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沉筒式液位计的结构及工作原理和应用分析

发布时间:2018-06-28   点击次数:

液位检测是工业生产中经常用到的检测环节,准确的液位值是工业控制过程中常用的参数。但一些特殊的工业工况中,如高温、重粉尘、蒸汽、震动以及液体有较强粘附性和凝固性,成为制约传统液位检测装置不能正常工作的因素。
目前国内外常见的液位计主要分为接触式和非接触式。接触式主要是浮子式、电容式等,在工作时需要投入到被测液体中。但是在一些特殊工业环境如上述情况不能正常工作时,电机的搅拌和材料的粘附性和凝固性是制约传统接触式液位计的主要因素。对于非接触式的例如雷达、超声波等液位检测装置,工业环境中的重粉尘和蒸汽成为其应用的主要障碍。
新型沉筒式液位计采用拉力传感器加沉筒的检测组合,其中所使用的拉力传感器具有结构简单、安装方便、灵敏度高、受环境干扰小等优点。这种液位计不仅克服了工作环境的限制,保证检测的持续性,还可以结合软件调整检测零点、去除误差较大数据,保证检测的精确性,它的灵敏度、抗干扰性、稳定性与使用性能方面与传统的液位计相比有较大优势。
1、沉筒式液位计的结构及工作原理
1.1 沉筒式液位计的结构
沉筒式液位计主要由拉力传感器、变送器及沉筒组成,拉力传感器内部贴有电阻应变片,通过信号线将变送器输出的标准电流信号送到PLC的A/D输入端口,用以进行数据处理和远程控制。沉筒由上下两端封闭的空心材料制成,并悬挂在拉力传感器的受力端,其余部分投入到储料罐中,拉力传感器用法兰盘或自带螺纹固定在储料罐的上方,结构如图1所示。
如图1所示,设沉筒的外径为R,内径r,管壁厚度为R-r,高度为H,沉筒的密度为ρ,侵入液体中的体积为h,被测液体的密度为ρ液,则相关计算公式如下:
沉筒的质量
m=ρπ[R²-(R-r)²]H   (1)
沉筒的重力
G=mg   (2)
沉筒排开液体的体积
V=πR²h   (3)
浮筒受到的浮力
f=ρ液gV   (4)
1.2 沉筒式液位计的工作原理
沉筒侵在被测液体中,受到自身重力G和液体浮力f的作用,两者的合力F由拉力传感器来测量,即:
F=G-f   (5)
拉力传感器检测的拉力大小与液位的高低成反比。
当沉筒干燥时,拉力传感器只测得其自身的重力;当液位上升或下降引起浮力变化时,由公式(5)得出的拉力值变化。拉力传感器内贴有电阻应变片,受力端受力发生变化后测点发生应变,应变片发生变形而使应变片的电阻也发生变化,通过变送器将电阻值得变化转化为标准的4~20mA电流信号输出,从而可以利用PLC和上位机进行数据远传和自动控制。
拉力传感器的检测精度在0.2%~0.5%,满足一般工业要求,其量程的选择根据公式(1)及公式(4)的大小决定。
为使液位计正常工作,必须保证沉筒的重力始终大于它受到的浮力,必要时可在沉筒下方加挂重物。
2、应用分析
由上述沉筒式液位计的工作原理可以看出,通过拉力传感器内部电阻应变片的阻值变化反映拉力的大小,变送器输出电流信号的大小反映当前的液位值,且检测条件不受环境中的温度、粉尘、蒸汽的影响。沉筒式液位计在一些特殊工艺要求或是特殊材料要求的工业场合同样能够持续稳定的工作。
2.1 特殊工艺要求分析
在某些工业材料的制备过程中需要用到搅拌使材料混合均匀,达到工业用料的要求。即使液体始终处于搅拌状态下,液体表面波动较大,罐体还有明显的震动,再加上蒸汽、粉尘等比较恶劣的环境,传统的液位检测装置无法正常工作。利用这种沉筒式液位计能很好的解决这一问题,并且能够通过软件去除误差相对较大的数据,保证检测的精确性,其检测结构如图2所示。
如图2用固定件将沉筒束缚住,避免沉筒随着扇叶的搅拌而出现比较大偏转。在液位计工作过程中,由于扇叶搅拌,传感器测得的数据可能会出现波动,这是无法避免的。沉筒式液位计检测的是垂直方向的拉力大小,而沿搅拌方向的力与拉力是垂直的,因此影响相对较小。
对于出现的误差较大的数据,可以通过软件滤波的方式,在PLC或上位机程序中对采集的数据进行处理,例如中位值平均滤波法,连续采样N个数据,去掉一个最大值和一个最小值,然后计算N-2个数据的算术平均值,这样会去除误差较大数据的影响,保证检测的精确性。
2.2 特殊材料要求分析
工业过程中,有的材料在与水混合后表现出极强的粘附性和凝固性,这样就使得那些接触型检测液位的仪表(如电容式液位计)不能正常工作或检测数据不准确。
当材料本身有粘附性和凝固性时,沉筒的表明会附着一层或几层材料,导致其体积发生变化,自身的重量也发生变化,其变化如图3所示,其中沉筒截面积中虚线层为附着材料层,设此时沉筒外径为R1。
沉筒式液位计克服了附着材料的影响,和软件结合能够彻底适应各种特殊性工业材料,保证每次检测时都能将检测的零点进行调整。调整方法如下。
首先,罐内无液体时测得新的沉筒自重G1;罐内注水,将沉筒完全浸没,由此时拉力F1和之前测得的自重G1可知其浮力f大小,进而得出沉筒新的体积V1;结合软件将PLC或上位机的程序进行合理的更改(可在上位机上设置各项相关参数)。之后加入工业材料,由上述新的检测数据根据公式(3)、(4)、(5)求得新的液位高度。
3、结束语
沉筒式液位计克服了传统液位检测装置无法在高温、重粉尘、蒸汽、震动等情况下工作的弊端,能够在扇叶搅拌工况下持续、准确地检测液位,并且不受材料粘附性和凝固性的影响,为复杂工况下的液位检测提供了一种新的方法。

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