恒浮力式液位檢測儀表 1.浮標式液位計 圖3-8為浮標式液位計的原理示意圖，浮標為一空心的金屬或非金屬的盒子，將浮標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。當液位不變是，浮標的重力與浮標所受液體的浮力之差和平衡重物的重力相平衡時，其平衡關系式為： W-F=G 式中： W--浮標的重力，N； F--浮力，N; G--平衡重物的重力，N; 當液位上升時，浮標所受的浮力F增加，則有W-F＜G,原來的力平衡關系被破壞，浮標沿著導軌隨液位向上浮動，在浮標向上移動的同時，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，浮標便停留在新的液面位置上；反之亦然，從而實現了浮標對液位的自動跟蹤。由于式（3-7）中浮標的重量W和平衡位置的重物的重量G均為常數，因此浮標停留在任意高度的液面上時，浮力值F都不變，故稱此法為恒浮力法。 此種測量方法簡單，多數用于敞口容器中液位的檢測，也可以用于密閉容器中液位的檢測，通過磁性連接的方式將浮子隨液位變化產生的位移傳遞出去，其檢測系統如圖3-9所示。浮標式液位計的缺點是，由于滑輪與軸承之間存在著機械摩擦，懸掛鋼絲受熱拉長及齒輪間隙等因素，將影響其測量精度。 2.浮球式液位計 對于溫度、黏度較高，而壓力不太高的密閉容器內的液體介質的液位檢測時，一般可采用浮球式液位計，其檢測系統如圖3-10所示。檢測元件浮球1有銅或不銹鋼制成，同構連桿2與轉軸3相連，轉軸3的另一端與容器外側杠桿5相接，杠桿上加裝平衡錘4，從而組成了以轉軸3為支點的杠桿、角轉動系統，來進行其液位的檢測。系統一般要求，在浮球的一般浸入液體時，實現系統的力矩平衡。這是因為因為變化Δh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。 當液位升高或降低時，系統的力矩平衡將被破壞，因而浮球也要隨之升高或降低，直至達到新的平衡。若在轉軸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，可將其檢測元件浮球直接裝在容器內部（內浮球式），如圖3-10a所示。當容器直徑很小時，可根據聯通原理，在容器外側設置一浮球室與容器相連通（外浮球式），如圖3-10b所示。外浮球是結構，其特點是便于維修，但不適用于黏稠或易結晶、易凝固的液體的檢測；而內浮球式液位計則不受其影響。 由于浮球式液位計的結構與浮標式液位計的結構相比要復雜，需要用軸、軸套、填料密封等構件組成，這樣才能達到既保證密封又能將浮球的位移傳遞出去，因此在進行安裝、檢修時應充分考慮摩擦、潤滑以及介質對儀表各部件的腐蝕等問題，否則將會給測量造成很大的誤差。另外，應特別提出的是，浮球杠桿轉動軸等各部件的連接應該做到既牢固又靈活，以免日久天長，發生浮球脫落釀成嚴重事故。 在使用時應該經常檢查并清理浮球表面上的沉淀物或結晶的物質，當無法進行清理時，則需重新調其平衡錘的位置。對腐蝕性介質測量時必須注意檢查元件的防腐處理，并定期進行檢查，以保證必要的測量精度。 變浮力式液位檢測儀表 當物體被液體浸沒的體積不同時，所受的浮力也不同，因此，可以根據物體所受浮力的大小來測得物體被浸沒的高位（液位），故稱為變浮力式液位計。浮筒式液位計正是根據這一原理制成的液位計檢測儀表，它主要由變送器和顯示儀表兩部分組成。液位計因不用軸、軸套、填料等進行密封，故他能測量較高壓力的液體介質的液位，最高可達32MPa。檢測元件浮筒的長度決定了儀表的量程，一般為300~2000mm。 浮筒式液位計由液位傳感器和轉換器構成。 液位傳感器的檢測元件，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圓柱體，被垂直地懸掛在被測介質之中，測量過程中位移極小，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平衡的。 如圖3-11所示，檢測元件浮筒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法蘭固定在儀表外殼5上。芯軸4的另一端呈自由狀態作為傳感器的輸出，它的輸出信號時機械角位移θ。 當液位為零時，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，此時扭力管上扭力矩最大，同時產生的扭角最大，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； L--扭力管的長度。 當液面上升，高于浮筒的下端，上升液位為H時，作用在杠桿上的力，變為浮筒的重量W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減小，當在最高液位時，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成比例關系，式中負號說明，液位變化越高，則扭角越小。 浮筒式液位計的轉換器按其傳輸信號的不同，可分為兩類：即氣動式和電動式。 1.電動浮筒式液位計的轉換器 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推板3，當芯軸轉角變化Δθ時，芯軸便帶動推板3推動推桿4，并使支撐件5轉動一個與液位計H相對應的角度，使霍爾片沿著固定弧線移動。由于芯軸在液位變化的全量程范圍內輸出的角位移量很小，因此可把霍爾片在磁場中的移動視為一直線位移Δx，即 Δx=k2Δθ 式中 K2--轉換系數。 由于霍爾片所處的磁場是一個磁感應強度B與位移x成比例的線性磁場，其原理如圖3-12c所示，因此霍爾片的輸出電勢VH與其位移Δx成線性關系。即 VH=K3Δx 式中 K3--轉換系數 在儀表量程范圍內，位移Δx約為1.5mm，輸出電勢VH約為10mV DC. 毫伏-毫安轉換器將霍爾輸出電勢VH轉換成4~20mA的標準電流信號，以便于其他控制儀表、顯示儀表等配套使用。其轉換原理如圖3-13所示，圖中放大器包括調制、交流放大、整流和功率放大等部分。霍爾變送器的輸出電勢與反饋電壓UB比較后，將其差值調制成交流信號，并經交流放大、整流和功率放大后，輸出一標準的4~20mA直流電流信號。 由圖3-13可知，放大器的輸出和輸入的關系為： I0(RH+R1)=K4(VH-UB) I0=K4(VH-UB)/(RH+R1) 式中 K4--轉換器的并環放大倍數。 其中的反饋電壓 UB=I0R1(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5R0 式中 K5--反饋系數，(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5 電路圖中的電位器RW1\RW2可用來修正介質的密度，改變儀表的量程和調節儀表的滿度值。 2.氣動浮筒式液位計的轉換器 氣動轉換器與電動勢的區別在于，扭力管芯軸轉角Δθ的運動傳給擋板以控制噴嘴，并輸出氣動標準信號，如圖3-14所示。 氣動儀表是自動化儀表中的一個重要類型，特別適用于防爆要求嚴格的煉油化工等工業部門。能源是壓力穩定干凈的壓縮空氣，其傳輸信號為20~100kPa.氣動儀表的核心部分為噴嘴擋板機構，氣動放大器，杠桿機構。噴嘴擋板機構將檢測環節輸出的微位移δ轉換成噴嘴背壓PB變化，經氣動放大器將較小的PB變化放大為20~100kPa的p0輸出，同時，p0通過負反饋波紋管作用到杠桿機構上，與檢測信號在杠桿上達到力矩平衡，使儀表的輸出p0與輸入的被測變量一一對應。 3.智能浮筒式液位計 智能浮筒式液位（界面）變送器是電動浮筒液位計變送器的更新換代產品，如圖3-15，塔是可通信的，以處理器為基礎的液位、界面或密度檢測儀表。除提供4~20mA的電流信號外，還疊加了符合通信協議的數字信號。可以很方便地使用手操器，獲得來自過程、儀表或傳感的信息，可查詢、組態、標定或測試。利用通信協議，來自現場的信息可下載到控制系統中，按單個回路的信息接受。
