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浮力式液位檢測(cè)儀表
應(yīng)用浮力原理檢測(cè)物位，是利用漂浮于液面上的浮標(biāo)或浸沉于液體的浮筒，對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)液位變化時(shí)，前者產(chǎn)生相應(yīng)的位移，而所受到的浮力維持不變，后者則發(fā)生浮力的變化，因此，只要檢測(cè)出浮標(biāo)的位移，或浮筒所受到的浮力的變化，就可測(cè)知液位的高低。
據(jù)上述可知，浮力式液位檢測(cè)儀表可分為兩種。一種是恒浮力式液位計(jì)，屬于此種液位計(jì)的有浮標(biāo)式、浮標(biāo)式等，它們的檢測(cè)元件（浮球或浮標(biāo)）隨液位計(jì)的變化而上下浮動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)出檢測(cè)元件（浮球或浮標(biāo)）隨液面變化產(chǎn)生的位移量進(jìn)行液位檢測(cè)；另一種是變浮力式液位計(jì)，屬于此種液位計(jì)的有浮筒式液位計(jì)，其檢測(cè)元件（浮筒）浸沒(méi)在液體之中。液位變化時(shí)，其檢測(cè)元件（浮筒）因浸沒(méi)在液體之中的深度不同而受到不同的浮力，通過(guò)檢測(cè)浮筒所受浮力的變化進(jìn)行液位的檢測(cè)。
浮力式液位計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，工作可靠，不易受外界環(huán)境的影響，維修較簡(jiǎn)便，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用；但因大多數(shù)儀表有可動(dòng)部件，故易產(chǎn)生磨損、腐蝕等，甚至使機(jī)械部分卡死等現(xiàn)象，因此在使用中應(yīng)充分引起注意。

恒浮力式液位檢測(cè)儀表
1.浮標(biāo)式液位計(jì)
圖3-8為浮標(biāo)式液位計(jì)的原理示意圖，浮標(biāo)為一空心的金屬或非金屬的盒子，將浮標(biāo)用繩索連接并懸掛在定滑輪上，繩索的另一端掛有平衡重物。當(dāng)液位不變是，浮標(biāo)的重力與浮標(biāo)所受液體的浮力之差和平衡重物的重力相平衡時(shí)，其平衡關(guān)系式為：
W-F=G
式中：
W--浮標(biāo)的重力，N；
F--浮力，N;
G--平衡重物的重力，N;

當(dāng)液位上升時(shí)，浮標(biāo)所受的浮力F增加，則有W-F＜G,原來(lái)的力平衡關(guān)系被破壞，浮標(biāo)沿著導(dǎo)軌隨液位向上浮動(dòng)，在浮標(biāo)向上移動(dòng)的同時(shí)，浮力F將逐漸下降，W-F將逐漸增加，直到W-F重新等于G時(shí)，浮標(biāo)便停留在新的液面位置上；反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)對(duì)液位的自動(dòng)跟蹤。由于式（3-7）中浮標(biāo)的重量W和平衡位置的重物的重量G均為常數(shù)，因此浮標(biāo)停留在任意高度的液面上時(shí)，浮力值F都不變，故稱此法為恒浮力法。
此種測(cè)量方法簡(jiǎn)單，多數(shù)用于敞口容器中液位的檢測(cè)，也可以用于密閉容器中液位的檢測(cè)，通過(guò)磁性連接的方式將浮子隨液位變化產(chǎn)生的位移傳遞出去，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖3-9所示。浮標(biāo)式液位計(jì)的缺點(diǎn)是，由于滑輪與軸承之間存在著機(jī)械摩擦，懸掛鋼絲受熱拉長(zhǎng)及齒輪間隙等因素，將影響其測(cè)量精度。


2.浮球式液位計(jì)
對(duì)于溫度、黏度較高，而壓力不太高的密閉容器內(nèi)的液體介質(zhì)的液位檢測(cè)時(shí)，一般可采用浮球式液位計(jì)，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖3-10所示。檢測(cè)元件浮球1有銅或不銹鋼制成，同構(gòu)連桿2與轉(zhuǎn)軸3相連，轉(zhuǎn)軸3的另一端與容器外側(cè)杠桿5相接，杠桿上加裝平衡錘4，從而組成了以轉(zhuǎn)軸3為支點(diǎn)的杠桿、角轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行其液位的檢測(cè)。系統(tǒng)一般要求，在浮球的一般浸入液體時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的力矩平衡。這是因?yàn)橐驗(yàn)樽兓所引起的浮力變化最大，浮球位置變化最靈敏，從而提高了儀表的靈敏度。

當(dāng)液位升高或降低時(shí)，系統(tǒng)的力矩平衡將被破壞，因而浮球也要隨之升高或降低，直至達(dá)到新的平衡。若在轉(zhuǎn)軸3的外端掛以指針，如圖3-10a所示，便可從輸出的角位移中知道液位的高低。
浮球式液位計(jì)，可將其檢測(cè)元件浮球直接裝在容器內(nèi)部（內(nèi)浮球式），如圖3-10a所示。當(dāng)容器直徑很小時(shí)，可根據(jù)聯(lián)通原理，在容器外側(cè)設(shè)置一浮球室與容器相連通（外浮球式），如圖3-10b所示。外浮球是結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是便于維修，但不適用于黏稠或易結(jié)晶、易凝固的液體的檢測(cè)；而內(nèi)浮球式液位計(jì)則不受其影響。
由于浮球式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)與浮標(biāo)式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)相比要復(fù)雜，需要用軸、軸套、填料密封等構(gòu)件組成，這樣才能達(dá)到既保證密封又能將浮球的位移傳遞出去，因此在進(jìn)行安裝、檢修時(shí)應(yīng)充分考慮摩擦、潤(rùn)滑以及介質(zhì)對(duì)儀表各部件的腐蝕等問(wèn)題，否則將會(huì)給測(cè)量造成很大的誤差。另外，應(yīng)特別提出的是，浮球杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸等各部件的連接應(yīng)該做到既牢固又靈活，以免日久天長(zhǎng)，發(fā)生浮球脫落釀成嚴(yán)重事故。
在使用時(shí)應(yīng)該經(jīng)常檢查并清理浮球表面上的沉淀物或結(jié)晶的物質(zhì)，當(dāng)無(wú)法進(jìn)行清理時(shí)，則需重新調(diào)其平衡錘的位置。對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)量時(shí)必須注意檢查元件的防腐處理，并定期進(jìn)行檢查，以保證必要的測(cè)量精度。

變浮力式液位檢測(cè)儀表
當(dāng)物體被液體浸沒(méi)的體積不同時(shí)，所受的浮力也不同，因此，可以根據(jù)物體所受浮力的大小來(lái)測(cè)得物體被浸沒(méi)的高位（液位），故稱為變浮力式液位計(jì)。浮筒式液位計(jì)正是根據(jù)這一原理制成的液位計(jì)檢測(cè)儀表，它主要由變送器和顯示儀表兩部分組成。液位計(jì)因不用軸、軸套、填料等進(jìn)行密封，故他能測(cè)量較高壓力的液體介質(zhì)的液位，最高可達(dá)32MPa。檢測(cè)元件浮筒的長(zhǎng)度決定了儀表的量程，一般為300~2000mm。
浮筒式液位計(jì)由液位傳感器和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
液位傳感器的檢測(cè)元件，是一沉浸與液體之中的浮筒，一般使用不銹鋼制成的空心長(zhǎng)圓柱體，被垂直地懸掛在被測(cè)介質(zhì)之中，測(cè)量過(guò)程中位移極小，不漂移在液體表面上，故也稱為沉筒。浮筒在液體中的浮力是用扭力管的扭力來(lái)平衡的。
如圖3-11所示，檢測(cè)元件浮筒1垂直地懸掛在杠桿2的一端，杠桿2的另一端與扭力管3、芯軸4的一端垂直固接在一起。扭力管的另一端通過(guò)法蘭固定在儀表外殼5上。芯軸4的另一端呈自由狀態(tài)作為傳感器的輸出，它的輸出信號(hào)時(shí)機(jī)械角位移θ。

當(dāng)液位為零時(shí)，即浮筒浸入液體中的深度為零，浮筒的全部重量W作用在杠桿上，此時(shí)扭力管上扭力矩最大，同時(shí)產(chǎn)生的扭角最大，一般為7°左右，即
作用在杠桿的力 F0=W
扭力矩 M0=F0l
扭角
式中
M0--作用在扭力管上的扭力矩；
d1、d2--分別為扭力管的內(nèi)徑和外徑；
l--浮筒中心到扭力管中心的距離；
F0--杠桿左端受到的力；
k--扭力管的橫向彈性系數(shù)；
L--扭力管的長(zhǎng)度。
當(dāng)液面上升，高于浮筒的下端，上升液位為H時(shí)，作用在杠桿上的力，變?yōu)楦⊥驳闹亓縒與浮筒所受浮力之間的差值。隨著液位的逐漸升高，扭力矩逐漸減小，扭力管輸出的扭角也相應(yīng)減小，當(dāng)在最高液位時(shí)，扭角最小，一般為2°，即
作用在杠桿的力 F1=W-A(H-X)ρg
由于X是正比于H，所以其中X=kH,故上式可改寫(xiě)為
F1=W-AH(1-k)ρg
扭力矩：M1=F1l

由此可知，Δθ與液位H成比例關(guān)系，式中負(fù)號(hào)說(shuō)明，液位變化越高，則扭角越小。
浮筒式液位計(jì)的轉(zhuǎn)換器按其傳輸信號(hào)的不同，可分為兩類：即氣動(dòng)式和電動(dòng)式。

1.電動(dòng)浮筒式液位計(jì)的轉(zhuǎn)換器
圖3-12b是霍爾變換裝置的示意圖。在扭力管的芯軸上固定一個(gè)推板3，當(dāng)芯軸轉(zhuǎn)角變化Δθ時(shí)，芯軸便帶動(dòng)推板3推動(dòng)推桿4，并使支撐件5轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)與液位計(jì)H相對(duì)應(yīng)的角度，使霍爾片沿著固定弧線移動(dòng)。由于芯軸在液位變化的全量程范圍內(nèi)輸出的角位移量很小，因此可把霍爾片在磁場(chǎng)中的移動(dòng)視為一直線位移Δx，即
Δx=k2Δθ
式中 K2--轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由于霍爾片所處的磁場(chǎng)是一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與位移x成比例的線性磁場(chǎng)，其原理如圖3-12c所示，因此霍爾片的輸出電勢(shì)VH與其位移Δx成線性關(guān)系。即
VH=K3Δx
式中 K3--轉(zhuǎn)換系數(shù)
在儀表量程范圍內(nèi)，位移Δx約為1.5mm，輸出電勢(shì)VH約為10mV DC.
毫伏-毫安轉(zhuǎn)換器將霍爾輸出電勢(shì)VH轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，以便于其他控制儀表、顯示儀表等配套使用。其轉(zhuǎn)換原理如圖3-13所示，圖中放大器包括調(diào)制、交流放大、整流和功率放大等部分?；魻栕兯推鞯妮敵鲭妱?shì)與反饋電壓UB比較后，將其差值調(diào)制成交流信號(hào)，并經(jīng)交流放大、整流和功率放大后，輸出一標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA直流電流信號(hào)。

由圖3-13可知，放大器的輸出和輸入的關(guān)系為：
I0(RH+R1)=K4(VH-UB)
I0=K4(VH-UB)/(RH+R1)
式中 K4--轉(zhuǎn)換器的并環(huán)放大倍數(shù)。
其中的反饋電壓
UB=I0R1(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5R0
式中 K5--反饋系數(shù)，(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5
電路圖中的電位器RW1\RW2可用來(lái)修正介質(zhì)的密度，改變儀表的量程和調(diào)節(jié)儀表的滿度值。

2.氣動(dòng)浮筒式液位計(jì)的轉(zhuǎn)換器
氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器與電動(dòng)勢(shì)的區(qū)別在于，扭力管芯軸轉(zhuǎn)角Δθ的運(yùn)動(dòng)傳給擋板以控制噴嘴，并輸出氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如圖3-14所示。

氣動(dòng)儀表是自動(dòng)化儀表中的一個(gè)重要類型，特別適用于防爆要求嚴(yán)格的煉油化工等工業(yè)部門(mén)。能源是壓力穩(wěn)定干凈的壓縮空氣，其傳輸信號(hào)為20~100kPa.氣動(dòng)儀表的核心部分為噴嘴擋板機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)放大器，杠桿機(jī)構(gòu)。噴嘴擋板機(jī)構(gòu)將檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出的微位移δ轉(zhuǎn)換成噴嘴背壓PB變化，經(jīng)氣動(dòng)放大器將較小的PB變化放大為20~100kPa的p0輸出，同時(shí)，p0通過(guò)負(fù)反饋波紋管作用到杠桿機(jī)構(gòu)上，與檢測(cè)信號(hào)在杠桿上達(dá)到力矩平衡，使儀表的輸出p0與輸入的被測(cè)變量一一對(duì)應(yīng)。

3.智能浮筒式液位計(jì)
智能浮筒式液位（界面）變送器是電動(dòng)浮筒液位計(jì)變送器的更新?lián)Q代產(chǎn)品，如圖3-15，塔是可通信的，以處理器為基礎(chǔ)的液位、界面或密度檢測(cè)儀表。除提供4~20mA的電流信號(hào)外，還疊加了符合通信協(xié)議的數(shù)字信號(hào)?？梢院芊奖愕厥褂檬植倨鳎@得來(lái)自過(guò)程、儀表或傳感的信息，可查詢、組態(tài)、標(biāo)定或測(cè)試。利用通信協(xié)議，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信息可下載到控制系統(tǒng)中，按單個(gè)回路的信息接受。