻射式等液位測量儀表也應用在冶金、化工等特殊工藝場所。
 
由于液位計的測量型式多種多樣,根據其工作原理,檢測的方式也不同。JJG 971《液位計檢定規程》中對適用不同類型的液位計檢定的標準器進行了梳理分類,并明確了標準器的技術要求。例如:液位計水箱檢定裝置液位高 2m 以內的測量用鋼直尺的非常大允許誤差應不超過 ± 0. 35mm; 用于檢定壓力式液位計的標準壓力發生器準確度等級不低于0. 05 級; 用 10m 鋼卷尺直接測量的,準確度等級不低于Ⅱ級[7]。
 
目前國內非常先進的液位計檢定裝置為中國計量科學研究院容量研究室剛改造過的液位計自動檢測系統。該裝置量程 0 ~ 3000mm,測量不確定度為 0. 50mm( k = 2) 。新疆計量院也建立了長距離非接觸式液位計檢定裝置,其測距距離為 0 ~ 30m,分辨力為 1mm,非常大允許誤差 ± 0. 35mm,水平式結構。國內大多數計量院所的液位計檢定裝置大多采用鋼直尺作為液位計量標準,非常大允許誤差為 ± 0. 35mm,優點是結構簡單,造價成本低; 缺點是精度達不到較高水平,檢測的功能不齊全,不能適應各種型式的液位計的檢定需求( 比如超聲波液位計、等) 。
 
2 多功能液位計檢定裝置工作原理
多功能液位計檢定裝置是一種液位計水箱檢定裝置,由儲水箱、檢測用液位桶、檢定組件安裝板、水泵及水位控制調節閥、玻璃管液位計和數顯標準游標卡尺、水平調節底座、便攜操作架等組成。裝置的結構示意圖見圖 1,可檢測浮子式、浮筒式、浮球式、反射式、壓力式等多種形式的液位計。
多功能液位計檢定裝置結構示意圖
使用多功能液位計檢定裝置檢定液位計時,首先根據被檢液位計的測量范圍選定合適的液位筒,并將液位計正確安裝在液位筒上。然后,升高液位筒液位至設定零位,進行調零。檢定時調節液位筒內的水位,從零位開始逐漸升高水位到各檢定點的高度,直至上限,然后逐漸降低液位筒的水位到各檢定點,直至下限。期間記錄被檢液位計的示值和游標卡尺的標準示值,進行誤差計算。取整個測量過程中示值誤差的非常大值作為該液位計的示值誤差。 Δ1 = Hd - Hw1 ( 1) Δ2 = Hd - Hw2 ( 2)式中: Δ1、Δ2 分別為液位計上、下行程的示值誤差,cm 或 mm; Hw1、Hw2分別為液位計上、下行程示值對應的水箱實際水位值,cm 或 mm; Hd 為液位計示值,cm 或 mm。
 
 3 多功能液位計檢定裝置的研究及設計
在參考國家計量院及有關省計量院已經建立的相關液位計檢定裝置的基礎上,研制一種多功能液位計檢定裝置,采用數顯游標卡尺作為溯源標準。裝置 的 測 量 范 圍 為 0 ~ 2000mm,分 辨 力 為0. 01mm,非常大允許誤差為 ± 0. 05mm,能滿足各種型式高等級液位計計量檢定的需要,達到了國內先進水平。 3. 1 多功能液位計檢定裝置結構的設計及實現多功能液位計檢定裝置主要由檢測用水箱、檢測用分離式液位桶、檢測用透明液位桶、檢定組件安裝板、進出水泵及水位控制調節閥、玻璃管液位計和數顯標準游標卡尺、水平調節底座、便攜操作架等 組 成。多功能液位計檢定裝置結構圖見圖 2。
多功能液位計檢定裝置結構圖
3. 2 多功能液位計檢定裝置的主要技術指標
1) 檢定范圍: 0 ~ 2000mm; 2) 數顯游標卡尺: 分辨力為 0. 01mm,非常大允許
誤差為 ± 0. 05mm; 3) 液位計接口標準: DN15、DN20、DN25、DN32、 DN60、DN65、DN70、DN75 等,平面法蘭支持擴展。 
 
3. 3 多功能液位計檢定裝置實施及創新
水箱材料為 5mm 厚不銹鋼拉絲板,水箱尺寸: 600 × 800 × 1700( mm) ,并配有大口徑清洗排污閥。水位控制系統采用進口屏蔽式水泵和粗調、微調閥門組成,可有效控制正反檢定行程水位。所有計量組件均配備水平調節底座。檢定組件安裝板由透明液位顯示管、數顯游標卡尺等組成,底部均與分離式液位桶、透明液位桶連接,與水箱快速接頭連通。檢測用分離式液位桶由 Φ500 × 1300 ( mm) 、 Φ500 × 1000( mm) 兩個不同高度的液位桶組成,上下兩桶可分離或組合使用。檢定時可根據被檢液位計選擇合適的液位桶進行檢測。
 
液位桶與水箱快速接頭連通,并配備專用扶梯以便觀察液位桶內液位情況。此外,液位桶設計了可方便拆卸的液位計夾裝蓋板,可以滿足不同液位檢定需求。例如,在檢測 2000mm 量程的液位計時,將上下液位桶通過卡箍緊密連接,液位桶高度可達到 2300mm; 在檢定量程為 1000mm 及以下液位計的時候,可以將上面 1000mm 液位桶通過滑輪吊裝分離,保 留 底 部1300mm 的液位桶,這樣在檢定小量程液位計時,減少了大量排放水導致的時間消耗,節約水資源,提高檢定效率。
 
目前市面上大部分一體式超聲波液位計等非接觸式液位計均有 250mm 左右的盲區,且對液位桶桶徑有要求,為解決這一問題,本裝置液位桶上方預留300mm 的高度,且 500mm 的內徑滿足了大部分的超聲波液位計、雷達液位計等非接觸式液位計的檢測需求。
 
檢測用透明液位桶規格: Φ200 × 2000mm,與水箱快速接頭連通。目前一般房高為 3m,為滿足磁致伸縮等長尺寸液位計的安裝工作,將透明液位桶設計為可整體放倒,很好地解決了液位計檢定裝置室內安裝垂直空間不夠的問題,同時提高了液位計的拆裝效率。此外,通過透明液位桶可以觀察這些液位計是否安裝垂直,降低非垂直安裝對測量結果帶來的影響。
 
檢定接口檢測用分離式液位桶( 即大液位桶)上面有兩塊金屬蓋板( 支撐板和調節板) ,支撐板上開 DN80 的孔和兩個 DN10 的孔,用于穿入兩根支撐調節板的螺桿,調節板為左右對稱的結構,板中間位置有可供沿著螺桿移動的 15mm 的長槽孔,兩板中間為相對的 DN60 的半圓孔,用于放置液位計。這樣,液位計上下位置可通過螺桿調節( 板前后用螺母固定) ,左右可通過槽孔調節,可以方便各種尺寸超聲波物位計調節測量。檢測用透明液位桶頂部亦預留了 Φ60mm、Φ50mm、Φ40mm 活動蓋板和固定螺紋支架。
 
裝置配有磁致伸縮液位計在線檢定系統( 系統MPE 為 ± 0. 05% ) ,由磁致伸縮傳感器[10,11]、液位轉換控制器和計算機軟件組成。液位變送器完成液位的測量并變送輸出 4 ~ 20mA 電流信號; 液位轉換控制儀將液位變送器輸出的電流信號轉換為液位值,通過 RS232 輸出; 計算機通過接收液位轉換控制儀器輸出的代表液位值的 RS232 信號并多點測量,算出各檢測點的液位值作為標準與被檢液位計的測量值進行比較,做出液位的不確定度判斷。該系統實現了快速的自動化檢測,提高了檢測效率。
 
3. 4 多功能液位計檢定裝置檢定液位計操作示例
用多功能液位計檢定裝置檢定一臺 2m 的浮球式磁致伸縮液位計。首先用水平儀檢查主水箱底座及有機玻璃管支架是否水平,并調整到非常佳狀態。檢定流程如下: 
 
1) 安裝、調整被檢液位計,并調零; 
2) 打開水泵電源開關后,當液位顯示水位達到50. 0cm 時,關閉水泵,等液面平穩后,若被檢液位計水位值低于 50. 0cm,打開微調閥,起動水泵加水; 若被檢液位計水位值高于 50. 0cm,打開主水箱下側微調閥,將水直接排出水箱; 
3) 記錄標準尺此時的數據; 
4) 重復步驟 2) 、3) ,將水位依次調整為 100. 0cm、 150. 0cm、200. 0cm,并記錄標準尺數后,開始反行程檢定;
5) 打開水泵電源開關,按操作步驟 2) 將水位定在 150. 5cm( 此處建議設定值略高于檢定點值,因為水泵停止工作后,要關閉水閥,有個時間差) ,當水泵開始工作,打開排水閥,主水箱開始排水。若被檢液位計水位值低于 150. 0cm,打開微調閥,起動水泵加水; 若被檢液位計水位值高于 150. 0cm,打開主水箱下側微調閥,將水直接排出水箱; 
6) 重復步驟 5) ,將水位依次調整為 100. 0cm、 50. 0cm,并記錄標準尺數據; 7) 計算個檢定點的示值誤差和回差。檢定結束。 
 
4 結束語
本文介紹了一種多功能液位計檢定裝置,主要論述了該裝置的工作原理、技術指標、設計思路、工作方法,以及該裝置在實施中的創新點。裝置可檢定多種類型的液位計,例如: 磁翻板液位計浮球液位計、靜壓式液位計、浮球( 桶) 液位計、雷達物位計、超聲波料位計、差壓式液位計、明渠流量計[12] 等。目前,多功能液位計檢定裝置已經運用于某計量技術機構,很好地滿足了日常檢定的市場需求。

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