磁翻板液位計示值誤差測量結果不確定度評定研究

 摘要：浮子式液位在很多工業生產現場得到廣泛應用，具備的測量誤差將直接影響控制精度，為保證磁翻板液位計測量精度，需要把磁翻板液位計交由具備資質的計量機構進行檢定。本文對磁翻板液位計生產技術和檢定技術發展現狀進行了分析，并對磁翻板液位計測量依據進行探討，并對示值誤差測量結果的不確定度評定進行了深入研究，可供相關人員參考。

 

磁翻板液位計是用于工業生產和測量重要裝置，可以為控制系統提供液位電信號，也可以通過指示儀表直接顯示出液位高度，隨著科學技術的發展，很多新型的磁翻板液位計被研發出來，非接觸式磁翻板液位計在使用過程中，不會受到介質因素的影響，已經得到了廣泛的應用，測量的精度也在不斷提高。而傳統磁翻板液位計由于穩定性、可靠性較高，還在工業生產中發揮出重要的作用。磁翻板液位計根據功能可以劃分成遠傳和本地兩種類型，按照測量原理可以分成浮力液位、浮子液位、浮標液位、壓力液位和纜索液位等，不同類型的液位都有適用范圍和自身缺點，但在工業生產中都發揮著不可替代的作用。本文主要針對浮子式磁翻板液位計示值誤差測量結果不確定度評定進行分析。

 

1 磁翻板液位計生產技術和檢定技術發展現狀

我國的磁翻板液位計技術已經變得比較成熟，基本可以滿足國內工業生產的需要。但從實際使用情況來看，約有 70% ～80% 的液位是為純國產或合資產品，但一些比較高端的磁翻板液位計中，特別是要求zui大允許誤差只能限制在 1 毫米的雷達測量磁翻板液位計、伺服磁翻板液位計等產品（該類型磁翻板液位計多用于油品的國際貿易結算），還是采用國外的磁翻板液位計品牌，在精度要求在 3 毫米領域的雷達磁翻板液位計等非接觸測量的技術還被國外品牌所壟斷。我國的磁翻板液位計生產企業還只能制造非接觸式磁翻板液位計，還有一些技術要求不高的非接觸式磁翻板液位計，磁翻板液位計產品的質量和國外先進水平還存在著很大的差距。我國生產磁翻板液位計的廠家比較多，工業生產單位在購置了磁翻板液位計后，需要交付給第三方質量檢定機構出具產品質量證明書，需要把磁翻板液位計送到計量部門進行技術鑒定。已經被使用的磁翻板液位計由于安裝到生產設備中，無法把其拆卸下來，使得送檢的磁翻板液位計數量不多，部分流量計需要到生產現場進行檢定。采取的檢定方法中，可以應用橫式液位模擬檢定裝置，但對立式檢定裝置提出新的要求。非接觸式的測量區間從原來的 10 米，不斷發展到現在的 100 米，這就要求橫式液位檢定裝置可認達到 70 ～ 100 米的要求。在實際的應用過程中，很多生產裝置都在 20 ～ 25 米，普通的橫式液位檢定裝置不超過25米就可以達到要求。接觸式磁翻板液位計可以劃分為硬、軟連接兩個類型。硬連接的磁翻板液位計可以便于運輸及生產制造，多把長度控制在 6 米區間。長度超過 6 米的硬連接磁翻板液位計，需要在生產現場進行拼接安裝。而長度大于 6 米的多采用軟連接方式，采用纜繩實現連接，磁翻板液位計安裝過程中只需要把纜繩接拉直就可以達到要求，該類型的磁翻板液位計可以應用橫式液位檢定裝置進行檢定，因此，立式檢定裝置可認達到 6 米高度要求，可以滿足很多磁翻板液位計類型的檢定要求。

 

2、磁翻板液位計測量依據

測量不確定度評定等相關規范，磁翻板液位計檢定規程征求意見稿，要求檢定過程中的環境溫度為 20℃ ±5℃，相對溫度不可以超過 80%，計量裝置運行環境中，不可以存在影響檢定的振動。磁翻板液位計示值zui大允許誤差公式為：±（a%FS+b），FS 是磁翻板液位計達到的量程，b 是數字指示和外界間的分辨力，單位可以為毫米或厘米，示值可以達到的zui大允許誤差值為，N 為采用長度單位進行表示的誤差值。同時，要求磁翻板液位計回差值不可大于zui大允許誤差絕對值。測量儀器為鋼卷尺，要求達到的測量范圍為 0 ～ 50 米，檢定過程中引入的擴展不確定度不可以超過待檢測磁翻板液位計的zui大允許誤差的 25%，使不確定度為：0.2 毫米，k=2。浮子式磁翻板液位計，該種類型的磁翻板液位計應用比較廣泛，浮子受介質浮力影響會隨著液面升降進行變化，從而使得轉軸產生轉動，指針可以實現旋轉，可以從機械式指示盤中看到液位高度值。為了保證液位高度和指針產生的旋轉角度建立起線性關系，多把連桿和水平面設置為 30 度。對浮子位置的檢測來確定介質的液位高度，zui大的允許誤差為 4 毫米，測量方法采用直接法對磁翻板液位計進行檢定，嚴格按照檢定規程要求的采用實際液位加模擬液位的辦法，把磁翻板液位計浮子升起來，利用鋼卷尺來對浮子產生的位移進行計量，把其作為實際的液位值，還對磁翻板液位計提供的示值進行記錄，從而進行檢定工作，如圖 1。

 

不確定度分析

本文把浮子式磁翻板液位計作為實際分析案件，磁翻板液位計基本誤差公式為：公式中 Δ 為磁翻板液位計基本誤差值，L磁翻板液位計的實際數值，L s 是從檢定裝置獲取到的液位值。在確定度傳播方面，磁翻板液位計基本誤差公式的每個輸入量都不相關，每個輸入分量標準不確定度方面，磁翻板液位計引入的不確定度 U（L），多是因為待檢定磁翻板液位計測量重復性、調零重性和采用的測量方法導致的誤差而產生的。而測量重復性估算導致的不確定度分量 U 11 ，對浮子式磁翻板液位計在 2000毫米位置中完成 10 次的測量，得到實驗標準差的數值為σ n-1 =0.49 毫 米，n=10。 實 際 的 檢 定 過 程 是 單 次 測 量，U 11 -σ n-1 =0.49 毫米。而調零重復性導致的不確定度分量為 U 12 ，對該磁翻板液位計零點位置完成 10 次調整以后，分別對零點位置進行測量，得到的實驗標準差值為 σ n-1 =0.25 毫米，n=10。U 11 -σ n-1 =0.25 毫米。由測量方法導致的不確定度分量 U 13 ，在對浮子力磁翻板液位計進行檢定過程中，需要采取人工方式來托起浮球，而浮球具備的不穩定性會使測量存在誤差，需要把浮球變動位移量控制在 1 毫米以下，使得測量誤差可以均勻分布，那么則有 毫米，那么 毫米。由于標準器的引入而導致不確定度 U（L s ）方面，因標準工具存在著不確定度，這就是使得存在不確定度分量 U 21 。因為鋼卷尺的使用，從檢定證書可以得到測量不確定度值為 0.2 毫米，k=2。使得測量結果中的不確定度可以達到 U 21 =0.1 毫米。而拉力偏差使得產生不確定度分量為 U 22 ，也可以從鋼卷尺提供的檢定文件中發現，檢定過程中采用的張緊力為 49N，而對浮子式磁翻板液位計檢定過程中存在著一定的偏差，受到張緊力方面的影響，會使得示值誤差值限制在 1 毫米以內，使得誤差可以均勻分布，則 U 21 =0.29 毫米，那么則有毫米。但在合成不確定方面，從每個輸入量不相關公式中可以看出，合成不確定度公式為：，而 毫米。

 

從擴展不確定度方面進行分析，把 k 值取 2，則擴展不確定度公式 毫米。因此，浮子式磁翻板液位計示值誤差測量結果擴展不確定度值為 1.38 毫米，k 值為 2。

 

4\結語

新出臺的 JJG971-201，已經把原來的老版磁翻板液位計檢定規程所取代，雖然是征求意見稿，但對磁翻板液位計的檢定工作提出了新的要求，原來的磁翻板液位計檢定規程已經應用了 10 多年，很多內容已經無法達到國家對計量檢定的規定要求。隨著非接觸式磁翻板液位計應用的不斷增多，新檢定辦法已經提出了新的檢定辦法。