油田专用6m液位计检定装置的研制

郭立功 于佩瑞 张 成 刘 杰 刘子勇 王明军 关 聪

(1.中国计量科学研究院,北京 100029；2.大庆石油管理局技术监督中心,大庆 163453)



油田专用6m液位计检定装置的研制

郭立功1于佩瑞2张 成2刘 杰2刘子勇1王明军2关 聪2

(1.中国计量科学研究院,北京 100029；2.大庆石油管理局技术监督中心,大庆 163453)

研制的6m液位计检定装置以重复定位精度±0.01mm高精度直线运动单元、多圈绝对编码器和可调溢流口作为标准器，使用温度传感器测量6m不锈钢管和大气的温度，以高精度双轴倾角测量仪实时测量液位计安装法兰的倾斜，激光测距仪检测钢管长度的变化。

高精度直线运动单元安装在可调垂直的支架上，通过多圈编码器的伺服电机控制安装于运动单元法兰上的液位计运动；液位计插入装有水的垂直可调6m不锈钢管内。通过温度修正后的液位计相对溢流口平面的位移测量值(标准值)与温度修正后液位计液位测量值进行比较，即可得到被检液位计的测量误差。

直线运动单元的运动范围为0～6100mm，不锈钢管的有效长度为6170mm，考虑到液位计及溢流口位置，6m液位计检定装置的测量范围为0～6000mm，液位测量的不确定度为0.4mm(k=2)。

计量学；液位计；检定装置；测量范围；不确定度

0 引言

液位测量可以追溯到古代的水文测量，从欧洲文艺复兴开始的大工业时代，液位测量技术随石化行业发展、工业控制要求和大宗液态产品的储运与贸易交接需要而逐步发展起来，是过程控制、原油及液体石油产品贸易交接的重要目标。

液位计又称为液位传感器、液面计，是工业过程控制和测量系统中用以控制和指示液位的仪表，在石油能源、江河水文观察与监控、医药化工、冶金制造、水气处理与供应等行业，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方面应用广泛。

随着科技的发展，对液位的测量精度要求越来越高，如美国MTS、Danaher、Rosemount和德国Siemens的液位计，最大允许误差达到了±1mm甚至±0.1mm。

量程在0～6m的液位计大量应用于汽车油罐车、铁路罐车、油库卧式罐、加油站地埋罐。由于各种原因，按现有计量检定规程[1]要求，这种液位计大多数达不到要求，影响贸易结算液态商品的计量，引起计量纠纷或经济损失；另外还影响生产过程中的液位测量、产品质量控制、安全生产和节能降耗等，造成经济损失，甚至会发生重大人员伤亡安全事故。

为此，本文研究油田使用的0～6m量程的液位计检定装置(以下简称6m液位计检定装置)。

1 装置组成

装置由硬件和测控软件组成，测量系统的原理如图1所示，系统的三维效果见图2。

(a)液位计处于较高位置 (b)液位计处于较低位置图1 原理示意图

硬件包括：不锈钢管、溢流装置、伺服电机及驱动器、直线运动单元及支架、液位计支撑架、传感器(多圈绝对编码器、测倾传感器、温度传感器、压力传感器、激光测距传感器)。

软件：测量控制系统。

图2 三维图

2 液位测量原理

采用高精度多圈绝对编码器作为主标准器，溢流口保证液位高度一致(±0.2mm)，双轴倾角传感器测量液位计法兰安装面倾角，温度传感器测量钢管温度、水温以及环境温度。

液位测量的数学模型：

L= -L1×a ×(t1-20) +L2×

[1+a ×(t2-20)]×cosβ+l

式中：L为液位测量值，mm；L1为溢流口相对钢管底部的距离，mm；L2为高精度绝对编码器测量值相对最低位置的变化，mm；β为直线运动单元轴线与铅垂线夹角，rad；l为溢流口液位测量的重复性，mm；t1为钢管温度，℃；t2为直线运动单元支架温度，℃；a 为钢材的线性温度膨胀系数，a =13×10-6/℃。

3 测量结果分析

3.1 测量不确定度分量[2]

3.1.1L1的标准不确定度

溢流口相对钢管底部的垂直距离由激光跟踪仪校准。根据溢流口位置的校准证书，激光跟踪仪距离测量的标准不确定度为0.05mm，放大一倍后，取u(L1)=0.1mm。

3.1.2L2的标准不确定度

直线运动单元的重复定位精度为±0.01mm。高精度绝对编码器作为精密测长仪器，其每圈脉冲数为1000个，直线运动单元丝杠的导程为20mm，则每个脉冲相当于0.02mm。该编码器的测量不确定度为0.36°(1个脉冲)，相当于1×20/1000=0.02mm。则：

3.1.3β的标准不确定度

由双轴测倾传感器的性能决定，其指标如表1所示。

表1 双轴测倾传感器的性能指标

若检测过程中环境温度变化±5℃，该传感器角度测量的不确定度为：

=41.738″=2.0235×10-4rad

3.1.4l的标准不确定度

经过试验，溢流口液位测量的重复性为±0.2mm，则：

3.1.5t1的标准不确定度

温度传感器的测量标准不确定度为0.2℃，考虑到温度梯度等因素取u(t1)=1.0℃。

3.1.6t2的标准不确定度

温度传感器的测量标准不确定度为0.2℃，考虑到温度梯度等因素取u(t2)=1.0℃。

3.2 合成标准不确定度

β以0.5°、环境温度以变化±5℃计算，则：

L2=6000mm时，

u(L)= [(0.5×13×10-6×5)2+(6000×13×

10-6×1.0)2+(-6000×sin0.5×

0.0002024)2+(0.022×cos0.5)2+

(6000×cos0.5×13×10-6×1.0)2+

0.1152]1/2=0.16mm

L2=0mm时，

u(L)= [(0.5×13×10-6×5)2+(6000×13×

10-6×1.0)2+(-100×sin0.5×

0.0005427)2+(0.022×cos0.5)2+

(100×cos0.5×13×10-6×1.0)2+

0.1152]1/2=0.14mm

取u(L)=0.20mm。

3.4 扩展不确定度

取k=2，则U=2×u=0.40mm

可检液位计的最大允差的绝对值为：3×0.4/2×1.732≈1.0(mm)

4 结束语

通过测量不确定度分析，0～6m装置部分全量程液位测量不确定度为0.4mm(k=2)，可以开展最大允差的绝对值不小于1mm的液位计的检测。

[1] JJG 971—2002 液位计[M].北京:中国计量出版社,2002

[2] 国家质量技术监督局计量司.测量不确定度评定与表示指南[M].北京:中国计量出版社,2000

[3] 郭立功.液位计自动检测系统的技术更新[J].计量技术,2012(5):27-29

[4] 郭立功.液位计自动检测系统的研制[J].计量学报，2005(3):52-53

[5] 郭立功.油田专用新型液位计检定装置的研制与开发[R].北京：中国计量科学研究院，2014

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.15