浮筒液位計的構造及故障處理

　　前言

　　工業現場液位檢測中有一類儀表通過把傳感器投入到被測液體中，依其所受的浮力進行液位檢測，這類儀表統稱為浮力式液位檢測儀表。浮力式液位儀表又根據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，這樣的液位檢測儀表種類較多，如浮盤、浮子、浮球等液位計。變浮力液位儀表在運行中所受的浮力會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，需使用其它的轉換方法才能得知液體的高度，這樣的液位檢測儀表應用最多的是浮筒液位計。

　　浮筒液位計的構造和測量原理

　　浮筒液位計的傳感器——浮筒在整個檢測中都不會隨著液面的變化而漂浮，產生這種現象的原因是因為浮筒液位計的浮筒相比浮子、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，所以浮筒液位計也叫沉筒液位計。

　　測量原理

　　當被測液體無液位時，浮筒不受浮力，浮筒頂部所接的連接鋼絲處于緊繃狀態，扭力桿受浮筒重力影響產生一個固定的扭轉力，此時浮筒液位計應輸出4毫安電流，即浮筒液位計為零點。

　　當被測液體的液位上升時，液體進入測量筒，浮筒桿隨著液位的升高，排出的液體體積不斷增多。根據阿基米德定律，物體所受的浮力等于這個物體所排出的液體的體積重量。由于浮筒桿是一個體積小重量沉得金屬管，浮筒所排出的液體重量遠遠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，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)產生一個變化的扭轉，此時浮筒液位計輸出一個變化的大于4毫安的電流。

　　當被測液體的液位達到最高，此時浮筒全部浸沒入被測液體，此時浮筒所排出的液體的體積重量為一固定數值，此時扭力桿所承受的扭轉力為浮筒自身重量減去浮筒所排出的液體的重量，此時扭力桿承受著一個固定的扭轉力，浮筒液位計輸出的電流為20毫安，即浮筒液位計的滿度。

　　根據阿基米德定律，整個液位測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為被測液體的密度，H為被測液體的高度。

　　上述的公式經過轉換變為：

　　H=4(G-F)/πd2ρ=K(G-F)/ρ

　　式中K為一固定常數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，與被測液體的高度H成單值對應的反比關系。只要檢測出浮筒上部鋼絲的拉力F即可得出被測液體的高度。

　　浮筒液位計的構造

　　一、浮筒液位計的分類

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

　　內浮筒液位計本身不帶測量筒，浮筒直接安裝在盛有液體的容器中，其主要應用于零位罐、地下池等低于地面的環境。內浮筒液位計通過頂部法蘭垂直安裝在這些容器的頂部。

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

　　現場使用的浮筒液位計如圖：

　　現場用于連鎖系統的浮筒液位計如圖：

　　二、浮筒液位計的構造

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

　　浮筒是一個器壁很厚的金屬管兩端焊死，一端留有一個接口環為浮筒的上端。

　　浮筒結構如圖所示：

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

　　扭力桿是一個機械的扭轉臂，把連接鋼絲上由浮筒重力和液體浮力相互作用產生的拉力，轉換為繞軸轉動的軸位移。

　　連接鋼絲與扭力桿的結構如圖：

　　扭力傳感變送器對扭力桿臂上的軸位移進行檢測處理轉換，然后與變送器內部程序參數進行運算比較，計算得出此時的液位高度，顯示并輸出標準電流信號遠傳。實現液體的液位檢測。

　　變送器的結構如圖：

　　浮筒液位計的校準

　　作為一個標準的檢測儀表，浮筒液位計需要進行定期校準，以此確認浮筒液位計的準確度和線性度;現場運行中的浮筒液位計出現故障維修后也要對浮筒液位計進行校準使其能夠滿足現場的使用。兩種校準工作的目的不同，實際使用中往往側重于后者。浮筒液位計的校準有標準法——砝碼掛重法和比對法——現場水校法兩種方法。

　　一、掛重校準法

　　由浮筒液位計的測量原理可知，浮筒液位計是根據扭力的大小來測算液體的液位高度的。因此浮筒液位計的校準應該按照設定的扭力大小來進行零點、滿度校準，這種校準方法叫做掛重法校準。如同靶式流量計的校準過程，浮筒液位計也需要通過標準砝碼來模擬浮筒受力的大小，分別調校浮筒液位計的零點和滿度。

　　砝碼掛重法的校準精度高、線性度好，可全量程范圍內進行調校，主要用于浮筒液位計本身性能檢測的定期校準，此外內浮筒液位計由于自身沒有測量筒其校準也用這種方法。

　　砝碼掛重法校準浮筒液位計，首先要計算浮筒液位計零點和滿程下的鋼絲拉力，通過公式：F=mg-πd2/4ρgH可得液位為零時所需砝碼的重量就是浮筒本身的重量。滿程時所需砝碼的重量即H為最大值時F的數值，此時被測液體的密度ρ值為標準狀況下液體的密度。

　　校準時要把浮筒從連接鋼絲上取下，用輕質的塑料袋分別放入零點和滿程時所需的砝碼，觀察變送器的顯示看零點、滿程是否準確，并進行相應的調整。然后在分別計算出液位高度為25%、50%、75%三點所需的砝碼重量，然后掛載查看液位計的線性度。

　　二、現場水校法

　　水校法是外浮筒液位計普遍的校準方法，其通過用生活中最易獲得的潔凈的自來水作為被測液體進行模擬測試。這種校準方法不用拆卸液位計可在現場快速的調校，廣泛應用于現場外浮筒液位計設定校準、故障維修校準和零點滿度查看校準中。

　　用水現場校準浮筒液位計時，首先要修改變送器內的參數，把被測液體的密度值改為水的密度，然后得出新的測量范圍，注意此測量范圍不能超出變送器最大承受范圍。水校法是一種比對校準法。潔凈的自來水的密度看作1，被測液體的密度ρ與水的密度進行比較，可得出三種狀況：

　　1、若被測液體的密度大于1，則用水校法校準時即使測量筒全部充滿自來水也無法達到被測液體滿程時的鋼絲拉力值，此時的校準最大值在真實設定范圍以內，屬于不完全校準。

　　2、若被測液體的密度小于1，用水校準時當測量筒內充滿自來水時其鋼絲拉力超出正常設定范圍，特別是被測液體密度非常小時，超量程的校準有可能損壞變送器，此時應查看浮筒標牌上的參數范圍要求，進行校準高度換算使水不能充滿測量筒，保護變送器免遭損壞。

　　3、當被測液體的密度與1非常接近時，此時用水模擬被測液體進行校準效果最好。

　　現場初次安裝外浮筒液位計時進行水校設定如圖：

　　現場水校法操作步驟

　　1、準備工作

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

　　2、修改測量范圍

　　修改變送器內參數，把被測液體的密度改為1，查看新的測量范圍是否超出最大許可。

　　3、零點的校準。

　　測量筒清洗干凈后，查看變送器的零點是否為4毫安，若有偏離則調校零點。

　　4、滿度的校準

　　關閉測量筒底部的排污閥，從測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，若有偏離進行滿度調整。

　　5、線性度查看

　　輕微開啟測量筒下方的排污泄壓閥，讓測量筒內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下的4毫安，若零點不準，再次進行調校。

　　測量筒內的水全部排完后，再次關閉排污閥，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，再次進行調校。

　　重復幾次查看浮筒液位計的變化過程是否線性，有無死數、跳數、突變現象。

　　6、結束投用

　　校準結束后，把變送器內被測介質的密度在改回原來的設定值，擰好測量筒頂部絲堵，關閉底部的排污閥，投入浮筒液位計，校準工作結束。

　　浮筒液位計故障及排除

　　浮筒液位計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，只有被測液位高度H與鋼絲上的拉力F成單值對應關系，才能準確的得出被測液位。此時公式中G和ρ為一個固定的數值。

　　實際的使用中，G和ρ的數值會發生變化，從而導致上述的測量公式中H與F的單值對應關系打破，造成測量不準確.

　　一、浮筒自身重量的改變造成的影響

　　G為浮筒桿的重量，使用中被測液體內的雜質會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，特別是在臟污介質的測量中，如果外浮筒液位計的測量筒長期不進行維護排污，浮筒桿的外表就會吸附較多的污物，造成浮筒整體重量變大，使浮筒液位計的零點變高。

　　處理的方法：定期排污清洗置換測量筒的介質，最大可能的消除浮筒外表面吸附的臟污雜質，查看零點進行調校，始終保證液位為零時變送器檢測到的扭力與變送器參數設定里的應力相同。

　　二、被測液體密度變化造成的影響

　　ρ為被測液體的密度，相比較浮筒外表吸附雜質引發的測量零點偏移，被測液體的密度變化造成的測量誤差更為嚴重。從公式看液體密度ρ是一個分母值，其貫徹于測量的全程，如果被測液體的真實密度偏離設定密度，則公式的斜率就會發生變化，造成浮筒液位計測量點的整體偏移設定軌跡，導致浮筒液位計全程顯示不準確。被測液體密度ρ發生變化主要有以下兩點造成：

　　1、維護工作不到位

　　外浮筒液位計維護不及時，造成測量筒內的液體長期在靜止狀態下變質和雜質沉淀，致使浮筒桿所處的被測液體的密度發生變化，而引起測量不準確。

　　處理方法：對外浮筒的測量筒內的變質液體進行排污和置換，讓新鮮的液體充滿測量筒。

　　2、設定密度與實際密度不一致

　　變送器內部設定的標準密度與實際生產中的液體密度不一致造成測量不準，其可分為臨時性不一致和間斷性不一致兩種情況。

　　臨時性不一致主要發生在裝置開車期間，由于生產的不穩定性或者各種開車置換物料的相互轉換(水洗、油運、物料組分變化)被測液體的密度與正常運行液位計設置的密度不一致，而使浮筒液位計測量不準。此時可以根據實際情況進行處理，若裝置開車快速液位要求不嚴格可以不用處理，等裝置運行穩定后對測量筒內液體置換為正常的液體后顯示即恢復正常。若裝置開車時對于浮筒液位計依賴性較強，被測容器的液位要求嚴格，則可根據容器內實際的物料組分密度進行間歇性的修改，裝置正常后在改回原來的密度。

　　間斷性不一致，若裝置內運行的物料會發生間歇性的改變，如我廠一套潤滑油裝置會根據市場的需求隨機加工不同的原料，此時原有設定在浮筒參數里的介質密度與新的介質密度不一致，就需要變換為新物料的密度，其液位顯示才會準確。

　　三、變送器故障

　　變送器故障發生的幾率較少，最常見的故障就是變送器的零點發生漂移，此時應對浮筒液位計進行零點調校。此外變送器要做好防水工作，現場很多變送器故障就是因為變送器防水工作沒有做好致使雨水進入變送器接線端引發短路、對地泄流甚至燒毀電路板的故障。

　　四、防凍措施

　　外浮筒液位計的結構形式決定了，測量筒內的液體與工藝容器內的介質物料交換較少，其裸露在外部空間的面積很散熱快。若被測液體具有易冷凝結晶含水等特征，需要對外浮筒液位計進行伴熱和保溫措施，防止冬季氣溫低時測量筒內的液體結冰造成液位計失靈甚至凍壞凍裂。

　　總結

　　浮筒液位計的測量原理決定了浮筒可以做成器壁很厚甚至實心的金屬桿，因此其耐壓性遠遠高于浮子液位計，被廣泛應用于高壓及連鎖保護系統中。同時也因這個特點，浮筒液位計連接鋼絲的拉力變化范圍小，導致浮筒液位計抗干擾能力較差，若被測液體的密度不穩定，浮筒液位計的測量誤差會很大，其抗介質密度波動能力不如磁浮子液位計，因此要根據現場實際情況合理選擇。