浮筒液位計誤差分析及處理

程斌 詹晉榮

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

關鍵詞：工業生產;浮筒液位計;測量誤差;處理方法

0.引言

浮筒液位計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定性和可靠性，因此被用于化工生產中液位和密度的測量以及界位的控制。隨著工業生產技術的發展，浮筒液位計的使用場合逐漸增多，同時由于環境因素的復雜性，干擾因素也逐漸增多，正是由于這些因素的存在，使得其在測量數據的過程中會產生較大的誤差，而這些誤差會導致浮筒液位計的穩定性和準確性下降，從而影響正常的工業生產，因此分析浮筒液位計的誤差來源并制定相應的解決方案非常重要。

1.浮筒液位計的測量原理

浮筒液位計主要采用可變浮力原理來實現液位的測量。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的浮力來計算液位的變化。浮筒液位計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，其質量為 ，彈簧處于拉伸狀態，彈簧的彈力和浮筒的重力達到平衡時，其關系式為式（1）所示。

式中，k為彈簧的剛度系數，x0 為彈簧被拉伸時產生的位移。

當彈簧被拉伸之后，在杠桿的傳遞下，扭力管的扭力達到最大值，從而使得扭力管具有最大的扭角。如果液面浸沒整個浮筒，則此時浮力達到最大化，此時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，當浮力和彈簧的彈力之和等于浮筒的重力時，浮筒停止移動，此時浸沒在液體中浮筒的長度為h，則關系式如下：

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。

在實際生產過程中，由于h>>△x ?，因此在△x可以忽略不計的情況下，

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算浮筒的位移來測量。在生產過程中，扭力管的角位移信號能通過進一步轉換為電信號，通過這種轉換來實現液位的測量。

2.浮筒液位計的誤差分析及處理

2.1 浮筒液位計的準確度和誤差

浮筒液位計的誤差分析主要包括絕對誤差、相對誤差和引用誤差。對于儀表的精度等級，主要是根據其最大引用誤差的值劃分的。一般可劃分為四個等級，按照大小分為2.5級、1.5級、1.0級和0.5級。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 傳感系統誤差

浮筒液位計的傳感系統主要是由浮筒室和浮筒組成。同一類型的浮筒液位計中，即使量程不同，但是其最大浮力基本都是一個定值。其關系式如下：

其中，Z和K均為定值，D和d分別為浮筒的外徑和內徑，L為浮筒的長度。在浮筒的制造工藝中，浮筒的外徑、內徑會因為工藝誤差而使得浮筒的最大浮力發生改變，當使用浮筒進行液位測量時，會導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準，從而保證浮筒的最大浮力為規定定值。

2.2.2 浮筒液位計的變送系統

扭力管系統和微處理器系統是浮筒液位計變送系統的重要組成部分。對于前者，浮筒液位計的扭力管系統主要是將浮筒受到的浮力大小轉換為扭轉角度的該變量。這是一個將微位移進行放大的過程，如果扭力管系統系統發生較小誤差，則所計算的浮筒的位移量將會大發生較大的變化，從而導致扭轉角度也隨之發生較大的變化。其結果使得最后的測量精度下降。在實際降低浮筒液位計的變送系統誤差時，必須在安裝系統之前仔細檢查其是否符合標準，嚴格控制精度，盡力減少變送系統誤差并使其在規定的誤差范圍之內能正常的使用。

2.2.3其他控制環節造成的誤差

在其他控制鏈路中，由于部分干擾，浮筒液位計會產生一定的誤差。使用浮筒液位計進行測量時，信號需要通過傳輸路徑傳遞測量數據結果。由于大多數傳輸路徑均是電信號，因此在傳輸期間，兩條相鄰傳輸路徑之間會發生耦合干擾，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。其解決方法是仔細檢查傳輸路線，一旦發生此類型的感染，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境。在接地系統中，也會發生同樣的干擾。一般浮筒液位計的系統接地端是通過公共端產生的，在接地干擾系統中，模擬地端和數字地接在相同的位置時，此時，由于電壓下降而產生彼此干擾的噪聲信號。另外，在數字端電流較大而模擬地端電流較小的情況下，數字端會產生電壓差，進而對浮筒液位計的測量造成一定的干擾。

2.2.4 生產過程中的誤差

在浮筒液位計的生產過程中，如果發生浮筒脫落、浮筒破裂、雜質附著以及液體介質密度發生變化等狀況，也會造成浮筒液位計在測量的過程中產生誤差。

①浮筒脫落

在使用過程中，由于復雜的環境因素使得浮筒脫落，此時不能將測量數據通過扭力管系統進行傳遞，因此浮筒液位計的扭力管所受到的扭力為0，而最終的測量結果也為100（或最大）。

②浮筒破裂

在使用浮筒液位計測量數據的過程中，如果發生浮筒破裂的現象，那么浮筒的自身重力發生改變，此時扭力管所受到的力將減小從而使得最終的測量結果偏低此時，最佳的處理辦法是及時更換浮筒或者修補浮筒，保證正常的工作。

③雜質附著

當有雜質附著在浮筒上的時候，浮筒的介質密度和液體的密度不一致，當前者大于后者時，浮筒的測量數據偏小;當前者等于后者時，浮筒的測量數據正常;當前者小于后者時，浮筒的測量數據偏大。因此雜質對浮筒液位計的測量結果會發生影響。在使用一段時間后，需要及時的對浮筒進行清理，從而避免浮筒測量的數據發生較大的誤差，同時加強巡檢，做好日常設備的檢查工作。

④介質密度發生變化

由于工業生產的需要，在更換浮筒液位計的的過程中會導致介質發生變化，在更換時產生其測量數據和真實的液位值不符合，影響工藝介質從而影響正常的使用。而大部分的情況下，在更換完成后，測量值恢復到正常。因此在工業生產過程中，不能盲目的去檢查并更換相關的部件，也不能盲目的搬動儀表，當發生介質密度變化時，需要在確定有誤差后進行測量的修改，否則影響浮筒液位計的正常工作。

3 結束語

浮筒液位計是工業生產中常用的液位測量工具，本文對浮筒液位計的測量原理和常見誤差分析進行分析和闡述，并給出了相關解決方法。合理地將浮筒液位計控制在正常的的誤差范圍內，將更好地有益于工業生產。

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