浮子式液位计的液位示值误差分析

朱玉昂

（中广核核电运营有限公司，广东阳江529500）

1 问题简述

在AHP(高压加热器)001BA（用001BA指代实际的罐）中有两个液位测量装置，分别为AHP001MN和AHP001LN（用001MN和001LN指代实际的测量装置），其中AHP001MN为超声波液位测量装置，AHP001LN为就地显示的磁翻板液位计，两个液位计测量同一液位。

在工作过程中遇到了001LN测量的液位值比实际设定的液位值要高10cm，在测量通道中水温会低于罐中的水温，水温下降会导致水的密度上升，水的密度上升会产生两个相反的作用：①测量通道中水位下降，001LN测量值偏低；②001LN浮球有更多部分浮在水面上，造成测量值偏高。在本文中会对这一现象做出分析，并提出解决方案。

2 原因分析

假设罐子的实际液位为h2，由于AHP001中为高温高压的水，在引出测量管线测液位的过程中，由于保温套管或是其它方面的原因会造成001MN和001LN测量管中的水温低于001BA中的水温，由常识可知在压力不变的情形下水的温度反向作用于水的密度，在该问题中就是由于测量端的水温下降，测量装置中水的液位由设定值h2降低为h1。在问题分析中我们必须做出一个假设，那就是测量装置001MN和001LN中的水温是一样的，这样可以保证两个装置的水位一致。AHP001MN测量到的水位为h1，低于设定值，此时水位控制系统开始工作，将测量装置中的水位提升到h2。

水位进行调整时，将测量装置中的水位调整到了h2，此时实际001BA中的水位为h3。设备正常工作时，在001BA中的水位究竟为多少是不可知的，我们只能假设AHP001MN测量设备非常先进，它所测量的即为001BA中的实际液位，在测量通道的水位由于温度下降而降低时，控制作用会增加001BA中的水，直达001MN测量的水位为设定值。而AHP001LN和AHO001MN两个测量管道中的水位是一致的，因此不管测量管道中的温度下降到什么程度，可能会在短时间内测量通道的水位低于设定值，但经过调整都会达到设定值的水位，因此测量通道的水位下降不会直接导致001LN液位测量值下降。

当水温下降，水的密度提高时会影响浮球在水中的位置，进而影响到测量的水位。液位计的浮球是由三节空心不锈钢圆筒构成，其中最上面一节圆筒中线位置含有磁性材料，它带动外边磁翻板动作，产生液位指示信号[1]。假设每个浮球的中心部分近似为一段圆柱，浮球按照安装方向竖直放置时，h1为顶部浮球中心点，h2为液面对应高度，Δh为两者相对高度(Δh=h2-h1)，底部到h1高度对应浮球的体积为V1，液面高度所对应浮球的体积为 V2，两者的相对体积为 ΔV（ΔV=V2-V1），假设液面所对应的位置处于浮球圆柱部分，则有以下公式：

由于浮球是浮在液位中的，因此满足阿基米德原理，即物体浸在液体中排开液体的重力等于物体浸在液体中受到的浮力，满足公式

当浮球在顶端中线附近浮动时，可将浮球近似为一个圆柱体，因此由公式

将公式进一步简化，可得：

在公式中，Δh为实际液位偏离浮球顶端中线的距离，m为浮球的重量，r为浮球的半径，ρ为实际液体的密度。

对以上参数进行测量，实际结果如下所示：

表1 参数测量值

在测量的过程中，由于工具所限，在质量测量上可能会有一定的偏差，范围在10g以内，我们以10g的偏差对最终的结果影响如下:

当 m=850g，ρ=860kg/m3，时，计算所得 Δh=-1.8cm；当 m=840g，ρ=860kg/m3时，计算所得 Δh=-2.2cm，因此测量过程中浮球质量的精度对实际液位测量不会很大。

由于本文将浮球近似为一个圆柱体，因此只有液面在浮球轴向一定范围内（设为L）才有效，本模型才够适用。

图1 液体密度与浮球相对高度的关系

横坐标为液体的密度，纵坐标为浮球的相对高度，由图可知，液体的密度越大，浮球在液面以上的部位越多，测量得到的液位值越大。

3 原因小结

①001MN测量管道的温度低于001LN测量管道温度，这样可以会使001MN处液位低于001LN处，造成磁翻板液位计测量值偏高。

②001LN测量管道温度低，液体密度升高，导致磁翻板液位计测量值升高。

既然测量到的磁翻板液位计总是比设定值高，此时应采取有效措施将该液位计的示数降下来，在这里选用的是最简单的方法——给浮球增加重量。

可采用两个不锈钢316L圆饼，直径3cm，高度1cm，密度8.03g/cm3每个圆饼重量约55g，将这个不锈钢圆饼焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。

假设液体的密度为860mg/m3，此时由公式可知相对高度Δh与浮球质量的关系如公式所示：

4 解决方案

可以在浮球底部焊接不锈钢铁饼，增加浮球重量，使浮球更多部分浸在液体中，从而降低磁翻板液位计的指示值，但是不能过多地增加浮球的重量，因为有可能会造成浮球的重力大于浮力而导致其直接沉入液底。