浮筒液位計(jì)誤差分析及處理

程斌 詹晉榮

摘 要：針對(duì)浮筒液位計(jì)在工業(yè)中的測量誤差等問題，本文介紹了浮筒液位計(jì)的測量原理、精確度和誤差分類，分析了不同類型的誤差來源進(jìn)行并給出了相應(yīng)的處理方法。

關(guān)鍵詞：工業(yè)生產(chǎn);浮筒液位計(jì);測量誤差;處理方法

0.引言

浮筒液位計(jì)是一種常見的浮力液位測量儀器，由于其使用方便且具有較好穩(wěn)定性和可靠性，因此被用于化工生產(chǎn)中液位和密度的測量以及界位的控制。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，浮筒液位計(jì)的使用場合逐漸增多，同時(shí)由于環(huán)境因素的復(fù)雜性，干擾因素也逐漸增多，正是由于這些因素的存在，使得其在測量數(shù)據(jù)的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而這些誤差會(huì)導(dǎo)致浮筒液位計(jì)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性下降，從而影響正常的工業(yè)生產(chǎn)，因此分析浮筒液位計(jì)的誤差來源并制定相應(yīng)的解決方案非常重要。

1.浮筒液位計(jì)的測量原理

浮筒液位計(jì)主要采用可變浮力原理來實(shí)現(xiàn)液位的測量。其主要的原件為敏感性的浮筒。在使用的過程中，通過浮筒在液體中浸沒高度時(shí)的浮力來計(jì)算液位的變化。浮筒液位計(jì)的原理圖和示意圖分別如圖1和圖2所示。

在圖2 中，圓柱形空心金屬浮筒懸掛在彈簧上，其中浮筒的橫截面積為A，其質(zhì)量為 ，彈簧處于拉伸狀態(tài)，彈簧的彈力和浮筒的重力達(dá)到平衡時(shí)，其關(guān)系式為式（1）所示。

式中，k為彈簧的剛度系數(shù)，x0 為彈簧被拉伸時(shí)產(chǎn)生的位移。

當(dāng)彈簧被拉伸之后，在杠桿的傳遞下，扭力管的扭力達(dá)到最大值，從而使得扭力管具有最大的扭角。如果液面浸沒整個(gè)浮筒，則此時(shí)浮力達(dá)到最大化，此時(shí)扭力管的扭力矩最小化。在液體慢慢地浸沒浮筒的過程中，浮筒逐漸向上移動(dòng)，當(dāng)浮力和彈簧的彈力之和等于浮筒的重力時(shí)，浮筒停止移動(dòng)，此時(shí)浸沒在液體中浮筒的長度為h，則關(guān)系式如下：

由力的平衡原理可得，

其中，液為的高度為H，彈簧的位移為△x ，

其中ρ 表示液體的密度，整理之后的式子如（4）所示。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于h>>△x ?，因此在△x可以忽略不計(jì)的情況下，

由公式（5）可看出，浮筒的位移與液位高度成正比例，然后液位的高度可以通過計(jì)算浮筒的位移來測量。在生產(chǎn)過程中，扭力管的角位移信號(hào)能通過進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過這種轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)液位的測量。

2.浮筒液位計(jì)的誤差分析及處理

2.1 浮筒液位計(jì)的準(zhǔn)確度和誤差

浮筒液位計(jì)的誤差分析主要包括絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差。對(duì)于儀表的精度等級(jí)，主要是根據(jù)其最大引用誤差的值劃分的。一般可劃分為四個(gè)等級(jí)，按照大小分為2.5級(jí)、1.5級(jí)、1.0級(jí)和0.5級(jí)。誤差極限分別為 2.5%、 1.5%、 1.0%和 0.5%。

2.2 誤差分析及處理

2.2.1 傳感系統(tǒng)誤差

浮筒液位計(jì)的傳感系統(tǒng)主要是由浮筒室和浮筒組成。同一類型的浮筒液位計(jì)中，即使量程不同，但是其最大浮力基本都是一個(gè)定值。其關(guān)系式如下：

其中，Z和K均為定值，D和d分別為浮筒的外徑和內(nèi)徑，L為浮筒的長度。在浮筒的制造工藝中，浮筒的外徑、內(nèi)徑會(huì)因?yàn)楣に囌`差而使得浮筒的最大浮力發(fā)生改變，當(dāng)使用浮筒進(jìn)行液位測量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一系列的連鎖誤差。因此在正常使用之前一定要檢查浮筒的制造工藝是否符合工藝尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，從而保證浮筒的最大浮力為規(guī)定定值。

2.2.2 浮筒液位計(jì)的變送系統(tǒng)

扭力管系統(tǒng)和微處理器系統(tǒng)是浮筒液位計(jì)變送系統(tǒng)的重要組成部分。對(duì)于前者，浮筒液位計(jì)的扭力管系統(tǒng)主要是將浮筒受到的浮力大小轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)角度的該變量。這是一個(gè)將微位移進(jìn)行放大的過程，如果扭力管系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)生較小誤差，則所計(jì)算的浮筒的位移量將會(huì)大發(fā)生較大的變化，從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角度也隨之發(fā)生較大的變化。其結(jié)果使得最后的測量精度下降。在實(shí)際降低浮筒液位計(jì)的變送系統(tǒng)誤差時(shí)，必須在安裝系統(tǒng)之前仔細(xì)檢查其是否符合標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制精度，盡力減少變送系統(tǒng)誤差并使其在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)能正常的使用。

2.2.3其他控制環(huán)節(jié)造成的誤差

在其他控制鏈路中，由于部分干擾，浮筒液位計(jì)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。使用浮筒液位計(jì)進(jìn)行測量時(shí)，信號(hào)需要通過傳輸路徑傳遞測量數(shù)據(jù)結(jié)果。由于大多數(shù)傳輸路徑均是電信號(hào)，因此在傳輸期間，兩條相鄰傳輸路徑之間會(huì)發(fā)生耦合干擾，另外，還可能受到來自其他線路的電磁干擾，這樣的干擾為耦合性干擾。其解決方法是仔細(xì)檢查傳輸路線，一旦發(fā)生此類型的感染，找出干擾源然后去除，盡量保證每條傳輸路線均是最小干擾的環(huán)境。在接地系統(tǒng)中，也會(huì)發(fā)生同樣的干擾。一般浮筒液位計(jì)的系統(tǒng)接地端是通過公共端產(chǎn)生的，在接地干擾系統(tǒng)中，模擬地端和數(shù)字地接在相同的位置時(shí)，此時(shí)，由于電壓下降而產(chǎn)生彼此干擾的噪聲信號(hào)。另外，在數(shù)字端電流較大而模擬地端電流較小的情況下，數(shù)字端會(huì)產(chǎn)生電壓差，進(jìn)而對(duì)浮筒液位計(jì)的測量造成一定的干擾。

2.2.4 生產(chǎn)過程中的誤差

在浮筒液位計(jì)的生產(chǎn)過程中，如果發(fā)生浮筒脫落、浮筒破裂、雜質(zhì)附著以及液體介質(zhì)密度發(fā)生變化等狀況，也會(huì)造成浮筒液位計(jì)在測量的過程中產(chǎn)生誤差。

①浮筒脫落

在使用過程中，由于復(fù)雜的環(huán)境因素使得浮筒脫落，此時(shí)不能將測量數(shù)據(jù)通過扭力管系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，因此浮筒液位計(jì)的扭力管所受到的扭力為0，而最終的測量結(jié)果也為100（或最大）。

②浮筒破裂

在使用浮筒液位計(jì)測量數(shù)據(jù)的過程中，如果發(fā)生浮筒破裂的現(xiàn)象，那么浮筒的自身重力發(fā)生改變，此時(shí)扭力管所受到的力將減小從而使得最終的測量結(jié)果偏低此時(shí)，最佳的處理辦法是及時(shí)更換浮筒或者修補(bǔ)浮筒，保證正常的工作。

③雜質(zhì)附著

當(dāng)有雜質(zhì)附著在浮筒上的時(shí)候，浮筒的介質(zhì)密度和液體的密度不一致，當(dāng)前者大于后者時(shí)，浮筒的測量數(shù)據(jù)偏小;當(dāng)前者等于后者時(shí)，浮筒的測量數(shù)據(jù)正常;當(dāng)前者小于后者時(shí)，浮筒的測量數(shù)據(jù)偏大。因此雜質(zhì)對(duì)浮筒液位計(jì)的測量結(jié)果會(huì)發(fā)生影響。在使用一段時(shí)間后，需要及時(shí)的對(duì)浮筒進(jìn)行清理，從而避免浮筒測量的數(shù)據(jù)發(fā)生較大的誤差，同時(shí)加強(qiáng)巡檢，做好日常設(shè)備的檢查工作。

④介質(zhì)密度發(fā)生變化

由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，在更換浮筒液位計(jì)的的過程中會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生變化，在更換時(shí)產(chǎn)生其測量數(shù)據(jù)和真實(shí)的液位值不符合，影響工藝介質(zhì)從而影響正常的使用。而大部分的情況下，在更換完成后，測量值恢復(fù)到正常。因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中，不能盲目的去檢查并更換相關(guān)的部件，也不能盲目的搬動(dòng)儀表，當(dāng)發(fā)生介質(zhì)密度變化時(shí)，需要在確定有誤差后進(jìn)行測量的修改，否則影響浮筒液位計(jì)的正常工作。

3 結(jié)束語

浮筒液位計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的液位測量工具，本文對(duì)浮筒液位計(jì)的測量原理和常見誤差分析進(jìn)行分析和闡述，并給出了相關(guān)解決方法。合理地將浮筒液位計(jì)控制在正常的的誤差范圍內(nèi)，將更好地有益于工業(yè)生產(chǎn)。

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