浮子式液位計的液位示值誤差分析

朱玉昂

（中廣核核電運營有限公司，廣東陽江529500）

1 問題簡述

在AHP(高壓加熱器)001BA（用001BA指代實際的罐）中有兩個液位測量裝置，分別為AHP001MN和AHP001LN（用001MN和001LN指代實際的測量裝置），其中AHP001MN為超聲波液位測量裝置，AHP001LN為就地顯示的磁翻板液位計，兩個液位計測量同一液位。

在工作過程中遇到了001LN測量的液位值比實際設定的液位值要高10cm，在測量通道中水溫會低于罐中的水溫，水溫下降會導致水的密度上升，水的密度上升會產生兩個相反的作用：①測量通道中水位下降，001LN測量值偏低；②001LN浮球有更多部分浮在水面上，造成測量值偏高。在本文中會對這一現象做出分析，并提出解決方案。

2 原因分析

假設罐子的實際液位為h2，由于AHP001中為高溫高壓的水，在引出測量管線測液位的過程中，由于保溫套管或是其它方面的原因會造成001MN和001LN測量管中的水溫低于001BA中的水溫，由常識可知在壓力不變的情形下水的溫度反向作用于水的密度，在該問題中就是由于測量端的水溫下降，測量裝置中水的液位由設定值h2降低為h1。在問題分析中我們必須做出一個假設，那就是測量裝置001MN和001LN中的水溫是一樣的，這樣可以保證兩個裝置的水位一致。AHP001MN測量到的水位為h1，低于設定值，此時水位控制系統開始工作，將測量裝置中的水位提升到h2。

水位進行調整時，將測量裝置中的水位調整到了h2，此時實際001BA中的水位為h3。設備正常工作時，在001BA中的水位究竟為多少是不可知的，我們只能假設AHP001MN測量設備非常先進，它所測量的即為001BA中的實際液位，在測量通道的水位由于溫度下降而降低時，控制作用會增加001BA中的水，直達001MN測量的水位為設定值。而AHP001LN和AHO001MN兩個測量管道中的水位是一致的，因此不管測量管道中的溫度下降到什么程度，可能會在短時間內測量通道的水位低于設定值，但經過調整都會達到設定值的水位，因此測量通道的水位下降不會直接導致001LN液位測量值下降。

當水溫下降，水的密度提高時會影響浮球在水中的位置，進而影響到測量的水位。液位計的浮球是由三節空心不銹鋼圓筒構成，其中最上面一節圓筒中線位置含有磁性材料，它帶動外邊磁翻板動作，產生液位指示信號[1]。假設每個浮球的中心部分近似為一段圓柱，浮球按照安裝方向豎直放置時，h1為頂部浮球中心點，h2為液面對應高度，Δh為兩者相對高度(Δh=h2-h1)，底部到h1高度對應浮球的體積為V1，液面高度所對應浮球的體積為 V2，兩者的相對體積為 ΔV（ΔV=V2-V1），假設液面所對應的位置處于浮球圓柱部分，則有以下公式：

由于浮球是浮在液位中的，因此滿足阿基米德原理，即物體浸在液體中排開液體的重力等于物體浸在液體中受到的浮力，滿足公式

當浮球在頂端中線附近浮動時，可將浮球近似為一個圓柱體，因此由公式

將公式進一步簡化，可得：

在公式中，Δh為實際液位偏離浮球頂端中線的距離，m為浮球的重量，r為浮球的半徑，ρ為實際液體的密度。

對以上參數進行測量，實際結果如下所示：

表1 參數測量值

在測量的過程中，由于工具所限，在質量測量上可能會有一定的偏差，范圍在10g以內，我們以10g的偏差對最終的結果影響如下:

當 m=850g，ρ=860kg/m3，時，計算所得 Δh=-1.8cm；當 m=840g，ρ=860kg/m3時，計算所得 Δh=-2.2cm，因此測量過程中浮球質量的精度對實際液位測量不會很大。

由于本文將浮球近似為一個圓柱體，因此只有液面在浮球軸向一定范圍內（設為L）才有效，本模型才夠適用。

圖1 液體密度與浮球相對高度的關系

橫坐標為液體的密度，縱坐標為浮球的相對高度，由圖可知，液體的密度越大，浮球在液面以上的部位越多，測量得到的液位值越大。

3 原因小結

①001MN測量管道的溫度低于001LN測量管道溫度，這樣可以會使001MN處液位低于001LN處，造成磁翻板液位計測量值偏高。

②001LN測量管道溫度低，液體密度升高，導致磁翻板液位計測量值升高。

既然測量到的磁翻板液位計總是比設定值高，此時應采取有效措施將該液位計的示數降下來，在這里選用的是最簡單的方法——給浮球增加重量。

可采用兩個不銹鋼316L圓餅，直徑3cm，高度1cm，密度8.03g/cm3每個圓餅重量約55g，將這個不銹鋼圓餅焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。

假設液體的密度為860mg/m3，此時由公式可知相對高度Δh與浮球質量的關系如公式所示：

4 解決方案

可以在浮球底部焊接不銹鋼鐵餅，增加浮球重量，使浮球更多部分浸在液體中，從而降低磁翻板液位計的指示值，但是不能過多地增加浮球的重量，因為有可能會造成浮球的重力大于浮力而導致其直接沉入液底。