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沉筒式液位計的結構及工作原理和應用分析
發(fā)布時間:2018-06-28 01:04:00??點擊次數(shù):6194次
液位檢測是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的檢測環(huán)節(jié),準確的液位值是工業(yè)控制過程中常用的參數(shù)。但一些特殊的工業(yè)工況中,如高溫、重粉塵、蒸汽、震動以及液體有較強粘附性和凝固性,成為制約傳統(tǒng)液位檢測裝置不能正常工作的因素。
目前國內外常見的液位計主要分為接觸式和非接觸式。接觸式主要是浮子式、電容式等,在工作時需要投入到被測液體中。但是在一些特殊工業(yè)環(huán)境如上述情況不能正常工作時,電機的攪拌和材料的粘附性和凝固性是制約傳統(tǒng)接觸式液位計的主要因素。對于非接觸式的例如雷達、超聲波等液位檢測裝置,工業(yè)環(huán)境中的重粉塵和蒸汽成為其應用的主要障礙。
新型沉筒式液位計采用拉力傳感器加沉筒的檢測組合,其中所使用的拉力傳感器具有結構簡單、安裝方便、靈敏度高、受環(huán)境干擾小等優(yōu)點。這種液位計不僅克服了工作環(huán)境的限制,保證檢測的持續(xù)性,還可以結合軟件調整檢測零點、去除誤差較大數(shù)據(jù),保證檢測的精確性,它的靈敏度、抗干擾性、穩(wěn)定性與使用性能方面與傳統(tǒng)的液位計相比有較大優(yōu)勢。
1、沉筒式液位計的結構及工作原理
1.1 沉筒式液位計的結構
沉筒式液位計主要由拉力傳感器、變送器及沉筒組成,拉力傳感器內部貼有電阻應變片,通過信號線將變送器輸出的標準電流信號送到PLC的A/D輸入端口,用以進行數(shù)據(jù)處理和遠程控制。沉筒由上下兩端封閉的空心材料制成,并懸掛在拉力傳感器的受力端,其余部分投入到儲料罐中,拉力傳感器用法蘭盤或自帶螺紋固定在儲料罐的上方,結構如圖1所示。
如圖1所示,設沉筒的外徑為R,內徑r,管壁厚度為R-r,高度為H,沉筒的密度為ρ,侵入液體中的體積為h,被測液體的密度為ρ液,則相關計算公式如下:
沉筒的質量
m=ρπ[R²-(R-r)²]H (1)
沉筒的重力
G=mg (2)
沉筒排開液體的體積
V=πR²h (3)
浮筒受到的浮力
f=ρ液gV (4)
1.2 沉筒式液位計的工作原理
沉筒侵在被測液體中,受到自身重力G和液體浮力f的作用,兩者的合力F由拉力傳感器來測量,即:
F=G-f (5)
拉力傳感器檢測的拉力大小與液位的高低成反比。
當沉筒干燥時,拉力傳感器只測得其自身的重力;當液位上升或下降引起浮力變化時,由公式(5)得出的拉力值變化。拉力傳感器內貼有電阻應變片,受力端受力發(fā)生變化后測點發(fā)生應變,應變片發(fā)生變形而使應變片的電阻也發(fā)生變化,通過變送器將電阻值得變化轉化為標準的4~20mA電流信號輸出,從而可以利用PLC和上位機進行數(shù)據(jù)遠傳和自動控制。
拉力傳感器的檢測精度在0.2%~0.5%,滿足一般工業(yè)要求,其量程的選擇根據(jù)公式(1)及公式(4)的大小決定。
為使液位計正常工作,必須保證沉筒的重力始終大于它受到的浮力,必要時可在沉筒下方加掛重物。
2、應用分析
由上述沉筒式液位計的工作原理可以看出,通過拉力傳感器內部電阻應變片的阻值變化反映拉力的大小,變送器輸出電流信號的大小反映當前的液位值,且檢測條件不受環(huán)境中的溫度、粉塵、蒸汽的影響。沉筒式液位計在一些特殊工藝要求或是特殊材料要求的工業(yè)場合同樣能夠持續(xù)穩(wěn)定的工作。
2.1 特殊工藝要求分析
在某些工業(yè)材料的制備過程中需要用到攪拌使材料混合均勻,達到工業(yè)用料的要求。即使液體始終處于攪拌狀態(tài)下,液體表面波動較大,罐體還有明顯的震動,再加上蒸汽、粉塵等比較惡劣的環(huán)境,傳統(tǒng)的液位檢測裝置無法正常工作。利用這種沉筒式液位計能很好的解決這一問題,并且能夠通過軟件去除誤差相對較大的數(shù)據(jù),保證檢測的精確性,其檢測結構如圖2所示。
如圖2用固定件將沉筒束縛住,避免沉筒隨著扇葉的攪拌而出現(xiàn)比較大偏轉。在液位計工作過程中,由于扇葉攪拌,傳感器測得的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)波動,這是無法避免的。沉筒式液位計檢測的是垂直方向的拉力大小,而沿攪拌方向的力與拉力是垂直的,因此影響相對較小。
對于出現(xiàn)的誤差較大的數(shù)據(jù),可以通過軟件濾波的方式,在PLC或上位機程序中對采集的數(shù)據(jù)進行處理,例如中位值平均濾波法,連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù),去掉一個*大值和一個*小值,然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術平均值,這樣會去除誤差較大數(shù)據(jù)的影響,保證檢測的精確性。
2.2 特殊材料要求分析
工業(yè)過程中,有的材料在與水混合后表現(xiàn)出*強的粘附性和凝固性,這樣就使得那些接觸型檢測液位的儀表(如電容式液位計)不能正常工作或檢測數(shù)據(jù)不準確。
當材料本身有粘附性和凝固性時,沉筒的表明會附著一層或幾層材料,導致其體積發(fā)生變化,自身的重量也發(fā)生變化,其變化如圖3所示,其中沉筒截面積中虛線層為附著材料層,設此時沉筒外徑為R1。
沉筒式液位計克服了附著材料的影響,和軟件結合能夠徹底適應各種特殊性工業(yè)材料,保證每次檢測時都能將檢測的零點進行調整。調整方法如下。
*先,罐內無液體時測得新的沉筒自重G1;罐內注水,將沉筒完全浸沒,由此時拉力F1和之前測得的自重G1可知其浮力f大小,進而得出沉筒新的體積V1;結合軟件將PLC或上位機的程序進行合理的更改(可在上位機上設置各項相關參數(shù))。之后加入工業(yè)材料,由上述新的檢測數(shù)據(jù)根據(jù)公式(3)、(4)、(5)求得新的液位高度。
3、結束語
沉筒式液位計克服了傳統(tǒng)液位檢測裝置無法在高溫、重粉塵、蒸汽、震動等情況下工作的弊端,能夠在扇葉攪拌工況下持續(xù)、準確地檢測液位,并且不受材料粘附性和凝固性的影響,為復雜工況下的液位檢測提供了一種新的方法。