CN104949740A - 液位计自动计量检定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液位计自动计量检定装置和方法，属于测量装置技术领域，适用于除侧装液位计、压力式液位计、电容式液位计外其他液位计的检定。所述自动计量检定装置包括液位计位置控制组件、液位控制组件、数据采集与控制系统。所述液位计位置控制组件包括直线运动单元、运动单元支撑架、伺服电机、液位计支撑架，被检液位计安装在液位计支撑架上；所述液位控制组件包括不锈钢管、溢流口、供液泵、溢流泵，实现液位的准确复现；所述数据采集控制系统包括计算机、控制器、数据采集模块、传感器、伺服驱动器，传感器包括温度传感器、压力传感器、绝对多圈编码器。本发明具有保持液位不变，液位计准确移动，实现液位计快速准确计量检定和计量性能评价的优点。

Description

液位计自动计量检定装置和方法

技术领域

本发明属于计量领域中对计量器具进行自动检定的装置与方法，特别涉及液位计的自动计量检定和计量性能分析评价的装置和方法，适用于除侧装液位计、压力式液位计、非电容式液位计外其他液位计的检定。与其他液位计检定装置与方法相比，本发明保持液位不变，液位计准确移动，实现液位计的快速准确计量检定和计量性能评价。

背景技术

液位测量在石油能源、江河水文观察与监控、医药化工、冶金制造、水处理与供应等各种行业，特别在石油化工行业和运输行业，在石油及成品油、液态化工产品等的储运和贸易交接方面广泛进行。根据测量液位时是否需要与测量介质相接触的部件，液位测量方法分为接触式测量方法和非接触式测量方法。用于测量液位的装置称为液位计或液面计。作为强制检定的计量器具，液位计必须经检定合格后才能用于计量。

最初的液位计检测方法为非自动化的人工检尺法测量数据与液位计读数直接比较的方法。人工检尺法是出现较早的液位测量方法，使用带有重锤的米制钢带卷尺或带有刻度的标尺测量液位、手工记录读数的方法。通过人工检尺法测量数据与液位计读数的直接比较，对液位计开展检定、计量性能的评价。

JJG 971-2002液位计描述了手动检定液位计的方法，所用仪器设备如下表所示。

检定时根据被检液位计的类型，从表中组合所需的标准器及配套设备。

液位计量程不大于2m时，液位计直接安装在检定水箱上进行检定，通常采用对准被检看标准的方法或对准标准看被检的方法，即：调解检定用水箱的水位，从零位开始逐渐升高水位到液位计指示的各检定点或标准指示的各检定点，直至上限；然后，逐渐降低水位到液位计指示的各检定点，直至下限。在各检定点分别读取水箱的水位示值或各检定点液位计的示值。

量程大于2m时，则根据液位计的类型，以模拟液位的方法，对浮子式或浮球式液位计、压力式液位计、反射式液位计、电容式液位计进行检定。对浮子式(或浮球式)液位计：检定时，用手动移动浮子(浮球)，使用钢卷尺测量浮子(浮球)的位移量作为实际液位，同时记录液位计的示值。对压力式液位计：检定时使用标准压力发生器产生压力模拟实际液位，同时记录液位计的示值。通过两者的压力比对实现对被检液位计的检定，通过压力式液位计数学模型转换为液位计高度。对反射式液位计：检定时将液位计的传感器对准垂直放置的反射板。以距离液位大于量程的某点作为零点，逐渐靠近和离开以模拟液位的升高和降低。对电容式液位计：检定时用标准电容器模拟实际液位，同时记录液位计的示值。

JJG 971-2002液位计规定的检定点的回差、示值误差检定，设定点检定的切换差、设定点误差检定，液位计输出信号误差检定。检定记录中需记录大量数据，需根据公式计算得到各检定结果。

综上所述，现有液位计检定装置和方法大都采用液位计保持不动、人工进排液改变液位和读数，对标准装置、被检液位计的实际液位测量值进行比较的检定方法。由于液位改变时进、排水及液面稳定所需时间长，液位标准值复现重复性较差，操作复杂、检定效率较低，难以满足液位计检定的要求。特别是大于2m时采用的模拟液位代替真实液位的方法，完全不考虑真实液位与模拟液位对液位计测量性能影响，增加液位计液位测量和检定结果的不确定度。检定数据处理也是需要大量时间的繁琐过程。为了实现液位计的自动检定，对液位计的计量性能指标做出更好评价，对液位计是否合格进行有效确认，亟需研究满足液位计检定要求的液位计自动计量检定装置和方法。

发明内容

本发明目的是针对液位计检定的现状，提出一种液位计自动计量检定装置和方法，综合运用了检定新原理，即：溢流口准确复现液位高度、液位计相对液面准确移动，通过液位量程等参数，以及测量液位计相对液面的移动距离、温度等，获得准确的液位标准高度；通过与液位计测量值的比较，获得液位计的检定结果。

一种液位计自动计量检定装置，包括液位计位置控制组件(1)、液位控制组件(2)、数据采集与控制系统(3)；所述液位计位置控制组件(1)，其特征在于，包括直线运动单元(11)、运动单元支撑架(12)、伺服电机(13)、液位计支撑架(14)，被检液位计安装在液位计支撑架(14)上；所述液位控制组件(2)，包括不锈钢管(21)、溢流口(22)、供液泵(23)、溢流泵(24)、电动阀(25)，实现液位的准确复现。所述数据采集控制系统(3)包括计算机(31)、控制器(32)、数据采集模块(33)、伺服驱动器(34)、继电器模块(35)、传感器，传感器包括温度传感器(361)、压力传感器(362)、绝对多圈编码器(363)。

液位计自动计量检定装置包括液位计位置控制组件、液位控制组件、数据采集与控制系统。根据液位计量程，自动设置测点、设定点，通过设定的控制和测量时序，准确控制液位计位置、采集液位计电流以及相关温度数据、压力数据，控制水泵的进排液和溢流阀的启闭，由溢流口准确复现液位高度，实现液位计的自动检定；对检定过程采集的数据进行处理，得到检定点、设定点、液位计信号输出误差的检定结果。其中，根据液位计量程，将采集的液位计(4～20)mA电流信号转化为液位数据，实现液位计示数的获取。

本发明中，为了控制液位计位置，提出了一种液位计位置控制组件，包括直线运动单元、运动单元支撑架、伺服电机、液位计支撑架，3台被检液位计可同时安装在液位计支撑架上。

本发明中，为了准确复现液位高度，提出一种液位控制组件，包括不锈钢管、溢流口、供液泵、溢流泵和电动阀，实现液位的准确复现。所述液位控制组件安装在不锈钢管上。通过设定的溢流泵相同工作时间，强制溢流排液完毕的状态相同；通过压力传感器测量液位高度，控制进液高度的一致；液位控制组件可以准确复现液位高度。

本发明中，为了准确控制供液高度，提出一种准确进液控制方法，所述方法通过溢流口处的压力传感器准确测量压力，当压力达到设定值时，控制给水泵停止，准确控制进液高度。

本发明中，为了同时检定3个液位计，提出了一种材质为7075T超硬铝的液位计安装法兰，其主要安装表面平行度小于0.05mm、粗糙度小于0.05mm，包括固定安装的大法兰和可替换的小法兰。通过小法兰将液位计固定在大法兰上，随大法兰运动。

为了准确控制液位计的准确位置，所述直线运动单元为封闭式结构、伺服电机具有多圈绝对编码器，其重复定位精度为±0.01mm，多圈绝对编码器的分辨率27位，精度±0.333弧分。

所述多圈绝对编码器经过标定后作为标准器使用，通过实时测量直线运动单元的温度并进行温度修正后，可将采集的编码器数据转换为准确液位计位置。

本发明所研发的液位计自动计量检定装置包括液位计位置控制组件、液位控制组件、数据采集与控制系统。实质包括计算机采集控制系统软件以及数据采集、控制硬件部分。所述采集控制系统软件的作用是进行系统基本参数、液位计信息的修改等管理，根据被检液位计的信息，自动设置测点数、测点，并根据用户对测量类型与行程数的选择，自动进行检定。检定时自动采集相关的温度、压力、电流等数据，并将相关信息显示在当前界面上，所有检定数据和液位计相关信息保存到数据库。检定完毕，自动对检定原始数据进行处理，最后生成液位计检定原始记录和检定证书(或检定结果通知书、校准证书、测试证书)。

所述计算机安装有液位计检定系统软件和PCI光纤通讯卡硬件，通过光纤与控制器通讯，实现远程数据传输和控制，不受环境中电磁场干扰，保证可靠运行。

所述控制器装有PXI光纤通讯卡、RS485通讯卡、Canopen运动控制卡。控制器接受计算机发送的远程控制和采集命令，并将采集的数据传输给计算机。

所述RS485通讯卡连接数据采集模块和继电器模块。

所述控制器通过RS485与数据采集模块通讯，采集压力传感器、液位计的(4～20)mA模拟信号，以及温度传感器的温度数据或电阻值。

所述控制器通过RS485与继电器模块RS485通讯，用于控制供液泵和溢流泵的启、停。

所述控制器通过CanOpen运动控制卡用于与伺服电机驱动器通讯，控制伺服电机转动、采集编码器的数据。

所述控制器通过RS485与电动阀通讯，向电动阀发送指令，控制阀门的启闭。

所述电动阀采用24VDC供电，接到RS485开关指令阀门动作，无动作不再耗电，解决常闭电磁阀开启时需长时供电和阀门膜片易受固体颗粒影响阀门关闭不严造成泄漏的问题。

所述计算机通过采集、控制模块、运动控制卡和控制器，获得编码器数据、温度、压力和液位计数据，根据液位计量程、测点数、设定点，设定液位计运动间隔，进而发出控制指令，控制所述伺服电机动作、进液泵和溢流泵的启停、电动阀的启闭，并最终计算测点对应的标准液位高度，实现被检液位传感器和标准液位高度的采集。

在具体的实践中，压力传感器用于实时监测进液时液位高度，使进液高度保持一致。计算机实时监测的液位高度数据，当液位高度达到设定值时水泵停止。计算机控制溢流电动阀打开，溢流泵工作至设定时间，通过溢流块的溢流口进行强制排液。

本发明为了配合系统应用，还研发了液位计计量性能的计量方法，该方法包括以下步骤，

①根据被检液位计的类型、量程、设定检测间隔，测量类型、次数等参数，自动生成测点数以及测点对应的测点数据、编码器目标数据等检定序列数据以及检测记录编号；所述测点包含设定点时，测点数共7个，为液位计量程的5％、10％、25％、50％、75％、90％、95％；所述测点不包含设定点时，测点数共5个，为液位计量程的5％、25％、50％、75％、95％。

②，根据压力传感器测量的液面高度，若小于设定值供液泵启动；

③，与系统初始化参数中泵关闭高度数据比较，判断是否向不锈钢管注水；

④，由检测序列中的测点数据，转化为各测点多圈绝对编码器目标数据；

⑤，伺服电机动作，若多圈绝对编码器数据与目标数据一致，则电机停止；

⑥，根据系统参数，控制溢流电动阀在等待t₁时间后，打开；

⑦，控制溢流泵启动，工作t₂时间后停止，等待t₃时间；

⑧，发送指令，采集温度、编码器数据；

⑨，判断液位计测点是否达到行程最大或最小值，若没有则继续本行程的检测；否则，开始向反行程的操作；

⑩，计算机判断液位计测点是否已达到设定值，若没有则继续检测；否则，检测结束；

步骤③中所述泵关闭高度为系统初始化从数据库中读取的设定值；

步骤⑥中所述的等待时间t₁为系统初始化从数据库中读取的设定值；

步骤⑦中所述的等待时间t₁为系统初始化从数据库中读取的设定值；

本发明中标准液位高度是指标准温度20℃条件下的液位高度；

本发明中，根据各测点采集的伺服电机编码器数据、温度传感器数据、压力传感器数据，计算得到各测点的标准液位高度；

检定结束，检定数据保存到数据库；

根据检测记录编号、检定行程的类型，进行数据处理，包括：

将各测点对应的被检液位计的(4～20)mA电流值转化为对应的液位值(mm)；

计算各测点对应的示值误差、回差；

计算各设定点的切换差、设定点误差；

计算液位计的允许误差，判断液位计检定结果是否合格；

自动生成检定原始记录/检定证书。

本发明中实时采集绝对多圈绝对编码器数据、温度、压力传感器数据，换算到标准液位高度，与实时测量的液位计液位值进行比较，自动将各测量数据保存到数据库，数据处理得到检定结果；通过伺服电机的多圈绝对编码器，准确控制液位计位置。测量过程无须人为干预，简化了操作流程，自动采集和处理数据，生成测量原始记录/检定报告，无需手动测量、记录和后处理计算，自动化程度高，易于操作，适合液位计的实验室检定。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

图1本发明提供的液位计自动计量检定装置(硬件部分)的整体结构示意图。

图2本发明提供的液位计支撑架的结构主视图。

图2(a)是本发明提供的液位计支撑架的结构左视图。

图2(b)本发明提供的液位计支撑架的结构俯视图。

图3本发明提供的液位控制组件(不含供液泵与溢流泵)的结构示意图。

图4本发明提供的数据采集与控制系统示意图。

图5本发明提供的标准液位测量的示意图。

图6本发明提供的液位计检定方法的控制流程示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

如图1所示，一种液位计自动计量检定装置(硬件部分)，包括液位计位置控制组件1、液位控制组件2和数据采集控制系统3。图中，液位计位置控制组件1的直线运动单元11竖直安装于运动单元安装架12上，液位计支撑架14水平安装在直线运动单元11的滑块111上，被检液位计安装在液位计支撑架14上，伺服电机13驱动直线运动单元垂直上下运动，带动液位计支撑架13移动，实现被检液位计的准确定位。液位控制组件2的不锈钢管21作为检定用液的容器，溢流口22用于准确复现液位。所述数据采集控制系统3，实时采集温度传感器361、压力传感器362等传感器的模拟信号和多圈绝对编码器363的数字信号，通过伺服电机13控制被检液位计的位置。

如图1、图2、图2(a)、图2(b)所示，液位计支撑架13由7075T超硬铝精加工成的大法兰131、小法兰132，竖板133、竖板134、水平板135组成，通过螺栓紧固成刚性支架；大法兰131上水平安装在水平板上，可同时安装有3个可替换的小法兰132，每个小法兰132均可安装1台被检液位计。竖板133随滑块111上下运动，带动被检液位计准确移动。

如图1、图3、图4所示，液位控制组件2，包括不锈钢管21、溢流口22、温度传感器361、压力传感器362、供液泵23、溢流泵24、电动阀25。溢流口22用于准确复现液位高度，温度传感器361、压力传感器362用于测量溢流口22处液体温度、压力。温度传感器361测量的温度，用于标准液位高度的修正；压力传感器362测量的压力数据用于控制向不锈钢管21供液；不锈钢管21内液位低于设定值时，供液泵23启动，向不锈钢管21供液；测点位置时，溢流泵24启动强制溢流。液位控制组件2的强制溢流，缩短了检定时间。

如图4所示，数据采集控制系统3包括计算机31、控制器32、RS485数据采集模块33、伺服驱动器34、RS485继电器模块35、传感器，传感器包括温度传感器361、压力传感器362、绝对多圈编码器363。计算机31通过光纤与控制器32通讯，控制器32通过数据采集模块33、伺服驱动器34、继电器模块35与温度传感器361、压力传感器362、多圈绝对编码器363等传感器通讯，采集温度、压力模拟信号和多圈绝对编码器的数字信号。控制器32与RS485继电器模块34通讯，用于控制供液泵23和溢流泵24的启、停；控制器32与电动阀25通讯，向电动阀25发送指令，控制阀门的启闭。

如图5所示，本发明中标准液位测量原理为：通过测量被检液位计初始位置时的R₀、T₀、t₀、h₀(＝0)以及被检液位计在某测点i位置时的R_i、T_i、t_i、h_i。由公式(I)计算标准液位高度H：

H＝{R₀×[1+α₁×(T₀-20)]-R_i×[1+α₁×(T_i-20)]+1×α₂×(t_i-t₀)}(I)

其中：α₁，为运动单元安装支架的线性温度膨胀系数；

α₂，为不锈钢管的线性温度膨胀系数；

R₀，为初始位置时绝对编码器数据；

T₀，为初始位置时温度传感器测量的运动单元安装支架温度值，℃；

t₀，为初始位置时温度传感器测量的不锈钢管温度值，℃；

R_i，为某测点位置时绝对编码器数据；

T_i，为某测点位置时温度传感器测量的运动单元安装支架温度值，℃；

t_i，为某测点位置时温度传感器测量的不锈钢管温度值，℃；

1，20℃时溢流口距钢管底部距离；

如图6所示，为一种液位计自动检定方法的控制流程。具体实例为：进入检定前，系统进行初始化，从数据库调用系统基本参数，确定进入检定程序，按照以下步骤开始检定：

a、点击进入检测；

b、输入/选择输入被检液位计检测信息，如序列号、使用单位、制造商、测点数行程等；

c、点击“初始化”按钮，发送指令，03#、04#电动阀25处于2阀位，等待10s，供液泵23向不锈钢管21内供水；

当压力传感器362测量的压力值大于初始化时水泵关闭高度值×9.804Pa，供液泵1停止；

发送指令，01#电动阀开，溢流口22溢流；

03#电动阀处于1阀位、04#处于2阀位；

伺服电机34动作，液位计安装支架14上升到5600mm处，弹出对话窗口，等待被检液位计安装完毕确认；

d、确认被检液位计安装完毕，液位计安装支架14下降到3mm处。

e、03#继电器闭合，供液泵23向不锈钢管21内供水5000ms；

溢流泵24启动，强制溢流(等待时间从数据库获得)；

f、溢流泵24停止；采集并记录以下数据：

多圈绝对编码器363反馈的位置数据(mm)；

温度传感器361测量的电阻值，计算出对应温度，作为运动单元支架12的温度、不锈钢管21的温度；

不锈钢管21的压力传感器电流值(4～20mA)；

被检液位计的电流值(4～20mA)；

g、被检液位计运动到下一检测点位置；

h、重复步骤f、g、h，直到该行程结束；若检定包括正、反两个行程，开始相反的行程，再次重复步骤f、g、h，直到该行程结束；

若行程次数达到设定值，进入步骤i；否则，进入步骤e、f、g、h；

i检测结束，手动保存数据、生成检测原始数据记录；

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液位计自动计量检定装置，包括液位计位置控制组件(1)、液位控制组件(2)、数据采集与控制系统(3)；所述液位计位置控制组件(1)，其特征在于，包括直线运动单元(11)、运动单元支撑架(12)、伺服电机(13)、液位计支撑架(14)，被检液位计安装在液位计支撑架(14)上；所述液位控制组件(2)，包括不锈钢管(21)、溢流口(22)、供液泵(23)、溢流泵(24)、电动阀(25)，实现液位的准确复现；所述数据采集控制系统(3)包括计算机(31)、控制器(32)、数据采集模块(33)、伺服驱动器(34)、继电器模块(35)、传感器，传感器包括温度传感器(361)、压力传感器(362)、绝对多圈编码器(363)。

2.根据权利要求1所述的液位计自动计量检定装置，其特征在于：所述液位计位置控制组件(1)的直线运动单元(11)竖直安装于运动单元安装架(12)上，液位计支撑架(14)水平安装在直线运动单元(11)的滑块(111)上，可以同时安装3个被检液位计，伺服电机(13)驱动直线运动单元垂直上下运动，带动液位计支撑架(13)移动，实现被检液位计的准确定位。

3.根据权利要求1所述的液位计自动计量检定装置，其特征在于：所述液位控制组件(2)，不锈钢管(21)作为检定用液的容器，溢流口(22)用于复现液位，供液泵(23)用于检定液体页面低于溢流口(22)平面高度时向不锈钢管内补液，溢流泵(24)在液位高于溢流口(22)平面时，强制溢流；电动阀(25)用于控制向不锈钢管内供液或强制溢流。

4.根据权利要求1所述的液位计自动计量检定装置，其特征在于：所述数据采集控制系统(3)包括计算机(31)、控制器(32)、RS485数据采集模块(33)、伺服驱动器(34)、RS485继电器模块(35)、传感器，传感器包括温度传感器(361)、压力传感器(362)、绝对多圈编码器(363)；计算机(31)通过光纤与控制器(32)通讯，控制器(32)通过RS485通讯卡(321)、CanOpen运动控制卡(322)与数据采集模块(33)、伺服驱动器(34)、继电器模块(35)，与温度传感器(361)、压力传感器(362)、多圈绝对编码器(363)等传感器通讯，采集温度、压力模拟信号和液位传感器位置的数字信号；控制器(32)与RS485继电器模块(34)通讯，用于控制供液泵(23)和溢流泵(24)的启、停；控制器(32)通过RS485通讯卡(321)向电动阀(25)发送指令，控制供液和溢流。

5.根据权利要求1、4所述的液位计自动计量检定装置，其特征在于：所述液位计自动计量检定装置，计算机(31)安装有PCI光纤通讯卡硬件(311)，通过光纤与控制器(32)通讯；所述控制器(32)装有PXI光纤通讯卡(320)、RS485通讯卡(321)、Canopen运动控制卡(322)，控制器(32)接受计算机(31)发送的控制和数据采集命令，并将采集的数据传输给计算机(31)。

6.根据权利要求1和2所述的液位计自动计量检定装置，其特征在于：液位计支撑架(12)进一步包括固定安装的大法兰(121)、可替换的小法兰(122)、竖板1(123)、竖板2(124)和水平板(125)，被检液位计通过小法兰(122)固定在大法兰(121)上，随液位计支撑架(12)上下运动。

7.一种液位计自动计量检定方法，其特征在于，包括以下步骤：

①，根据被检液位计的类型、量程、设定检测间隔，测量类型、次数等参数，自动生成测点数以及测点对应的测点数据、多圈绝对编码器(363)目标数据等检定序列数据以及检测记录编号；所述测点包含设定点时，测点数共7个，为液位计量程的5％、10％、25％、50％、75％、90％、95％；所述测点不包含设定点时，测点数共5个，为液位计量程的5％、25％、50％、75％、95％；

②，压力传感器(362)测量的液面高度，若小于设定值供液泵(23)启动；

③，根据系统初始化参数中的泵关闭高度数据，判断是否向不锈钢管(21)内注液；

④，由检测序列中的测点数据，转化为各测点的多圈绝对编码器(363)的目标数据；

⑤，伺服电机(13)动作，直到编码器的数据与编码器目标数据一致，停止工作；

⑥，根据系统参数，控制电动阀(25)在等待t₁时间后，打开；

⑦，控制溢流泵(24)启动，工作t₂时间后停止，等待t₃时间；

⑧，发送指令，采集温度、编码器数据；

⑨，判断液位计测点是否达到行程最大或最小值，若没有则继续本行程的检测；否则，开始向反行程的操作；

⑩，判断液位计测点是否已达到设定值，没有则继续检测；否则，检测结束。

8.一种液位计自动检定方法，其特征在于，用温度传感器(361)测量的温度t₀、t₁、T₀、T₁，用多圈绝对编码器(363)测量的编码器数据R₀、R₁，根据公式(I)H＝{R₀×[1+α₁×(T₀-20)]-R_i×[1+α₁×(T_i-20)]+1×α₂×(t_i-t₀)}计算标准液位高H，其中：α₁，为运动单元安装支架的线性温度膨胀系数；α₂，为不锈钢管的线性温度膨胀系数；R₀，为初始位置时绝对编码器数据；T₀，为初始位置时温度传感器测量的运动单元安装支架温度值；t₀，为初始位置时温度传感器测量的不锈钢管温度值；R_i，为某测点位置时绝对编码器数据；T_i，为某测点位置时温度传感器测量的运动单元安装支架温度值；t_i，为某测点位置时温度传感器测量的不锈钢管温度值；1为20℃时溢流口距不锈钢管底端的距离。