磁致伸缩液位计

磁致伸缩液位计国家标准编制说明1. 任务来源根据国家标准化管理委员会计划函(2003)106号文下达的2003第二批制修订国家标准项目计划安排，北京航天神舟测控仪器有限公司为磁致伸缩液位计国家标准制订的负责单位，项目编号为：-T-604。任务起止年限为20032004。2. 编制原则本标准根据GB/T1.1-2000和GB/T1.2-2002标准化工作导则的规定编写。同时，坚持与现行有关标准协调、一致。本标准的编制参考了国内外大量相关产品的技术资料和说明书，本着通用性的原则，对相关产品的基本指标、技术性能、试验方法进行分析和归类。提取其共性，分析其差异，以满足现有产品的技术统一性和兼容性。使得标准满足现有大多数产品的需要。同时充分考虑国内外相关技术发展趋势，使得本标准满足技术先进性的要求。3. 工作简况负责单位接到下达的计划以后，于2004年初行文至有关单位及专家，要求落实标准制订工作组成员。在有关单位及专家的大力支持下，于2004年4月组成了磁致伸缩液位计国家标准制订工作组。其组成单位有： 北京航天神舟测控仪器有限公司、上海工业自动化仪表研究所、沈阳仪表科学研究院、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京航天计量测试技术研究所、中国石油化工销售公司计量站。标准主要起草人：潘年茂、程言峰、李永清、徐秋玲、李竞武、冯晓升、金丽辉、缪寅宵、宋伟。标准工作组于2004年9月1719日在北京召开了首次工作会议。会议着重对本标准制订工作进行了深入细致的讨论与研究，确定了制订方案，形成了“草案稿”。并发往工作组每个成员征求意见。在汇集各方意见的前提下，经过多次更改，形成“第4稿草案”。标准工作组于2005年1月2021日在北京召开了第二次工作会议。会议对“草案4”诸多细节问题进行了全方位的探讨，确立了标准的结构框架及基本内容，由程言峰执笔，拟定出了“征求意见稿”。4. 项目情况综述磁致伸缩液位测量技术是当今世界兴起的一项新技术。因其材料特性和结构特点，使其具备比其它原理的液位计更出色的优势：1) 在一个液位计测杆上可同时嵌入多路温度或压力传感器，可安装多个浮子用于液面、界面、密度的测量，从而实现多参数测量。2) 通过测量声波在固体中的传播时间的方法来实现位置测量的目的。声波在固体中的传播速度是固定的，受环境变化的影响很小；材料的声波传播速度适中，在3000m/s左右，比较容易达到高的时间测量分辨率。因此，该类型液位计具有较高的测量精度。3) 该类型液位计没有强制运动部件、结构简单、敏感材料强度，产品十分可靠。4) 连续实时测量，测量速度较快，有利于工业现场的实时监控。国内市场在开始阶段主要是已代理国外产品为主，经过近几年的努力，北京航天神舟测控仪器有限公司、沈阳仪表科学研究院等单位研制出具有自主知识产权的产品，并达到了国外同类产品的水平。目前国内没有类似的标准，不能满足磁致伸缩液位计的制造、检验和用户选用的要求。因此，本标准的制定和实施，将填补国内空白，并且，从技术经济等方面分析，时机已经成熟。5. 内容说明磁致伸缩液位计具有高精度、高稳定性、高可靠性、性价比好等特点，可用各种工业测量控制场合，也可以作为计量器具使用。因此，有别于传统意义上的传感器和液位计，可借鉴的资料不多。在标准制订过程中，为了在不失去产品先进性的前提下，便于指导产品的选型、生产、试验和计量，我们针对本标准中涉及的名词术语、技术指标、测试方法等都做了深入的探讨。下面就相关问题作出必要的说明。5.1 本标准申报时的项目名称为：“磁致伸缩液位传感器”。在首次工作会议提出：将其改为“磁致伸缩液位计”比较合适。经与会专家协商，认为前者比较符合军工行业的习惯，后者是工业企业的通常称呼。同时，在现有标准中，多采用“液位计”、“液位仪表”的称呼，例如：GB/T13969-92浮筒式液位仪表、GB/T14324-93电容液位计、JJG971-2002液位计。因此，会议决定本标准的名称采用“磁致伸缩液位计”，并明确了其英文名称为：“Magnetostrictive Liquid Level meter”。5.2 由于磁致伸缩液位测量技术的特殊性，该类型液位计不仅可以测量液位，也可测量液体分界面和液体密度。同时，还可在一个测杆中增加温度、压力等参数的测量。因此，市场上常见的该类产品大多是复合型的，具有多参数测量、多功能、多用途等特点。我们在编写标准中的“产品分类”和“基本参数”时，对该类型常见的产品进行了高度的概括，以突出本标准的中心思想和制订重点，让标准使用者能够快速、清晰地了解产品的技术脉络。标准中，和“液位测量”无关的产品技术状态几乎没有提及，而这些对于实际产品的研制也是很重要的，需要在相应的企业标准中说明。5.3 有一些产品技术状态和“液位测量”有关联，如：浮子性能、温度测量（数据可用于液位修正）、液面和界面的最小距离等。它们因厂家不同，差异比较大，很难统一规定。同时，它们基本上属于附件或附属功能，不是该类型产品的技术关键点。因此，在本标准中没有具体规定。5.4 本标准中的4.3条“供电电源”，是根据常见的新型工业仪表的技术指标制定的，符合工业仪表的发展方向。因此，不再推荐使用其他类型的电源形式。5.5 某些磁致伸缩液位计的测杆部分可以承受高温（300左右），但各厂家技术状态不一样，很难统一。并且，此类产品的推广面不宽。因此，本标准没有对其进行规定，只对液位计整机需要承受的环境温度做了详细规定（第4.5条）。5.6 该类型产品在石油、石化、化工等行业应用比较广泛，因此，需要产品有较高的“防护”和“防爆”性能，为此，在标准中做了详细规定（第4.7、4.8条）。5.7 本标准在编写过程中，起草小组针对液位计的静态性能指标，主要是精度指标做了大量细致深入的研究和讨论。主要内容包括：1) 该液位计和其它类型的液位计相比，具有高精度的特点，完全可以做为计量器具使用。精度指标和相关内容制定的好坏，将直接关系到本标准的好坏。2) 在对产品误差标称值的称呼上，通常有以下几种：基本误差限、示值误差、总不确定度等。其中，“不确定度”的概念比较符合计量技术的发展趋势，我国也在大力推广。为此，我们也做了一些尝试工作，发现如采用该概念，需要进行大量的建模和理论计算工作，不符合国内目前的需要。因此，我们采用了JJG971-2002中使用的“示值误差”的概念。该概念比较好理解，也可保证产品校准和检定的连贯性。3) 该类型液位计的误差主要表现为线性度，而回差、重复性都很小。所以，在标准最初的草案中没有列出这两项，主要是考虑到要确切地测定则出它们的量级大小，需要精度很高的测量设备，这无疑会增加产品的成本。后经会议协商，认为为了与现行有关标准的协调性，为了便于相关产品的比对，本标准规定了“回差”和“重复性”的量级和测试计算方法。由于该方法没有采用高精度的设备，对这两项指标的规定和相应测试数据，不能反映出产品真正能够达到的技术工艺水平。4) 磁致伸缩液位计是一种基于位置测量原理的产品，校准采用比对法比较合适，通常包括：水校法、干校法。水校法是靠液面的带动液位计的浮子运动，干校法是用机械装置带动液位计浮子。水校法更接近于实际情况，可以同时考虑到浮子引起的误差，但设备较大（尤其是大量程产品，需要基建），参考标准（标准尺）也不太容易建立，干校法则相反，一般在室内水平放置，容易实现，便于使用。在本标准中，没有提及具体方法，而是采用了概括性的描述“随动机构”。对于水校法，可理解为包括：水泵、水箱（管）、连通器、流动介质等的管道设备；对于干校法，可理解为包括：电机、同步齿轮、丝杠、直线划轨等的机械结构。总的来说，本标准没有规定校准的具体方法，企业可根据自己的实际情况来研制或选用合适的设备。5) 通常传感器校准时，选择的校准点都是固定的。就是说，对于多次测量而言，对于同一校准点，传感器的输入量是相同的。在GB/T18459和GB/ T15478中规定的静态性能指标计算方法，都是基于实际校准点相同这一假设的。该液位计可以理解为精度较高的传感器，也可使用上述的计算方法。但这就要求“随动机构”的控制精度必须非常高，才能达到校准测量的要求，这无疑使研制校准设备很困难，特别是自动测试的情况。为此，本标准结合该液位计的特点，在GB/T18459和GB/ T15478的基础上，对计算方法做了一定的改进，不再需要“随动机构”运动定位到校准点规定的一个点上，而是到附近就可以了，由此带来的校准点不一致的问题通过最小二乘法和归一化计算来弥补。这样，就大大降低了校准设备的技术难度，并可以有效提高生产效率。5.8 依据常见的工业环境对电子产品的要求，本标准规定了电磁兼容性指标。5.9 本标准中的名称术语和各条款的规定，大多借鉴于常见的传感器、液位计、工业仪表的国家标准和行业标准。便于仪器仪表专业人员的理解和引用。6. 主要试验分析按照本标准的规定，我们做了部分验证性试验。试验采用北京航天神舟测控仪器有限公司生产的HTA200系列两线制磁致伸缩液位传感器，型号为：HTA200-2000-B -1-S。具体指标如下：1) 量程范围：2m；2) 上盲区：80mm；3) 下盲区：15mm；4) 供电电源：9V36V.DC，额定值24V.DC；5) 输出信号：两线制4mA20mA，负载电阻100750；6) 示值误差：1mm，（相当误差：0.05%）；7) 环境温度：-4085；8) 额定工作压力：1.6MPa；9) 防爆等级：ExiaIICT6。6.1 试验仪器名称型号性能稳压电源DH1718-4双路032V可调数字万用表HP34401A6位半游标卡尺量程：3m，分辨率：0.02mm高低温箱控温范围：-60150，精度：16.2 与准确度有关的试验试验目的是：验证产品是否符合本标准第5.1、5.2、5.3、5.4条的规定，试验方法按照本标准第6.3条的规定进行。标准尺采用3m游标卡尺，随动机构采用自制的工装，校准点调整采用手动方式，校准点数为11个。采用手动方式时，测试点可以精确定位，但为了模拟使用自动测试设备的情况，我们仅将测试点移动到校准点的附近（这样也可缩短操作时间）。经测试得到的试验数据如下：校准点第1次 正行程第1次 反行程ixi (mm)k输入量 (mm)输出量(mA)k输入量 (mm)输出量(mA)1010.03.998 221.8 4.013 22002197.95.585 21201.5 5.613 34003400.57.207 20400.7 7.209 46004598.78.794 19599.8 8.802 58005802.210.422 18797.4 10.384 610006999.512.001 171001.6 12.018 7120071197.413.584 161199.6 13.602 8140081398.615.193 151399.1 15.197 9160091600.216.805 141599.6 16.800 101800101802.718.423 131798.2 18.387 112000112002.320.018 122001.3 20.010 校准点第2次 正行程第2次 反行程ixi (mm)k输入量 (mm)输出量(mA)k输入量 (mm)输出量(mA)10232.9 4.024 441.1 4.010 220024199.0 5.594 43197.7 5.584 340025398.8 7.194 42398.2 7.189 460026601.3 8.815 41599.2 8.798 580027797.1 10.382 40800.7 10.411 61000281000.0 12.005 39997.8 11.987 71200291199.6 13.601 381201.8 13.619 81400301397.5 15.185 371399.3 15.199 91600311598.8 16.794 361598.2 16.789 101800321798.6 18.391 351800.1 18.403 112000332000.6 20.005 342001.4 20.011 校准点第3次 正行程第3次 反行程ixi (mm)k输入量 (mm)输出量(mA)k输入量 (mm)输出量(mA)10450.4 4.005 661.64.011 220046200.2 5.604 65198.0 5.586 340047399.4 7.198 64402.3 7.221 460048602.2 8.822 63598.6 8.793 580049798.4 10.392 62799.4 10.400 6100050999.9 12.004 61997.7 11.986 71200511197.5 13.585 601202.2 13.622 81400521399.3 15.199 591402.8 15.227 91600531601.0 16.811 581600.5 16.807 101800541799.4 18.397 571802.7 18.423 112000551999.8 19.999 562000.7 20.006 采用公式（2）、（3）计算得：a=4.，b=0.，采用公式（4）对测量数据进行归一化计算，得下表的数据：校准点第1次 yi (mA)第2次 yi (mA)第3次 yi (mA)ixi (mm)正行程反行程正行程反行程正行程反行程103.99803.99864.00084.00124.00183.998222005.60185.60105.60205.60245.60245.602034007.20307.20347.20367.20347.20287.202646008.80448.80368.80468.80448.80448.8042580010.404410.404810.405210.405410.404810.40486100012.005012.005212.005012.004612.004812.00447120013.604813.605213.604213.604613.605013.60448140015.204215.204215.205015.204615.204615.20469160016.803416.803216.803616.803416.803016.803010180018.401418.401418.402218.402218.401818.401411200019.999619.999620.000219.999820.000620.0004采用公式（5）、（6）、（7）计算各理论平均值得：ixi (mm)104.00023.99933.999722005.60205.60185.601934007.20317.20317.203146008.80448.80408.8042580010.404810.405010.40496100012.004912.004712.00487120013.604713.604713.60478140015.204615.204515.20459160016.803316.803216.803310180018.401818.401718.401711200020.000019.999920.0000采用公式（8）计算得：YFS16mA。采用公式（9）计算非线性度：。采用公式（10）计算回差：。采用公式（11）计算重复性：。6.3 温度性能试验按照标准第6.4.2条的规定，进行温度性能试验，得以下测试数据：温度（）20-408520-408520输出量(mA)12.00212.02811.98212.00812.03211.97512.00510变化量0.036%0.031%0.033%0.033%0.038%0.039%因0.039%0.05%，温度性能符合要求。6.4 负载