磁翻板液位计示值误差测量结果不确定度评定研究

 摘要：浮子式液位在很多工业生产现场得到广泛应用，具备的测量误差将直接影响控制精度，为保证磁翻板液位计测量精度，需要把磁翻板液位计交由具备资质的计量机构进行检定。本文对磁翻板液位计生产技术和检定技术发展现状进行了分析，并对磁翻板液位计测量依据进行探讨，并对示值误差测量结果的不确定度评定进行了深入研究，可供相关人员参考。

 

磁翻板液位计是用于工业生产和测量重要装置，可以为控制系统提供液位电信号，也可以通过指示仪表直接显示出液位高度，随着科学技术的发展，很多新型的磁翻板液位计被研发出来，非接触式磁翻板液位计在使用过程中，不会受到介质因素的影响，已经得到了广泛的应用，测量的精度也在不断提高。而传统磁翻板液位计由于稳定性、可靠性较高，还在工业生产中发挥出重要的作用。磁翻板液位计根据功能可以划分成远传和本地两种类型，按照测量原理可以分成浮力液位、浮子液位、浮标液位、压力液位和缆索液位等，不同类型的液位都有适用范围和自身缺点，但在工业生产中都发挥着不可替代的作用。本文主要针对浮子式磁翻板液位计示值误差测量结果不确定度评定进行分析。

 

1 磁翻板液位计生产技术和检定技术发展现状

我国的磁翻板液位计技术已经变得比较成熟，基本可以满足国内工业生产的需要。但从实际使用情况来看，约有 70% ～80% 的液位是为纯国产或合资产品，但一些比较高端的磁翻板液位计中，特别是要求zui大允许误差只能限制在 1 毫米的雷达测量磁翻板液位计、伺服磁翻板液位计等产品（该类型磁翻板液位计多用于油品的国际贸易结算），还是采用国外的磁翻板液位计品牌，在精度要求在 3 毫米领域的雷达磁翻板液位计等非接触测量的技术还被国外品牌所垄断。我国的磁翻板液位计生产企业还只能制造非接触式磁翻板液位计，还有一些技术要求不高的非接触式磁翻板液位计，磁翻板液位计产品的质量和国外先进水平还存在着很大的差距。我国生产磁翻板液位计的厂家比较多，工业生产单位在购置了磁翻板液位计后，需要交付给第三方质量检定机构出具产品质量证明书，需要把磁翻板液位计送到计量部门进行技术鉴定。已经被使用的磁翻板液位计由于安装到生产设备中，无法把其拆卸下来，使得送检的磁翻板液位计数量不多，部分流量计需要到生产现场进行检定。采取的检定方法中，可以应用横式液位模拟检定装置，但对立式检定装置提出新的要求。非接触式的测量区间从原来的 10 米，不断发展到现在的 100 米，这就要求横式液位检定装置可认达到 70 ～ 100 米的要求。在实际的应用过程中，很多生产装置都在 20 ～ 25 米，普通的横式液位检定装置不超过25米就可以达到要求。接触式磁翻板液位计可以划分为硬、软连接两个类型。硬连接的磁翻板液位计可以便于运输及生产制造，多把长度控制在 6 米区间。长度超过 6 米的硬连接磁翻板液位计，需要在生产现场进行拼接安装。而长度大于 6 米的多采用软连接方式，采用缆绳实现连接，磁翻板液位计安装过程中只需要把缆绳接拉直就可以达到要求，该类型的磁翻板液位计可以应用横式液位检定装置进行检定，因此，立式检定装置可认达到 6 米高度要求，可以满足很多磁翻板液位计类型的检定要求。

 

2、磁翻板液位计测量依据

测量不确定度评定等相关规范，磁翻板液位计检定规程征求意见稿，要求检定过程中的环境温度为 20℃ ±5℃，相对温度不可以超过 80%，计量装置运行环境中，不可以存在影响检定的振动。磁翻板液位计示值zui大允许误差公式为：±（a%FS+b），FS 是磁翻板液位计达到的量程，b 是数字指示和外界间的分辨力，单位可以为毫米或厘米，示值可以达到的zui大允许误差值为，N 为采用长度单位进行表示的误差值。同时，要求磁翻板液位计回差值不可大于zui大允许误差绝对值。测量仪器为钢卷尺，要求达到的测量范围为 0 ～ 50 米，检定过程中引入的扩展不确定度不可以超过待检测磁翻板液位计的zui大允许误差的 25%，使不确定度为：0.2 毫米，k=2。浮子式磁翻板液位计，该种类型的磁翻板液位计应用比较广泛，浮子受介质浮力影响会随着液面升降进行变化，从而使得转轴产生转动，指针可以实现旋转，可以从机械式指示盘中看到液位高度值。为了保证液位高度和指针产生的旋转角度建立起线性关系，多把连杆和水平面设置为 30 度。对浮子位置的检测来确定介质的液位高度，zui大的允许误差为 4 毫米，测量方法采用直接法对磁翻板液位计进行检定，严格按照检定规程要求的采用实际液位加模拟液位的办法，把磁翻板液位计浮子升起来，利用钢卷尺来对浮子产生的位移进行计量，把其作为实际的液位值，还对磁翻板液位计提供的示值进行记录，从而进行检定工作，如图 1。

 

不确定度分析

本文把浮子式磁翻板液位计作为实际分析案件，磁翻板液位计基本误差公式为：公式中 Δ 为磁翻板液位计基本误差值，L磁翻板液位计的实际数值，L s 是从检定装置获取到的液位值。在确定度传播方面，磁翻板液位计基本误差公式的每个输入量都不相关，每个输入分量标准不确定度方面，磁翻板液位计引入的不确定度 U（L），多是因为待检定磁翻板液位计测量重复性、调零重性和采用的测量方法导致的误差而产生的。而测量重复性估算导致的不确定度分量 U 11 ，对浮子式磁翻板液位计在 2000毫米位置中完成 10 次的测量，得到实验标准差的数值为σ n-1 =0.49 毫 米，n=10。 实 际 的 检 定 过 程 是 单 次 测 量，U 11 -σ n-1 =0.49 毫米。而调零重复性导致的不确定度分量为 U 12 ，对该磁翻板液位计零点位置完成 10 次调整以后，分别对零点位置进行测量，得到的实验标准差值为 σ n-1 =0.25 毫米，n=10。U 11 -σ n-1 =0.25 毫米。由测量方法导致的不确定度分量 U 13 ，在对浮子力磁翻板液位计进行检定过程中，需要采取人工方式来托起浮球，而浮球具备的不稳定性会使测量存在误差，需要把浮球变动位移量控制在 1 毫米以下，使得测量误差可以均匀分布，那么则有 毫米，那么 毫米。由于标准器的引入而导致不确定度 U（L s ）方面，因标准工具存在着不确定度，这就是使得存在不确定度分量 U 21 。因为钢卷尺的使用，从检定证书可以得到测量不确定度值为 0.2 毫米，k=2。使得测量结果中的不确定度可以达到 U 21 =0.1 毫米。而拉力偏差使得产生不确定度分量为 U 22 ，也可以从钢卷尺提供的检定文件中发现，检定过程中采用的张紧力为 49N，而对浮子式磁翻板液位计检定过程中存在着一定的偏差，受到张紧力方面的影响，会使得示值误差值限制在 1 毫米以内，使得误差可以均匀分布，则 U 21 =0.29 毫米，那么则有毫米。但在合成不确定方面，从每个输入量不相关公式中可以看出，合成不确定度公式为：，而 毫米。

 

从扩展不确定度方面进行分析，把 k 值取 2，则扩展不确定度公式 毫米。因此，浮子式磁翻板液位计示值误差测量结果扩展不确定度值为 1.38 毫米，k 值为 2。

 

4\结语

新出台的 JJG971-201，已经把原来的老版磁翻板液位计检定规程所取代，虽然是征求意见稿，但对磁翻板液位计的检定工作提出了新的要求，原来的磁翻板液位计检定规程已经应用了 10 多年，很多内容已经无法达到国家对计量检定的规定要求。随着非接触式磁翻板液位计应用的不断增多，新检定办法已经提出了新的检定办法。