浮筒液位計(jì)的構(gòu)造及故障處理

　　前言

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位檢測(cè)中有一類儀表通過把傳感器投入到被測(cè)液體中，依其所受的浮力進(jìn)行液位檢測(cè)，這類儀表統(tǒng)稱為浮力式液位檢測(cè)儀表。浮力式液位儀表又根據(jù)傳感器所受浮力的大小是否隨液位變化而分為恒浮力和變浮力式液位儀表。

　　恒浮力式液位儀表在運(yùn)行中所受浮力不隨液體的高度而變化，即傳感器始終漂浮于液面之上，傳感器的高度即是液體的高度，這樣的液位檢測(cè)儀表種類較多，如浮盤、浮子、浮球等液位計(jì)。變浮力液位儀表在運(yùn)行中所受的浮力會(huì)隨著液體的高度而變化，傳感器不能漂浮在液體之中，傳感器的高度無法表征液體的液位，需使用其它的轉(zhuǎn)換方法才能得知液體的高度，這樣的液位檢測(cè)儀表應(yīng)用最多的是浮筒液位計(jì)。

　　浮筒液位計(jì)的構(gòu)造和測(cè)量原理

　　浮筒液位計(jì)的傳感器——浮筒在整個(gè)檢測(cè)中都不會(huì)隨著液面的變化而漂浮，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)楦⊥惨何挥?jì)的浮筒相比浮子、浮盤來說沉得多，浮筒所受的浮力不足以克服其本身的重力而漂浮。即使液位全滿，浮筒全部浸沒入液體中，浮筒所受的浮力也不能克服自身的重力，所以浮筒液位計(jì)也叫沉筒液位計(jì)。

　　測(cè)量原理

　　當(dāng)被測(cè)液體無液位時(shí)，浮筒不受浮力，浮筒頂部所接的連接鋼絲處于緊繃狀態(tài)，扭力桿受浮筒重力影響產(chǎn)生一個(gè)固定的扭轉(zhuǎn)力，此時(shí)浮筒液位計(jì)應(yīng)輸出4毫安電流，即浮筒液位計(jì)為零點(diǎn)。

　　當(dāng)被測(cè)液體的液位上升時(shí)，液體進(jìn)入測(cè)量筒，浮筒桿隨著液位的升高，排出的液體體積不斷增多。根據(jù)阿基米德定律，物體所受的浮力等于這個(gè)物體所排出的液體的體積重量。由于浮筒桿是一個(gè)體積小重量沉得金屬管，浮筒所排出的液體重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于浮筒本身的重量，因此浮筒上部的連接件仍然處于緊繃狀態(tài)，扭力桿承受著浮筒重力減去浮筒所排出液體的重量(浮筒的浮力)產(chǎn)生一個(gè)變化的扭轉(zhuǎn)，此時(shí)浮筒液位計(jì)輸出一個(gè)變化的大于4毫安的電流。

　　當(dāng)被測(cè)液體的液位達(dá)到最高，此時(shí)浮筒全部浸沒入被測(cè)液體，此時(shí)浮筒所排出的液體的體積重量為一固定數(shù)值，此時(shí)扭力桿所承受的扭轉(zhuǎn)力為浮筒自身重量減去浮筒所排出的液體的重量，此時(shí)扭力桿承受著一個(gè)固定的扭轉(zhuǎn)力，浮筒液位計(jì)輸出的電流為20毫安，即浮筒液位計(jì)的滿度。

　　根據(jù)阿基米德定律，整個(gè)液位測(cè)量過程中浮筒上部連接鋼絲所承受的拉力

　　F= mg-ρVg=G -πd2/4ρgH

　　公式中G為浮筒的重量，d為浮筒的外徑，ρ為被測(cè)液體的密度，H為被測(cè)液體的高度。

　　上述的公式經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)椋?/p>

　　H=4(G-F)/πd2ρ=K(G-F)/ρ

　　式中K為一固定常數(shù)4/πd2

　　從公式中可以看出鋼絲所受的拉力F在液體密度ρ一定的情況下，與被測(cè)液體的高度H成單值對(duì)應(yīng)的反比關(guān)系。只要檢測(cè)出浮筒上部鋼絲的拉力F即可得出被測(cè)液體的高度。

　　浮筒液位計(jì)的構(gòu)造

　　一、浮筒液位計(jì)的分類

　　浮筒液位計(jì)按照浮筒所裝位置的不同也分為內(nèi)浮筒和外浮筒兩種類型，所謂內(nèi)外的劃分是指浮筒安裝的場(chǎng)所，在被測(cè)液體的容器中就是內(nèi)浮筒，在被測(cè)液體容器之外就叫外浮筒。

　　內(nèi)浮筒液位計(jì)本身不帶測(cè)量筒，浮筒直接安裝在盛有液體的容器中，其主要應(yīng)用于零位罐、地下池等低于地面的環(huán)境。內(nèi)浮筒液位計(jì)通過頂部法蘭垂直安裝在這些容器的頂部。

　　外浮筒液位計(jì)本身帶有測(cè)量筒，測(cè)量筒上下通過接口法蘭與被測(cè)液體的容器側(cè)面相連，形成一個(gè)等液位的連通器，浮筒通過頂部的扭力桿和連接鋼絲懸掛在測(cè)量筒中心。

　　現(xiàn)場(chǎng)使用的浮筒液位計(jì)如圖：

　　現(xiàn)場(chǎng)用于連鎖系統(tǒng)的浮筒液位計(jì)如圖：

　　二、浮筒液位計(jì)的構(gòu)造

　　浮筒液位計(jì)的主要由以下幾部分構(gòu)成：浮筒、連接件(鋼絲、固定卡)、扭力桿、扭力傳感變送器以及測(cè)量筒(外浮筒)等表體附件。

　　浮筒是一個(gè)器壁很厚的金屬管兩端焊死，一端留有一個(gè)接口環(huán)為浮筒的上端。

　　浮筒結(jié)構(gòu)如圖所示：

　　連接鋼絲是一個(gè)韌性好性變小的不銹鋼條，一端連接固定在浮筒拉環(huán)上，一端固定在扭力桿的固定卡上，把浮筒和扭力桿連接起來，是一個(gè)力的軟傳導(dǎo)部件。

　　扭力桿是一個(gè)機(jī)械的扭轉(zhuǎn)臂，把連接鋼絲上由浮筒重力和液體浮力相互作用產(chǎn)生的拉力，轉(zhuǎn)換為繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸位移。

　　連接鋼絲與扭力桿的結(jié)構(gòu)如圖：

　　扭力傳感變送器對(duì)扭力桿臂上的軸位移進(jìn)行檢測(cè)處理轉(zhuǎn)換，然后與變送器內(nèi)部程序參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較，計(jì)算得出此時(shí)的液位高度，顯示并輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)遠(yuǎn)傳。實(shí)現(xiàn)液體的液位檢測(cè)。

　　變送器的結(jié)構(gòu)如圖：

　　浮筒液位計(jì)的校準(zhǔn)

　　作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)儀表，浮筒液位計(jì)需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)，以此確認(rèn)浮筒液位計(jì)的準(zhǔn)確度和線性度;現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的浮筒液位計(jì)出現(xiàn)故障維修后也要對(duì)浮筒液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)使其能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用。兩種校準(zhǔn)工作的目的不同，實(shí)際使用中往往側(cè)重于后者。浮筒液位計(jì)的校準(zhǔn)有標(biāo)準(zhǔn)法——砝碼掛重法和比對(duì)法——現(xiàn)場(chǎng)水校法兩種方法。

　　一、掛重校準(zhǔn)法

　　由浮筒液位計(jì)的測(cè)量原理可知，浮筒液位計(jì)是根據(jù)扭力的大小來測(cè)算液體的液位高度的。因此浮筒液位計(jì)的校準(zhǔn)應(yīng)該按照設(shè)定的扭力大小來進(jìn)行零點(diǎn)、滿度校準(zhǔn)，這種校準(zhǔn)方法叫做掛重法校準(zhǔn)。如同靶式流量計(jì)的校準(zhǔn)過程，浮筒液位計(jì)也需要通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼來模擬浮筒受力的大小，分別調(diào)校浮筒液位計(jì)的零點(diǎn)和滿度。

　　砝碼掛重法的校準(zhǔn)精度高、線性度好，可全量程范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)校，主要用于浮筒液位計(jì)本身性能檢測(cè)的定期校準(zhǔn)，此外內(nèi)浮筒液位計(jì)由于自身沒有測(cè)量筒其校準(zhǔn)也用這種方法。

　　砝碼掛重法校準(zhǔn)浮筒液位計(jì)，首先要計(jì)算浮筒液位計(jì)零點(diǎn)和滿程下的鋼絲拉力，通過公式：F=mg-πd2/4ρgH可得液位為零時(shí)所需砝碼的重量就是浮筒本身的重量。滿程時(shí)所需砝碼的重量即H為最大值時(shí)F的數(shù)值，此時(shí)被測(cè)液體的密度ρ值為標(biāo)準(zhǔn)狀況下液體的密度。

　　校準(zhǔn)時(shí)要把浮筒從連接鋼絲上取下，用輕質(zhì)的塑料袋分別放入零點(diǎn)和滿程時(shí)所需的砝碼，觀察變送器的顯示看零點(diǎn)、滿程是否準(zhǔn)確，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。然后在分別計(jì)算出液位高度為25%、50%、75%三點(diǎn)所需的砝碼重量，然后掛載查看液位計(jì)的線性度。

　　二、現(xiàn)場(chǎng)水校法

　　水校法是外浮筒液位計(jì)普遍的校準(zhǔn)方法，其通過用生活中最易獲得的潔凈的自來水作為被測(cè)液體進(jìn)行模擬測(cè)試。這種校準(zhǔn)方法不用拆卸液位計(jì)可在現(xiàn)場(chǎng)快速的調(diào)校，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)外浮筒液位計(jì)設(shè)定校準(zhǔn)、故障維修校準(zhǔn)和零點(diǎn)滿度查看校準(zhǔn)中。

　　用水現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)浮筒液位計(jì)時(shí)，首先要修改變送器內(nèi)的參數(shù)，把被測(cè)液體的密度值改為水的密度，然后得出新的測(cè)量范圍，注意此測(cè)量范圍不能超出變送器最大承受范圍。水校法是一種比對(duì)校準(zhǔn)法。潔凈的自來水的密度看作1，被測(cè)液體的密度ρ與水的密度進(jìn)行比較，可得出三種狀況：

　　1、若被測(cè)液體的密度大于1，則用水校法校準(zhǔn)時(shí)即使測(cè)量筒全部充滿自來水也無法達(dá)到被測(cè)液體滿程時(shí)的鋼絲拉力值，此時(shí)的校準(zhǔn)最大值在真實(shí)設(shè)定范圍以內(nèi)，屬于不完全校準(zhǔn)。

　　2、若被測(cè)液體的密度小于1，用水校準(zhǔn)時(shí)當(dāng)測(cè)量筒內(nèi)充滿自來水時(shí)其鋼絲拉力超出正常設(shè)定范圍，特別是被測(cè)液體密度非常小時(shí)，超量程的校準(zhǔn)有可能損壞變送器，此時(shí)應(yīng)查看浮筒標(biāo)牌上的參數(shù)范圍要求，進(jìn)行校準(zhǔn)高度換算使水不能充滿測(cè)量筒，保護(hù)變送器免遭損壞。

　　3、當(dāng)被測(cè)液體的密度與1非常接近時(shí)，此時(shí)用水模擬被測(cè)液體進(jìn)行校準(zhǔn)效果最好。

　　現(xiàn)場(chǎng)初次安裝外浮筒液位計(jì)時(shí)進(jìn)行水校設(shè)定如圖：

　　現(xiàn)場(chǎng)水校法操作步驟

　　1、準(zhǔn)備工作

　　首先把外浮筒液位計(jì)切出，關(guān)閉外浮筒前方的手閥，打開排污泄壓閥，排放測(cè)量筒內(nèi)的被測(cè)液體，擰開測(cè)量筒頂部的排氣絲堵，用潔凈的自來水從絲堵處灌入測(cè)量筒，充分清洗置換測(cè)量筒內(nèi)殘留的被測(cè)液體和臟污雜質(zhì)。

　　2、修改測(cè)量范圍

　　修改變送器內(nèi)參數(shù)，把被測(cè)液體的密度改為1，查看新的測(cè)量范圍是否超出最大許可。

　　3、零點(diǎn)的校準(zhǔn)。

　　測(cè)量筒清洗干凈后，查看變送器的零點(diǎn)是否為4毫安，若有偏離則調(diào)校零點(diǎn)。

　　4、滿度的校準(zhǔn)

　　關(guān)閉測(cè)量筒底部的排污閥，從測(cè)量筒頂部絲堵處倒入自來水直至灌滿為止，觀察變送器的顯示是否為滿度20毫安，若有偏離進(jìn)行滿度調(diào)整。

　　5、線性度查看

　　輕微開啟測(cè)量筒下方的排污泄壓閥，讓測(cè)量筒內(nèi)的自來水緩慢的流出，查看變送器顯示是否線性的減小直至為零點(diǎn)下的4毫安，若零點(diǎn)不準(zhǔn)，再次進(jìn)行調(diào)校。

　　測(cè)量筒內(nèi)的水全部排完后，再次關(guān)閉排污閥，然后緩慢的從絲堵處倒水，查看變送器的顯示是否線性的緩慢增大直至為20毫安。若滿度不準(zhǔn)，再次進(jìn)行調(diào)校。

　　重復(fù)幾次查看浮筒液位計(jì)的變化過程是否線性，有無死數(shù)、跳數(shù)、突變現(xiàn)象。

　　6、結(jié)束投用

　　校準(zhǔn)結(jié)束后，把變送器內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的密度在改回原來的設(shè)定值，擰好測(cè)量筒頂部絲堵，關(guān)閉底部的排污閥，投入浮筒液位計(jì)，校準(zhǔn)工作結(jié)束。

　　浮筒液位計(jì)故障及排除

　　浮筒液位計(jì)是基于阿基米德原理制成的，通過公式
H=K(G-F)/ρ可以得出，只有被測(cè)液位高度H與鋼絲上的拉力F成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能準(zhǔn)確的得出被測(cè)液位。此時(shí)公式中G和ρ為一個(gè)固定的數(shù)值。

　　實(shí)際的使用中，G和ρ的數(shù)值會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致上述的測(cè)量公式中H與F的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系打破，造成測(cè)量不準(zhǔn)確.

　　一、浮筒自身重量的改變?cè)斐傻挠绊?/p>

　　G為浮筒桿的重量，使用中被測(cè)液體內(nèi)的雜質(zhì)會(huì)逐漸吸附沉淀到浮筒桿的外表面，造成浮筒的整體重量G不斷增加，特別是在臟污介質(zhì)的測(cè)量中，如果外浮筒液位計(jì)的測(cè)量筒長(zhǎng)期不進(jìn)行維護(hù)排污，浮筒桿的外表就會(huì)吸附較多的污物，造成浮筒整體重量變大，使浮筒液位計(jì)的零點(diǎn)變高。

　　處理的方法：定期排污清洗置換測(cè)量筒的介質(zhì)，最大可能的消除浮筒外表面吸附的臟污雜質(zhì)，查看零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)校，始終保證液位為零時(shí)變送器檢測(cè)到的扭力與變送器參數(shù)設(shè)定里的應(yīng)力相同。

　　二、被測(cè)液體密度變化造成的影響

　　ρ為被測(cè)液體的密度，相比較浮筒外表吸附雜質(zhì)引發(fā)的測(cè)量零點(diǎn)偏移，被測(cè)液體的密度變化造成的測(cè)量誤差更為嚴(yán)重。從公式看液體密度ρ是一個(gè)分母值，其貫徹于測(cè)量的全程，如果被測(cè)液體的真實(shí)密度偏離設(shè)定密度，則公式的斜率就會(huì)發(fā)生變化，造成浮筒液位計(jì)測(cè)量點(diǎn)的整體偏移設(shè)定軌跡，導(dǎo)致浮筒液位計(jì)全程顯示不準(zhǔn)確。被測(cè)液體密度ρ發(fā)生變化主要有以下兩點(diǎn)造成：

　　1、維護(hù)工作不到位

　　外浮筒液位計(jì)維護(hù)不及時(shí)，造成測(cè)量筒內(nèi)的液體長(zhǎng)期在靜止?fàn)顟B(tài)下變質(zhì)和雜質(zhì)沉淀，致使浮筒桿所處的被測(cè)液體的密度發(fā)生變化，而引起測(cè)量不準(zhǔn)確。

　　處理方法：對(duì)外浮筒的測(cè)量筒內(nèi)的變質(zhì)液體進(jìn)行排污和置換，讓新鮮的液體充滿測(cè)量筒。

　　2、設(shè)定密度與實(shí)際密度不一致

　　變送器內(nèi)部設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)密度與實(shí)際生產(chǎn)中的液體密度不一致造成測(cè)量不準(zhǔn)，其可分為臨時(shí)性不一致和間斷性不一致兩種情況。

　　臨時(shí)性不一致主要發(fā)生在裝置開車期間，由于生產(chǎn)的不穩(wěn)定性或者各種開車置換物料的相互轉(zhuǎn)換(水洗、油運(yùn)、物料組分變化)被測(cè)液體的密度與正常運(yùn)行液位計(jì)設(shè)置的密度不一致，而使浮筒液位計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)。此時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理，若裝置開車快速液位要求不嚴(yán)格可以不用處理，等裝置運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)測(cè)量筒內(nèi)液體置換為正常的液體后顯示即恢復(fù)正常。若裝置開車時(shí)對(duì)于浮筒液位計(jì)依賴性較強(qiáng)，被測(cè)容器的液位要求嚴(yán)格，則可根據(jù)容器內(nèi)實(shí)際的物料組分密度進(jìn)行間歇性的修改，裝置正常后在改回原來的密度。

　　間斷性不一致，若裝置內(nèi)運(yùn)行的物料會(huì)發(fā)生間歇性的改變，如我廠一套潤(rùn)滑油裝置會(huì)根據(jù)市場(chǎng)的需求隨機(jī)加工不同的原料，此時(shí)原有設(shè)定在浮筒參數(shù)里的介質(zhì)密度與新的介質(zhì)密度不一致，就需要變換為新物料的密度，其液位顯示才會(huì)準(zhǔn)確。

　　三、變送器故障

　　變送器故障發(fā)生的幾率較少，最常見的故障就是變送器的零點(diǎn)發(fā)生漂移，此時(shí)應(yīng)對(duì)浮筒液位計(jì)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)校。此外變送器要做好防水工作，現(xiàn)場(chǎng)很多變送器故障就是因?yàn)樽兯推鞣浪ぷ鳑]有做好致使雨水進(jìn)入變送器接線端引發(fā)短路、對(duì)地泄流甚至燒毀電路板的故障。

　　四、防凍措施

　　外浮筒液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了，測(cè)量筒內(nèi)的液體與工藝容器內(nèi)的介質(zhì)物料交換較少，其裸露在外部空間的面積很散熱快。若被測(cè)液體具有易冷凝結(jié)晶含水等特征，需要對(duì)外浮筒液位計(jì)進(jìn)行伴熱和保溫措施，防止冬季氣溫低時(shí)測(cè)量筒內(nèi)的液體結(jié)冰造成液位計(jì)失靈甚至凍壞凍裂。

　　總結(jié)

　　浮筒液位計(jì)的測(cè)量原理決定了浮筒可以做成器壁很厚甚至實(shí)心的金屬桿，因此其耐壓性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于浮子液位計(jì)，被廣泛應(yīng)用于高壓及連鎖保護(hù)系統(tǒng)中。同時(shí)也因這個(gè)特點(diǎn)，浮筒液位計(jì)連接鋼絲的拉力變化范圍小，導(dǎo)致浮筒液位計(jì)抗干擾能力較差，若被測(cè)液體的密度不穩(wěn)定，浮筒液位計(jì)的測(cè)量誤差會(huì)很大，其抗介質(zhì)密度波動(dòng)能力不如磁浮子液位計(jì)，因此要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理選擇。