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沉筒式液位計的結構及工作原理和應用分析
發布時間：2018-06-28 01:04:00??點擊次數：7494次
液位檢測是工業生產中經常用到的檢測環節，準確的液位值是工業控制過程中常用的參數。但一些特殊的工業工況中，如高溫、重粉塵、蒸汽、震動以及液體有較強粘附性和凝固性，成為制約傳統液位檢測裝置不能正常工作的因素。
目前國內外常見的液位計主要分為接觸式和非接觸式。接觸式主要是浮子式、電容式等，在工作時需要投入到被測液體中。但是在一些特殊工業環境如上述情況不能正常工作時，電機的攪拌和材料的粘附性和凝固性是制約傳統接觸式液位計的主要因素。對于非接觸式的例如雷達、超聲波等液位檢測裝置，工業環境中的重粉塵和蒸汽成為其應用的主要障礙。
新型沉筒式液位計采用拉力傳感器加沉筒的檢測組合，其中所使用的拉力傳感器具有結構簡單、安裝方便、靈敏度高、受環境干擾小等優點。這種液位計不僅克服了工作環境的限制，保證檢測的持續性，還可以結合軟件調整檢測零點、去除誤差較大數據，保證檢測的精確性，它的靈敏度、抗干擾性、穩定性與使用性能方面與傳統的液位計相比有較大優勢。
1、沉筒式液位計的結構及工作原理
1.1 沉筒式液位計的結構
沉筒式液位計主要由拉力傳感器、變送器及沉筒組成，拉力傳感器內部貼有電阻應變片，通過信號線將變送器輸出的標準電流信號送到PLC的A/D輸入端口，用以進行數據處理和遠程控制。沉筒由上下兩端封閉的空心材料制成，并懸掛在拉力傳感器的受力端，其余部分投入到儲料罐中，拉力傳感器用法蘭盤或自帶螺紋固定在儲料罐的上方，結構如圖1所示。
如圖1所示，設沉筒的外徑為R，內徑r，管壁厚度為R-r，高度為H，沉筒的密度為ρ，侵入液體中的體積為h，被測液體的密度為ρ液，則相關計算公式如下：
沉筒的質量
m=ρπ[R²-（R-r）²]H （1）
沉筒的重力
G=mg （2）
沉筒排開液體的體積
V=πR²h （3）
浮筒受到的浮力
f=ρ液gV （4）
1.2 沉筒式液位計的工作原理
沉筒侵在被測液體中，受到自身重力G和液體浮力f的作用，兩者的合力F由拉力傳感器來測量，即：
F=G-f （5）
拉力傳感器檢測的拉力大小與液位的高低成反比。
當沉筒干燥時，拉力傳感器只測得其自身的重力；當液位上升或下降引起浮力變化時，由公式（5）得出的拉力值變化。拉力傳感器內貼有電阻應變片，受力端受力發生變化后測點發生應變，應變片發生變形而使應變片的電阻也發生變化，通過變送器將電阻值得變化轉化為標準的4～20mA電流信號輸出，從而可以利用PLC和上位機進行數據遠傳和自動控制。
拉力傳感器的檢測精度在0.2%～0.5%，滿足一般工業要求，其量程的選擇根據公式（1）及公式（4）的大小決定。
為使液位計正常工作，必須保證沉筒的重力始終大于它受到的浮力，必要時可在沉筒下方加掛重物。
2、應用分析
由上述沉筒式液位計的工作原理可以看出，通過拉力傳感器內部電阻應變片的阻值變化反映拉力的大小，變送器輸出電流信號的大小反映當前的液位值，且檢測條件不受環境中的溫度、粉塵、蒸汽的影響。沉筒式液位計在一些特殊工藝要求或是特殊材料要求的工業場合同樣能夠持續穩定的工作。
2.1 特殊工藝要求分析
在某些工業材料的制備過程中需要用到攪拌使材料混合均勻，達到工業用料的要求。即使液體始終處于攪拌狀態下，液體表面波動較大，罐體還有明顯的震動，再加上蒸汽、粉塵等比較惡劣的環境，傳統的液位檢測裝置無法正常工作。利用這種沉筒式液位計能很好的解決這一問題，并且能夠通過軟件去除誤差相對較大的數據，保證檢測的精確性，其檢測結構如圖2所示。
如圖2用固定件將沉筒束縛住，避免沉筒隨著扇葉的攪拌而出現比較大偏轉。在液位計工作過程中，由于扇葉攪拌，傳感器測得的數據可能會出現波動，這是無法避免的。沉筒式液位計檢測的是垂直方向的拉力大小，而沿攪拌方向的力與拉力是垂直的，因此影響相對較小。
對于出現的誤差較大的數據，可以通過軟件濾波的方式，在PLC或上位機程序中對采集的數據進行處理，例如中位值平均濾波法，連續采樣N個數據，去掉一個*大值和一個*小值，然后計算N-2個數據的算術平均值，這樣會去除誤差較大數據的影響，保證檢測的精確性。
2.2 特殊材料要求分析
工業過程中，有的材料在與水混合后表現出*強的粘附性和凝固性，這樣就使得那些接觸型檢測液位的儀表（如電容式液位計）不能正常工作或檢測數據不準確。
當材料本身有粘附性和凝固性時，沉筒的表明會附著一層或幾層材料，導致其體積發生變化，自身的重量也發生變化，其變化如圖3所示，其中沉筒截面積中虛線層為附著材料層，設此時沉筒外徑為R1。
沉筒式液位計克服了附著材料的影響，和軟件結合能夠徹底適應各種特殊性工業材料，保證每次檢測時都能將檢測的零點進行調整。調整方法如下。
*先，罐內無液體時測得新的沉筒自重G1；罐內注水，將沉筒完全浸沒，由此時拉力F1和之前測得的自重G1可知其浮力f大小，進而得出沉筒新的體積V1；結合軟件將PLC或上位機的程序進行合理的更改（可在上位機上設置各項相關參數）。之后加入工業材料，由上述新的檢測數據根據公式（3）、（4）、（5）求得新的液位高度。
3、結束語
沉筒式液位計克服了傳統液位檢測裝置無法在高溫、重粉塵、蒸汽、震動等情況下工作的弊端，能夠在扇葉攪拌工況下持續、準確地檢測液位，并且不受材料粘附性和凝固性的影響，為復雜工況下的液位檢測提供了一種新的方法。
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