浮力式液位计：提高准确度的方法与测量原理

利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮力方式。

1.恒浮力式

浮子式液位计是恒浮力式液位计中的一种。它是利用能够漂浮在液面上的浮子进行测量的。当浮子漂浮在液面上达到稳定时，根据力学原理，其本身的重量和所受的浮力相平衡。当液面发生变化时，浮子的位置也相应地变化，根据这一原理来测量液位。

图3-95 浮子式液位计示意图

1—浮子 2—滑轮 3—平衡重锤

浮子式液位计示意图如图3-95所示。浮子通过两个滑轮和绳带与平衡重锤连接，绳带的拉力与浮子的重量及浮力平衡，这样就保证了浮子可以漂浮在液面上。设浮子浸入液体的高度为h，液体密度为ρ，圆柱型浮子的外直径为D，密度为ρ₁，则浮子的受力情况为

浮力

自重

作用在浮子上的还有绳子的拉力T，当浮子达到平衡时有

T+F=G（3-124）

当液位上升ΔH时，浮子浸在液体中的部分增大，浮力增加ΔF，即

由于拉力T和自重G都不变，此时T+（F+ΔF）＞G。

因此，为了重新使受力达到平衡状态，浮子上浮。当达到新的平衡状态时，由于平衡锤的拉力T和自重G都为固定值，所以此时的浮子所受浮力不变，即浮子浸入液体的高度仍为h，所以浮子上升的高度和液位上升的高度相同，都是ΔH。由图3-95结构可知，液位和浮子上升的高度和平衡锤下降的高度是相同的，通过平衡锤旁边的标尺可以读出其下降的高度，也就是浮子上升的高度。反之，液位下降，浮子下降，平衡锤上升。利用这个装置，我们可以通过标尺的读数来反映液位的变化，然后通过传递放大系统显示出液面高度。

由上面的分析可知，只有浮力变化量达到一定量ΔH足以克服了摩擦力后，浮子才会开始动作，这就是造成这种液位计不灵敏区产生的原因。通常把浮子式液位计的灵敏度K定义为

从上式可以看出浮子的直径越大，灵敏度越大。所以可以采取适当增加浮子的直径的方法，提高液位计的灵敏度和测量准确度。比如将浮子制成扁平空心圆盘或圆柱形，可以使液位计的不灵敏区变小。在使用恒浮力液位计测量液位时，应使浮子浸入液体中的深度不变化才能准确测量。但实际操作中，液位计测量误差主要与仪器的灵敏度高低、被测介质性质和周围环境等因素有关。

对于恒浮力式液位计的测量误差，主要由以下几个因素引起：

1）仪器灵敏度的高低；

2）当工作介质具有腐蚀性或黏度较大时，浮子被侵蚀而造成质量减轻或是粘上一些液体使浮子质量增加；

3）被测液体密度变化；

4）绳索长度变化。(www.xing528.com)

目前大型贮罐多使用浮子钢带液位变送器，它是浮子重锤法改进的结果，其原理如图3-96所示。

为了结构紧凑便于读数，将重锤改用弹簧代替，浮子上的钢丝绳改用中间打孔的薄钢带代替。浮子1经过钢带2和滑轮3，将升降动作传到钉轮4。钉轮4周边的钉状齿与钢带上的孔啮合，将钢带直线运动变为转动，由指针5和滚轮计数器6指示出液位。在钉轮轴上再安装转角传感器或变送器，就不难实现液位的远传送。已有标准电流信号的和数字通信的浮子钢带液位变送器应用在生产中。

图3-96 浮子钢带液位计

为保证钢带张紧，绕过钉轮4之后的钢带由收带轮7收紧，其收紧力则由恒力弹簧提供。恒力弹簧外形与钟表发条相似，但特性大不一样。钟表发条在自由状态下是松弛的，卷紧之后其回松力矩与变形成正比，并符合胡克定律。恒力弹簧在自由状态是卷紧在轴9上的，受力反绕在轴8上以后，其恢复力f₈始终保持常数，首端至后端一样，因而有“恒力”之称。

从图中可以看出，由于恒力弹簧有厚度，虽然f₈恒定，但它对轴8形成的力矩并非是常数，液位低时力矩大。同样，由于钢带厚度使液位低时收带轮7的直径变小，于是，在f₈恒定的情况下，钢带上的拉力f₇就和液位有关了。在液位低时f₇大，恰好和液位低时图中l段钢带的重力抵消，使浮子所受提升力几乎不变，从而减少了误差。

此外，滑轮、钢带连同仪表壳体全都密封起来，有效地保护了滑轮轴承的润滑，使摩擦阻力降到最小。密封措施对罐内油品减少挥发和防火安全，也极为有利。

为了加大定位力，浮子直径一般为400mm左右，再继续加大直径往往受罐顶开孔尺寸的限制。于是出现了多球组装式浮子，用多个直径较小的球形浮子在罐内组装成同一平面，使吃水线处的横截面加大。

2.变浮力式

变浮力式液位计是通过把液位变化先转化为力的变化，再把力的变化转化为物体位移，位移产生电信号来进行测量。浮筒式液位计是一种典型的变浮力式液位计，其工作原理如图3-97所示。

图3-97 浮筒式液位计

将一截面积为A，重量为G的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，此时弹簧力与重力平衡，当浮筒有一部分浸入液体时，浮筒受到浮力而使弹簧上移，此时有

Kx=G-Ahρg （3-127）

式中，K为弹簧刚度；h为浮筒浸入液体的高度；x为弹簧的压缩量；ρ为液体密度。若液面升高了Δh，浮力增加，浮筒向上移动，浮筒上下移动的距离（即弹簧的位移改变量）为Δx。重新平衡时浮筒浸没在液体中的长度为h+Δh-Δx，则重新达到的平衡关系为

K（x-Δx）=G-A（h+Δh-Δx）ρg （3-128）

用式（3-127）减去式（3-128）得

KΔx=Aρg（Δh-Δx） （3-129）

即

式中，K、A、ρ均为常数，所以当液位发生变化时，浮筒浸入液体中的体积不同，因而浮力变化，合力的作用使得浮筒产生位移。浮筒产生的位移量改变量（即弹簧变形程度）与液位高度变化量成正比。变浮力式液位检测就是把液位变化转换为元件浮筒位移变化。

检测弹簧变形有很多转换方法，常用的有差动变压器式、扭力矩力平衡式等。若在浮筒连杆上装上指针，就可直接读出液位。也可在浮筒的连杆上安装一个铁心，通过差动变压器输出电压，从而测出液位。也可将浮筒所受到的浮力通过扭力管达到力矩平衡，把浮筒的位移量变成扭力矩的角位移，进一步用其他转换元件转换为电信号，构成一个完整的液位计。改变浮筒的尺寸，可以改变量程。