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浮力式液位测量原理

来源:天能仪表   2012年04月28日 10:08  

浮力式液位仪表是利用液体对浸没在其中的物体产生浮力的原理进行液位测量的,主要包括恒浮力与变浮力两种类型。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变化的属于变浮力式。

将浮标用绳索连接并悬挂在滑轮上,绳过的另一端挂有平衡重物,利用浮标所受重力和浮力差与平衡重物相平衡使浮标漂浮在液面上,因此有

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W-F=G

式中,W为浮标所受重力(N)G为平衡重物的重力(N);F为浮标所受的浮力(N)。

  当液位H升高时,浮标所受的浮力增加,则W-FG,原有的平衡关系被破坏,浮标上移,F下降,使(W-F)增加。当W-F=G时,浮标停留在新位置上,从与浮标相连的重物的位置(从标尺上可以读出)就可知道被测液位的大小。反之亦然。这样就实现了浮标对液位的跟踪。在一定测量条件下WG是常数,因此浮标停留在任何高度的液面上时,F值不变,帮称此为恒浮力法。这种方法的实质是通过浮标把液位的变化转换为机械位移。

  在实际应用中,还可以用各种不同的结构形式来实现液位一位移的转换,并可通过机械传动机构带动指针对液位进行就地指示。若在此装置上再配上位移-电量转换电路,就可以将位移转换成电信号从而zui终实现液位测量信号的远传。 

  恒浮力法测量液位靠绳索重锤传动,浮子上除随重锤的重力,还有绳索长度L1L2不等、绳索本身的重力及滑轮的摩擦力等。这些外力改变将影响平衡关系,使浮子吃水线相对浮子上下移动,因而使读数出现误差。

  绳重对浮子施加的重力载荷随液位而变化,相当于在恒定的重锤重力W之上附加了变动成分,肯定会引起误差。但这种误差有规律,能够在刻度时予以修正。

  摩擦力引起的误差zui大,且与运动方向有关,无法修正,唯有加大浮力的定位力以减小其影响。浮子的定位力是指吃水线移动△H所引起的浮力增量△F,而

     F=ρgV=ρgAH

故得出定位力表达式为

F=  ρgAH   = ρgA

H    H

  可见,采用大直径的浮子能显著地增大定位力,这是减少摩擦阻力误差的zui有效途径,在被测介质密度小时尤其如此。

变浮力法液位测量

当物体被浸没在液体里的体积不同时,物体所受的浮力也不同。因此,通过检测物体所受浮力的变化,便可知道液位的变化。

  将一横截面相同,重量为W的圆形金属浮筒悬挂在弹簧上,浮筒的重量被弹簧力所平衡。当浮筒的一部分被液体浸没时,由于受到液体的浮力作用而使浮筒的向上移动,当与弹簧力达到平衡时,浮筒才停止移动,平衡时其关系如下:

cx=W-Ahρg                               (1)

式中,c为弹簧的刚度(N/m);x为弹簧压缩的位移(m);A为浮筒的截面积(m2);H为浮筒被液体浸没的深度(m);ρ为被测液体的密度(kg/m3);g为重力加速度(m/s2)。

  当容器内液体的液位变化时,浮筒浸入部分的深度H就要发生变化,弹簧所受的力也跟着变化,则弹簧变形产生位移△x,形成新的平衡关系如下:

c(x-x)=W-A(H+H-x) ρg                                           (2)

将式(1)减式(2)得

cx = A(△H-x)ρg

x =  Aρg   - H = KH

c+Aρg

式中,△x为浮筒的位移量;△H为液位的变化量;K为比例系数。

  由此可知,浮筒的位移量与液位的变化量成正比,比例系数K只与弹簧的刚度、浮筒的截面积、液体的密度有关。欲改变量程和灵敏度,可通过改变K来实现。

  变浮力法测量液位是通过检测元件把液位的变化转化为力的变化,然后再把力的变化转换为位移。如果通过转换器把位移转换成电信号,就可以进行指示和远传。

 

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