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智能型浮筒液位计的校准方法


文章日期:2018-03-27|阅读数:


  智能型浮筒液位计(以下简称“液位计”)在石油化工企业中广泛使用, 一般用在密闭的混合或反应容器中测量介质的液位、界面等。 其输出信号作为进行人工或自动调整工艺的基础信息,可以说是工艺操作人员的眼睛。 其测量准确度的高低直接关系到工艺调整方向的正确与否,一旦出现偏差,不仅会出现产品质量问题,甚至会威胁到人身和设备安全,因此在使用液位计之前,我们必须对其计量性能进行测试。
  JJG971-2002 《 液位计 》 检定规程给出了包括浮筒式在内的多种液位计的检定方法, 具体方式有两种: 一是“用液位计水箱检定装置 ”的检定方法 ;二是 “ 模拟液位 ”的检定方法。 种方法,由于一种检定装置需要对应多种类型和规格的液位计, 其设计难度和液位计安装技术有非常高的要求,真正实现起来很难;而规程中对于“模拟液位”检定方法的叙述较为笼统,针对性和可操作性不强。 因此,为确保液位测量的准确度,在JJG971-2002的基础上, 我们结合液位计工作原理和实际使用特点编写了适合企业使用的《液位计校准方法》,即“挂重法”。

一、技术路线:
1.工作原理:
  液位计是根据阿基米德浮力原理制造的一种变浮力液位计,能对容器内的液位或界面进行连续测量,它由检测部分和变送部分组成,如图1所示。 检测部分为一个封闭的长筒,简称浮筒。 浮筒挂在扭力管轴上,当容器内液位或界面发生变化时,浮筒所受浮力FV发生变化,作用在扭力管上的力(与FA大小相等,方向相反)也就随之变化,变送部分就是将扭力管所受到的力经转换放大后, 通常输出(4~20)m A或(0~10)m A电流信号并远传至控制室,进行液位或界面的观测、指示和调节。
图1智能型浮筒液位计原理示意图
  由于浮筒在测量时处于静止状态, 即浮筒在工作时所受到的合力为零,在数值上满足FA=FG-FV(FG为浮筒和挂链的重量)。
2.校准方法:
  通过对液位计工作原理的分析 ,我们采用“模 拟 液位”的方式,方法则采用“挂重法”(“挂重法”是一种离线校验法,即将液位计从容器上拆下固定在支架上 ,用砝码的重量代表浮筒在液位不同高度时所受重力和浮力的合力)。
3.校准设备:
(1)主要标准:①M1 级以上(包括M1级)标准砝码,规格为1mg~2kg。②0.02级标准电流表。
(2)辅助标准及材料:①经检定合格的***大秤量为5kg、检定分度值小于等于0.1g的电子天平。②经检定合格的***小分度值为0.02mm的游标卡尺。③I级5m钢卷尺。④砝码盘。⑤电阻箱。⑥棉布若干。
4.校准项目液位计的基本误差、重复性和回差。
5.电路连接(1)电路连接图如图2所示 。(2)电路连接完毕 , 除非制造厂另有规定 , 校准之前的预热时间一般为15min。
图2电路连接图
图2电路连接图
二、通用技术要求:
   1.外观要求
   (1)液位计各部件应装配正确、牢固,完整无损,特别是浮筒应无腐蚀和泄漏。
   (2)液位计铭牌应在明显易见处,并标明浮筒重量、体积、工作介质密度、测量范围、生产厂家、制造日期等有关内容。    (3)液位计的有关技术文件、使用说明书等资料应完整、齐全。    (4)液位计应有调整参数的按钮或与通信器连接的通信端子。
   2.防爆性能    液位计使用场所有防爆要求的,防爆等级必须符合要求。
   3.校准环境    环境温度:常温。    地点:液位计可以在现场校准,也可以从现场取回在实验室里进行校准.

三、校准项目和程序:
   1.外观检查
   (1)测试前查看浮筒有无损伤或缺陷,若有应重新更换浮筒;对于使用过的浮筒,先用棉布擦干净(必要时可用有机溶剂进行清洗)再进行检查。
   (2)按技术说明书要求检查变送器参数设置按钮,按钮应能正常动作,且变送器与通信器应能正常通信。    (3)具有数码指示的液位计变送器,显示的亮度应均匀,并不应出现笔划残缺。
   2.基础数据检测
   (1)用电子天平称出浮筒的质量两次,浮筒放置的位置尽量靠近天平秤盘中央,计算两次称量结果的算术平均值并与制造厂提供数据进行比较。
   (2)在浮筒上均匀选取5点用游标卡尺测量其直径,并计算5个点直径测量数据的标准偏差,其值应在液位计预期基本误差的1/5以内()在液位计预期基本误差的1/5以内时取算术平均值计算浮筒的体积, 并与制造厂提供的数据进行比较。 如果超出则认为该浮筒不满足要求,由用户自主选择更换或降级使用。
(3)根据测得的上述两项数据,计算并确定校准数据。①对于首次进行校准的液位计, 测得数据的计算结果与给定的标称值(制造厂提供的数据)之间的偏差,不能超过仪器预期基本误差的1/10;后续校准的液位计不能超过仪器预期基本误差的1/5。②如满足“上一条款”要求,模拟校准所需挂重砝码质量的计算以标称值为基础;如果结果不满足“上一条款”要求,重新进行一次测量,如结果和前次结论一致,则取两次平均值作为校准数据的计算基础, 如结果和前一次结论不一致,则更换其他校准人员,再平行测量两次,取其中3组数据接近的算术平均值作为校准数据的计算基础。
3.挂重砝码质量计算(1)液位测量的计算公式mLx=m浮筒-Lx4LπD2×ρ×10-6(1)(2)界面测量的计算公式mLN=m浮筒-14LπD2〔ρ1Lx+ρ2(L-Lx)〕×10-6(2)式中:Lx———所测液位或界面高度 mLx———液位高度为Lx时所需挂砝码的质量,kg;m浮筒———浮筒本身的质量 ,kg;D———浮筒的直径 ,mm;L———浮筒的有效测量长度 ,m ( 小数点后保留 3 位 );ρ———液位测量时所测介质的密度 ,kg/m3;ρ1———界 面 测 量 时 较 重 介 质 的 密 度 ,kg/m3;ρ2———界面测量时较轻介质的密度 ,kg/m3。
4.计量性能校准(1)零点校验时 ,砝码盘与所加砝码的质量应等于浮筒本身的质量,即检查液位在0%时的输出电流,此时应为4m A,否则要通过面板调整按钮或通信 器进行调整 ,直到输出4m A为止。(2 ) 满量程校验时 , 砝码盘与所加砝码的重量等于浮筒的重量减去浮筒所能受到的***大浮力之差 , 即检查 液 位 在100%时 的 输 出 电 流 ,此 时 应 为20m A,否 则 要通过面板调整 按 钮 或 通 信 器 进 行调 整 ,直 到 输 出20m A为止。(3) 零点和满量程调整完后 , ***少按 0% 、25% 、50% 、75%、100%几个输出点进行校准 ,记录进程和回程时各点的电流输出值,用于计算基本误差、重复性误差和回差。(4)误差计算方法智能型浮筒液位计的基本误差采用满量程误差表示。①基本误差计算Ei=Ii示-Ii标I100-I0×100% (3)式中:Ei———第 i 点的满量程误差 ,%;Ii 示———第 i 点的标准电流表显示值,m A;Ii标———第i点的理论计算的电流值 ,m A;I100———满 量 程 理 论 输 出 电 流 值 ,m A;I0———零 点理论输出电流值,m A。②重复性误差计算在相同条件下测试3组数据,每点重复性用其中***大值减去***小值, 取各点中***大的计算结果作为智能型浮筒液位计的重复性误差。δ=(δi)max=(Ii示 max-Ii示 minI100-I0)max×100% (4)式中:δ———智能型浮筒液位计的重复性误差;δi———智能型浮筒液位计第i点的重复性误差。③回差计算回差的校准与基本误差校准一同进行, 回差应小于基本误差预期值的1/2。ΔA=Ad1-Ad2式中:ΔA———液位计回差,m A;Ad1、Ad2———液位计上行程和下行程各校准点的电流输出值,m A。

四、校准装置的不确定度评估:
1.数学模型根据式(1)和式(3)且约定液位计输出信号为(4~20)m A,则有ΔI=I示-I标=I示-〔(m浮筒-mLx)×106π4D2ρL×16+4〕 (5)2.评估已知条件(1)标准设备①标称值为 2kg 的 M1级标准砝码,允差极限为±0.1g。②0.02 级标 准 电 流 表 , 测 量 20m A 时 的 允 差 极 限为±0.004m A。③***大秤量为 5kg、 检定分度值小于等于 0.1g 的电子天平,允差极限为±0.15g。④游标卡尺的允差极限为±0.02mm。⑤钢卷尺的允差极限为±(0.1+0.1L)mm。(2)校准基础数据①浮筒质量=2.10kg②浮筒直径=41.34mm。③浮筒长度=2.240m。④介质操作密度=800kg/m3。
(3)不确定度评估
①标准砝码带入校准结果的不确定度分量u1(ΔI)=│坠ΔI坠mLx│×ΔmLx=16×106π441.342×800×2.24×0.0001≈0.0007m A②标准电流表带入校准结果的不确定度分量u2(ΔI)=ΔI示=0.004m A③电子天平带入校准结果的不确定度分量u3(ΔI)=│坠ΔI坠m浮筒│×Δm浮筒=16×106π441.342×800×2.24×0.00015≈0.0010m A④游标卡尺带入校准结果的不确定度分量u4(ΔI)=│坠ΔI坠D│×ΔD=16×1062π441.343×800×2.24×0.02≈0.0016m A⑤钢卷尺带入校准结果的不确定度分量u5(ΔI)=│坠ΔI坠L│×ΔL=16×106π441.342×800×2.242×0.0003≈0.0009m A(4)不确定度合成u(ΔI)= u12(ΔI)+u22(ΔI)+u32(ΔI)+u42(ΔI)+u52(ΔI)%姨= 0.00072+0.0042+0.00102+0.00162+0.00092%姨=0.0046m A(5)扩展不确定度①一般校准k=2,因此扩展不确定度U=k×u(ΔI)=2×0.0046≈0.01m A②相对扩展不确定度Urel=0.0116×100%≈0.06%

五、结束语:
  由以上不确定度评估结果可以得出如下结论:本文所提出的校准方法可以对0.2级及其以下液位计开展校准业务。注:为提高评估结果的可靠程度,本文在计算“校准标准装置”所引入的不确定度分量时,引用的是“极限误差”而非其“标准不确定度”,请读者注意。


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