磁翻板液位计液位示值的误差原因分析及解决方式

 

　　1 问题简述 

　　在AHP（高压加热器）001BA（用001BA指代实际的罐）中有两个液位测量装置，分别为AHP001MN和AHP001LN（用001MN和001LN指代实际的测量装置），其中AHP001MN为超声波液位测量装置，AHP001LN为就地显示的磁翻板液位计，两个液位计测量同一液位。

在工作过程中遇到了001LN测量的液位值比实际设定的液位值要高10cm，在测量通道中水温会低于罐中的水温，水温下降会导致水的密度上升，水的密度上升会产生两个相反的作用：

①测量通道中水位下降，001LN测量值偏低；

②001LN浮球有更多部分浮在水面上，造成测量值偏高。在本文中会对这一现象做出分析，并提出解决方案。


 

        2 原因分析 

　　假设罐子的实际液位为h2，由于AHP001中为高温高压的水，在引出测量管线测液位的过程中，由于保温套管或是其它方面的原因会造成001MN和001LN测量管中的水温低于001BA中的水温，由常识可知在压力不变的情形下水的温度反向作用于水的密度，在该问题中就是由于测量端的水温下降，测量装置中水的液位由设定值h2降低为h1。在问题分析中我们须做出一个假设，那就是测量装置001MN和001LN中的水温是一样的，这样可以保证两个装置的水位一致。AHP001MN测量到的水位为h1，低于设定值，此时水位控制系统开始工作，将测量装置中的水位提升到h2。

　　水位进行调整时，将测量装置中的水位调整到了h2，此时实际001BA中的水位为h3。设备正常工作时，在001BA中的水位究竟为多少是不可知的，我们只能假设AHP001MN测量设备非常先进，它所测量的即为001BA中的实际液位，在测量通道的水位由于温度下降而降低时，控制作用会增加001BA中的水，直达001MN测量的水位为设定值。而AHP001LN和AHO001MN两个测量管道中的水位是一致的，因此不管测量管道中的温度下降到什么程度，可能会在短时间内测量通道的水位低于设定值，但经过调整都会达到设定值的水位，因此测量通道的水位下降不会直接导致001LN液位测量值下降。

　　当水温下降，水的密度提高时会影响磁翻板液位计浮球在水中的位置，进而影响到测量的水位。液位计的浮球是由三节空心不锈钢圆筒构成，其中*上面一节圆筒中线位置含有磁性材料，它带动外边磁翻板动作，产生液位指示信号[1]。假設每个浮球的中心部分近似为一段圆柱，浮球按照安装方向竖直放置时，h1为顶部浮球中心点，h2为液面对应高度，Δh为两者相对高度（Δh=h2-h1），底部到h1高度对应浮球的体积为V1，液面高度所对应浮球的体积为V2，两者的相对体积为ΔV（ΔV=V2-V1），假设液面所对应的位置处于浮球圆柱部分，则有以下公式：

　　由于浮球是浮在液位中的，因此满足阿基米德原理，即物体浸在液体中排开液体的重力等于物体浸在液体中受到的浮力，满足公式

　　当浮球在顶端中线附近浮动时，可将浮球近似为一个圆柱体，因此由公式

　　将公式进一步简化，可得：

　　在公式中，Δh为实际液位偏离浮球顶端中线的距离，m为浮球的重量，r为浮球的半径，ρ为实际液体的密度。

　　对以上参数进行测量，实际结果如下所示：

　　在测量的过程中，由于工具所限，在质量测量上可能会有一定的偏差，范围在10g以内，我们以10g的偏差对*终的结果影响如下：

　　当m=850g，ρ=860kg/m3，时，计算所得Δh=-1.8cm；当m=840g，ρ=860kg/m3时，计算所得Δh=-2.2cm，因此测量过程中浮球质量的精度对实际液位测量不会很大。

　　由于本文将浮球近似为一个圆柱体，因此只有液面在浮球轴向一定范围内（设为L）才有效，本模型才够适用。

　　为了求出密度变化的允许范围，利用公式可得，当-≤Δh≤时，求得液体的密度取值范围为710kg/m3≤ρ液≤944kg/m3。各个功能位置密度ρ与浮球高度Δh如表2所示，由公式可得液体密度与相对高度的关系，如图1所示：

横坐标为液体的密度，纵坐标为浮球的相对高度，由图可知，液体的密度*大，磁翻板液位计浮球在液面以上的部位*多，测量获得的液位值*大。

 

　　3 原因小结 

　　①001MN测量管道的温度低于001LN测量管道温度，这样可以会使001MN处液位低于001LN处，造成磁翻板液位计测量值偏高。

　　②001LN测量管道温度低，液体密度升高，导致磁翻板液位计测量值升高。

　　既然测量到的磁翻板液位计总是比设定值高，此时应采取有效措施将该液位计的示数降下来，在这里选用的是*简单的方法——给浮球增加重量。

　　可采用两个不锈钢316L圆饼，直径3cm，高度1cm，密度8.03g/cm3每个圆饼重量约55g，将这个不锈钢圆饼焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。

　　假设液体的密度为860mg/m3，此时由公式可知相对高度Δh与浮球质量的关系如公式所示：

由公式可知，在密度确定的情况下，浮球重量每增加55g，相对高度变化1.9cm，即观测到的磁翻板液位计指示值下降1.9cm，该情形下假如要消除10cm的测量需要挂上5个不锈钢圆饼，但是由于原模型有-≤Δh≤的限制，为了保证精度，Δh的取值应小于4.7cm，液体的密度为860mg/m3，浮球默认相对高度为-1.8cm，所以总共有6.5cm的裕度，可以挂3个不锈钢圆饼，将测量指示值拉下来5.7cm。此时若挂上*4个不锈钢圆饼，浮球的总质量达到1060g，而浮球的总体积（含加上去的不锈钢铁饼体积）约为1280ml，在密度为860mg/m3的液体下，*大浮力为1100g，在该情形下浮球基本上绝大部分浸在液体内部，且一旦液体的密度稍作改变，浮球就有下沉的危险，不适合做液位指示，倘若在磁翻板液位计浮球上加5个不锈钢圆饼，浮球将直接沉入液体底部。

 

　　4 解决方案 

　　可以在浮球底部焊接不锈钢铁饼，增加浮球重量，使浮球更多部分浸在液体中，从而降低磁翻板液位计的指示值，但是不能过多地增加浮球的重量，因为有可能会造成浮球的重力大于浮力而导致其直接沉入液底。