恒浮力式液位检测仪表 1.浮标式液位计 图3-8为浮标式液位计的原理示意图，浮标为一空心的金属或非金属的盒子，将浮标用绳索连接并悬挂在定滑轮上，绳索的另一端挂有平衡重物。当液位不变是，浮标的重力与浮标所受液体的浮力之差和平衡重物的重力相平衡时，其平衡关系式为： W-F=G 式中： W--浮标的重力，N； F--浮力，N; G--平衡重物的重力，N; 当液位上升时，浮标所受的浮力F增加，则有W-F＜G,原来的力平衡关系被破坏，浮标沿着导轨随液位向上浮动，在浮标向上移动的同时，浮力F将逐渐下降，W-F将逐渐增加，直到W-F重新等于G时，浮标便停留在新的液面位置上；反之亦然，从而实现了浮标对液位的自动跟踪。由于式（3-7）中浮标的重量W和平衡位置的重物的重量G均为常数，因此浮标停留在任意高度的液面上时，浮力值F都不变，故称此法为恒浮力法。 此种测量方法简单，多数用于敞口容器中液位的检测，也可以用于密闭容器中液位的检测，通过磁性连接的方式将浮子随液位变化产生的位移传递出去，其检测系统如图3-9所示。浮标式液位计的缺点是，由于滑轮与轴承之间存在着机械摩擦，悬挂钢丝受热拉长及齿轮间隙等因素，将影响其测量精度。 2.浮球式液位计 对于温度、黏度较高，而压力不太高的密闭容器内的液体介质的液位检测时，一般可采用浮球式液位计，其检测系统如图3-10所示。检测元件浮球1有铜或不锈钢制成，同构连杆2与转轴3相连，转轴3的另一端与容器外侧杠杆5相接，杠杆上加装平衡锤4，从而组成了以转轴3为支点的杠杆、角转动系统，来进行其液位的检测。系统一般要求，在浮球的一般浸入液体时，实现系统的力矩平衡。这是因为因为变化Δh所引起的浮力变化最大，浮球位置变化最灵敏，从而提高了仪表的灵敏度。 当液位升高或降低时，系统的力矩平衡将被破坏，因而浮球也要随之升高或降低，直至达到新的平衡。若在转轴3的外端挂以指针，如图3-10a所示，便可从输出的角位移中知道液位的高低。 浮球式液位计，可将其检测元件浮球直接装在容器内部（内浮球式），如图3-10a所示。当容器直径很小时，可根据联通原理，在容器外侧设置一浮球室与容器相连通（外浮球式），如图3-10b所示。外浮球是结构，其特点是便于维修，但不适用于黏稠或易结晶、易凝固的液体的检测；而内浮球式液位计则不受其影响。 由于浮球式液位计的结构与浮标式液位计的结构相比要复杂，需要用轴、轴套、填料密封等构件组成，这样才能达到既保证密封又能将浮球的位移传递出去，因此在进行安装、检修时应充分考虑摩擦、润滑以及介质对仪表各部件的腐蚀等问题，否则将会给测量造成很大的误差。另外，应特别提出的是，浮球杠杆转动轴等各部件的连接应该做到既牢固又灵活，以免日久天长，发生浮球脱落酿成严重事故。 在使用时应该经常检查并清理浮球表面上的沉淀物或结晶的物质，当无法进行清理时，则需重新调其平衡锤的位置。对腐蚀性介质测量时必须注意检查元件的防腐处理，并定期进行检查，以保证必要的测量精度。 变浮力式液位检测仪表 当物体被液体浸没的体积不同时，所受的浮力也不同，因此，可以根据物体所受浮力的大小来测得物体被浸没的高位（液位），故称为变浮力式液位计。浮筒式液位计正是根据这一原理制成的液位计检测仪表，它主要由变送器和显示仪表两部分组成。液位计因不用轴、轴套、填料等进行密封，故他能测量较高压力的液体介质的液位，最高可达32MPa。检测元件浮筒的长度决定了仪表的量程，一般为300~2000mm。 浮筒式液位计由液位传感器和转换器构成。 液位传感器的检测元件，是一沉浸与液体之中的浮筒，一般使用不锈钢制成的空心长圆柱体，被垂直地悬挂在被测介质之中，测量过程中位移极小，不漂移在液体表面上，故也称为沉筒。浮筒在液体中的浮力是用扭力管的扭力来平衡的。 如图3-11所示，检测元件浮筒1垂直地悬挂在杠杆2的一端，杠杆2的另一端与扭力管3、芯轴4的一端垂直固接在一起。扭力管的另一端通过法兰固定在仪表外壳5上。芯轴4的另一端呈自由状态作为传感器的输出，它的输出信号时机械角位移θ。 当液位为零时，即浮筒浸入液体中的深度为零，浮筒的全部重量W作用在杠杆上，此时扭力管上扭力矩最大，同时产生的扭角最大，一般为7°左右，即 作用在杠杆的力 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--分别为扭力管的内径和外径； l--浮筒中心到扭力管中心的距离； F0--杠杆左端受到的力； k--扭力管的横向弹性系数； L--扭力管的长度。 当液面上升，高于浮筒的下端，上升液位为H时，作用在杠杆上的力，变为浮筒的重量W与浮筒所受浮力之间的差值。随着液位的逐渐升高，扭力矩逐渐减小，扭力管输出的扭角也相应减小，当在最高液位时，扭角最小，一般为2°，即 作用在杠杆的力 F1=W-A(H-X)ρg 由于X是正比于H，所以其中X=kH,故上式可改写为 F1=W-AH(1-k)ρg 扭力矩：M1=F1l 由此可知，Δθ与液位H成比例关系，式中负号说明，液位变化越高，则扭角越小。 浮筒式液位计的转换器按其传输信号的不同，可分为两类：即气动式和电动式。 1.电动浮筒式液位计的转换器 图3-12b是霍尔变换装置的示意图。在扭力管的芯轴上固定一个推板3，当芯轴转角变化Δθ时，芯轴便带动推板3推动推杆4，并使支撑件5转动一个与液位计H相对应的角度，使霍尔片沿着固定弧线移动。由于芯轴在液位变化的全量程范围内输出的角位移量很小，因此可把霍尔片在磁场中的移动视为一直线位移Δx，即 Δx=k2Δθ 式中 K2--转换系数。 由于霍尔片所处的磁场是一个磁感应强度B与位移x成比例的线性磁场，其原理如图3-12c所示，因此霍尔片的输出电势VH与其位移Δx成线性关系。即 VH=K3Δx 式中 K3--转换系数 在仪表量程范围内，位移Δx约为1.5mm，输出电势VH约为10mV DC. 毫伏-毫安转换器将霍尔输出电势VH转换成4~20mA的标准电流信号，以便于其他控制仪表、显示仪表等配套使用。其转换原理如图3-13所示，图中放大器包括调制、交流放大、整流和功率放大等部分。霍尔变送器的输出电势与反馈电压UB比较后，将其差值调制成交流信号，并经交流放大、整流和功率放大后，输出一标准的4~20mA直流电流信号。 由图3-13可知，放大器的输出和输入的关系为： I0(RH+R1)=K4(VH-UB) I0=K4(VH-UB)/(RH+R1) 式中 K4--转换器的并环放大倍数。 其中的反馈电压 UB=I0R1(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5R0 式中 K5--反馈系数，(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5 电路图中的电位器RW1\RW2可用来修正介质的密度，改变仪表的量程和调节仪表的满度值。 2.气动浮筒式液位计的转换器 气动转换器与电动势的区别在于，扭力管芯轴转角Δθ的运动传给挡板以控制喷嘴，并输出气动标准信号，如图3-14所示。 气动仪表是自动化仪表中的一个重要类型，特别适用于防爆要求严格的炼油化工等工业部门。能源是压力稳定干净的压缩空气，其传输信号为20~100kPa.气动仪表的核心部分为喷嘴挡板机构，气动放大器，杠杆机构。喷嘴挡板机构将检测环节输出的微位移δ转换成喷嘴背压PB变化，经气动放大器将较小的PB变化放大为20~100kPa的p0输出，同时，p0通过负反馈波纹管作用到杠杆机构上，与检测信号在杠杆上达到力矩平衡，使仪表的输出p0与输入的被测变量一一对应。 3.智能浮筒式液位计 智能浮筒式液位（界面）变送器是电动浮筒液位计变送器的更新换代产品，如图3-15，塔是可通信的，以处理器为基础的液位、界面或密度检测仪表。除提供4~20mA的电流信号外，还叠加了符合通信协议的数字信号。可以很方便地使用手操器，获得来自过程、仪表或传感的信息，可查询、组态、标定或测试。利用通信协议，来自现场的信息可下载到控制系统中，按单个回路的信息接受。
