液位标准装置的不确定度分析

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Evaluation of uncertainty about liquid level standard deviceLU Shuo，MU Ke，TONG Shi-zhong，FU Gui-zengnstitute ofnformation&Control Engineering，Liaoning University ofPetroleum&Chemical Technology，Fushun 113001，ChinaAbstract：This paper describes the principle of liquid level standard device which USeS dual-frequency laser interfemmeter formeasuring device，and analysises the main affective factors，by using A 、B two methods and actual application of calculationformula analysises the results of the measurement uncertainty.The‰ of liquid level standard device is 0.022 36 mm，the U is0.06 708mm.

Key words：uncertainty evaluation；liquid level standard device；level gauge；dual-frequency laser interferometer液位仪表常用于过程控制中的液位监测↑年来，石油工业对油罐液位计量的自动化要求不断提高 .使得液位仪表在油罐计量领域崭露头角。由于进行贸易交接的立式金属罐容量较大，十分微小的测量误差都会造成很大的绝对误差 。

2008年国际计量组织0ML发布了 R85用于测量储油罐的液位仪表31。这标志着液位仪表应用于油罐计量领域被国际计量组织认可，可作为计量器具用于商业交接中。

在国家授权下现已建立起液位标准装置。用于检定和标定各类液位计计量仪表 ，按照国家标准完成-个认证任务。由于该装置要求有极高的精度100 tm，所以需要考虑各方面因素对其最终测量精度的影响，并得出最终的不确定度评定4J。

1 液位标准装置的测量原理如图 1所示，液位标准装置是由双频激光干涉仪、浮子和 25 m高立式储罐构成。双频激光干涉仪竖直的置于标准罐顶部 .激光透过标准罐顶部的玻璃照射到浮子上的全反射棱镜锥体棱镜，全反射棱镜将照射来的激光按原光路反射回双频激光发射器内的接收装置。当液位变化时。浮子的位置随之变化 ，双频激光发射器到浮子的距离也就跟随着浮子的高低发生了变化。由此.利用双频激光干涉仪的测量原理测量液位。

收稿 日期 ：2013-03-20 稿件编号 ：201303239作者简介：刘 硕1987-，女，辽宁抚顺人，硕士研究生。

- 108--图1 液位标准装置原理结构图Fig.1 Structure diagram of liquid level standard device2 不确定度评定分析装置结构和测量方法可知.液位标准装置测量的主要不确定度有 ：浮子浸没深度不确定度 ；光路对测量精度影响引起的不确定度 ：双频激光干涉仪本体的影响等。下面对各主要因素引起的不确定度分量进行分析与计算。

2.1 浮子浸没深度影响引起的不确定度分量原理如图2所示，内浮子上半部分为圆柱，底部为圆台，浮子研究方向：计量、仪表。

刘 硕，等 液位标准装置的不确定度分析图2 内浮子结构图Fig.2 Structure diagram of inside float受到自身重力和浮力 .所以根据阿基米德原理及圆台、圆柱的体积计算公式可计算出浮子浸没深度hh !± ； 1其中：h为浮子浸没深度，h 自为浮子圆柱部分浸入液体的高度 .p 为水的密度 ；m为浮子质量 ； 目自为圆台高度 ；冗为圆台大圆半径；r为圆台小圆半径。分析其特点可知，此不确定度采用 B类判定方法。

又 R4.597 25x102 m，uR3x10 m；r-.502 4x102 in，ur3xlO m；m0.403 893 kg.um2lO kg；浮子整体高度 ：hO.120 005 m，浮子圆柱部分高度： 0.110 053 m，且 uh3xlO。6 m，uh 3×lO。6 m；h目自-h 0.009 952 in 2uh 自V'3lO43xlO N/2x3x10420.424 264xl0-5 m 3P999.099 kg/m 水在 l5℃时的密度注：在此已考虑温度对水的密度的影响。经过计算得知，在 15～25℃范围内.水在 15℃时的不确定度最大。

密度计最大允许误差为O.1 kg/m ，服从均匀分布阁：Hp ： 0.057 735 ks/m 4V 3根据不确定度计算公式可得12h.

、/u z 2 2 2 ≈ 告·号 · ur.p 9rO.602 93x10 5u1 0.602 93x10 mm2.2 光路对测量精度 影响引起 的不确定度Edlen公式及其修正公式.是以温度、压强、水蒸气压力为参数的公式。-般由湿度计测量出的是相对湿度值，而不是蒸汽压力值。因此，Edlen公式及其修正公式在应用中受到了限制.需转换为以相对湿度为参量的大气折射率的计算公式圈脚 877 74×10叩 1o- 2.58XO-gRH ·lu.UUlj OOlexpO.059t1 6式中，P为气体压强 ；t为气体温度；RH为相对湿度；分析其特点，该不确定度采用 B类判定方法嘲。

2.2.1 压 强测量引起的不确定度压强的测量采用的是压力变送器，量程为 7O-120 kPa。

准确度为0.5%FS.所以全量程的标准不确定度为：- 120-70-x0.005-：0.144 kPa 7 、/3又在压强为 1叭.325 kPa、温度为 2O℃、湿度为 60%条件下：2877 74×10 -1-21x10 qP丽60 .1- O.97-2t0.002 68x10所以 由压强测量引起的不确定度分量J 0.385 92xl mm892.2.2 温 度测 量引起 的不确 定度温度 的测量采用 的是温湿-体变送器 ，温度量程为o 1o0℃，准确度为±o.3 oC， 产 ：0.173 oC，在压强为、/3101.325 kPa、温度为 20℃、湿度为 60%条件下：婴Ot7 74 UU J -l lU. 00lJ.

0.152xlORH-expO.059t-0.93x10 1O所以由温度引起的不确定度分量为：u l l 0.16089×10 film 2.2.3 相对湿度测量 引起的不确定度相对湿度的测量采用的是温湿-体变送器 。湿度量程为0～O0%RH，准确度为1%rh，所以由相对湿度引起的标准不确定度： ：0.58%rh/，p 12，/ --二- Lz JV 3又 等 2-58×lOr6.expo·059-0·08 4·10-6 13所以 由相对湿度引起的不确定度分量∞l 啪0-487 2x10 。mm 142.2.4 以相对湿度为参量的大气折射率公式引起的不确定度通过计算可知，该公式引起的不确定度为 5xl04。公式的精度包括以下 3项：改进Elen公式的不确定度 3xl0-s：简化误差约100 Pa，对大气折射率计算值的影响±3.6xlO ；假定 CO2含量偏离 100 ppm，对大气折射率计算值的影pQ.5xl 。

2.2.5 光路对测量精度影响引起的不确定度合成因为 P、t、RH相互独立。所以H 、/ 以u矗5×l O.168 5xl mm 15u2 0.168 5xl0-6 mm 162.3 重复性试验带来的不确定度表 1为同-液位下短时间内 10次测量结果。

该不确定度采用 A类判定方法，得出∑施 j 5 985·736 30 mm 7萍i1 .。 m《电子设计工程2013年第l9期所 以 ta-o-xo.022 36 mm 192.4 双频激 光干涉仪本体 的影 响根据产品说明书可知 ，干涉仪的误差为 1 ppm，也就是±lx10mm。该不确定度采用 B类判定方法，所以 o.577 35x10-7 mm 20V 33 不确定度合成各不确定度分量相互独立 ，所以 、/M；j O.022 36 mm 214 展伸不确定度赛含因子 J3.则展伸不确定度UkucO.067 08 mm 225 结 论通过对液位标准装置的结构及测量原理 的分析，罗列出了各影响因素的不确定度分析，并进行不确定度的合成 ，最终得出液位标准装置测量标准不确定度 为 0.022 36mm.展伸不确定度 为0.067 08 mm。

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