浮筒液位计误差分析及处理

程斌 詹晋荣

摘 要：针对浮筒液位计在工业中的测量误差等问题，本文介绍了浮筒液位计的测量原理、精确度和误差分类，分析了不同类型的误差来源进行并给出了相应的处理方法。

关键词：工业生产;浮筒液位计;测量误差;处理方法

0.引言

浮筒液位计是一种常见的浮力液位测量仪器，由于其使用方便且具有较好稳定性和可靠性，因此被用于化工生产中液位和密度的测量以及界位的控制。随着工业生产技术的发展，浮筒液位计的使用场合逐渐增多，同时由于环境因素的复杂性，干扰因素也逐渐增多，正是由于这些因素的存在，使得其在测量数据的过程中会产生较大的误差，而这些误差会导致浮筒液位计的稳定性和准确性下降，从而影响正常的工业生产，因此分析浮筒液位计的误差来源并制定相应的解决方案非常重要。

1.浮筒液位计的测量原理

浮筒液位计主要采用可变浮力原理来实现液位的测量。其主要的原件为敏感性的浮筒。在使用的过程中，通过浮筒在液体中浸没高度时的浮力来计算液位的变化。浮筒液位计的原理图和示意图分别如图1和图2所示。

在图2 中，圆柱形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，其中浮筒的横截面积为A，其质量为 ，弹簧处于拉伸状态，弹簧的弹力和浮筒的重力达到平衡时，其关系式为式（1）所示。

式中，k为弹簧的刚度系数，x0 为弹簧被拉伸时产生的位移。

当弹簧被拉伸之后，在杠杆的传递下，扭力管的扭力达到最大值，从而使得扭力管具有最大的扭角。如果液面浸没整个浮筒，则此时浮力达到最大化，此时扭力管的扭力矩最小化。在液体慢慢地浸没浮筒的过程中，浮筒逐渐向上移动，当浮力和弹簧的弹力之和等于浮筒的重力时，浮筒停止移动，此时浸没在液体中浮筒的长度为h，则关系式如下：

由力的平衡原理可得，

其中，液为的高度为H，弹簧的位移为△x ，

其中ρ 表示液体的密度，整理之后的式子如（4）所示。

在实际生产过程中，由于h>>△x  ，因此在△x可以忽略不计的情况下，

由公式（5）可看出，浮筒的位移与液位高度成正比例，然后液位的高度可以通过计算浮筒的位移来测量。在生产过程中，扭力管的角位移信号能通过进一步转换为电信号，通过这种转换来实现液位的测量。

2.浮筒液位计的误差分析及处理

2.1 浮筒液位计的准确度和误差

浮筒液位计的误差分析主要包括绝对误差、相对误差和引用误差。对于仪表的精度等级，主要是根据其最大引用误差的值划分的。一般可划分为四个等级，按照大小分为2.5级、1.5级、1.0级和0.5级。误差极限分别为 2.5%、 1.5%、 1.0%和 0.5%。

2.2 误差分析及处理

2.2.1 传感系统误差

浮筒液位计的传感系统主要是由浮筒室和浮筒组成。同一类型的浮筒液位计中，即使量程不同，但是其最大浮力基本都是一个定值。其关系式如下：

其中，Z和K均为定值，D和d分别为浮筒的外径和内径，L为浮筒的长度。在浮筒的制造工艺中，浮筒的外径、内径会因为工艺误差而使得浮筒的最大浮力发生改变，当使用浮筒进行液位测量时，会导致一系列的连锁误差。因此在正常使用之前一定要检查浮筒的制造工艺是否符合工艺尺寸的标准，从而保证浮筒的最大浮力为规定定值。

2.2.2 浮筒液位计的变送系统

扭力管系统和微处理器系统是浮筒液位计变送系统的重要组成部分。对于前者，浮筒液位计的扭力管系统主要是将浮筒受到的浮力大小转换为扭转角度的该变量。这是一个将微位移进行放大的过程，如果扭力管系统系统发生较小误差，则所计算的浮筒的位移量将会大发生较大的变化，从而导致扭转角度也随之发生较大的变化。其结果使得最后的测量精度下降。在实际降低浮筒液位计的变送系统误差时，必须在安装系统之前仔细检查其是否符合标准，严格控制精度，尽力减少变送系统误差并使其在规定的误差范围之内能正常的使用。

2.2.3其他控制环节造成的误差

在其他控制链路中，由于部分干扰，浮筒液位计会产生一定的误差。使用浮筒液位计进行测量时，信号需要通过传输路径传递测量数据结果。由于大多数传输路径均是电信号，因此在传输期间，两条相邻传输路径之间会发生耦合干扰，另外，还可能受到来自其他线路的电磁干扰，这样的干扰为耦合性干扰。其解决方法是仔细检查传输路线，一旦发生此类型的感染，找出干扰源然后去除，尽量保证每条传输路线均是最小干扰的环境。在接地系统中，也会发生同样的干扰。一般浮筒液位计的系统接地端是通过公共端产生的，在接地干扰系统中，模拟地端和数字地接在相同的位置时，此时，由于电压下降而产生彼此干扰的噪声信号。另外，在数字端电流较大而模拟地端电流较小的情况下，数字端会产生电压差，进而对浮筒液位计的测量造成一定的干扰。

2.2.4 生产过程中的误差

在浮筒液位计的生产过程中，如果发生浮筒脱落、浮筒破裂、杂质附着以及液体介质密度发生变化等状况，也会造成浮筒液位计在测量的过程中产生误差。

①浮筒脱落

在使用过程中，由于复杂的环境因素使得浮筒脫落，此时不能将测量数据通过扭力管系统进行传递，因此浮筒液位计的扭力管所受到的扭力为0，而最终的测量结果也为100（或最大）。

②浮筒破裂

在使用浮筒液位计测量数据的过程中，如果发生浮筒破裂的现象，那么浮筒的自身重力发生改变，此时扭力管所受到的力将减小从而使得最终的测量结果偏低此时，最佳的处理办法是及时更换浮筒或者修补浮筒，保证正常的工作。

③杂质附着

当有杂质附着在浮筒上的时候，浮筒的介质密度和液体的密度不一致，当前者大于后者时，浮筒的测量数据偏小;当前者等于后者时，浮筒的测量数据正常;当前者小于后者时，浮筒的测量数据偏大。因此杂质对浮筒液位计的测量结果会发生影响。在使用一段时间后，需要及时的对浮筒进行清理，从而避免浮筒测量的数据发生较大的误差，同时加强巡检，做好日常设备的检查工作。

④介质密度发生变化

由于工业生产的需要，在更换浮筒液位计的的过程中会导致介质发生变化，在更换时产生其测量数据和真实的液位值不符合，影响工艺介质从而影响正常的使用。而大部分的情况下，在更换完成后，测量值恢复到正常。因此在工业生产过程中，不能盲目的去检查并更换相关的部件，也不能盲目的搬动仪表，当发生介质密度变化时，需要在确定有误差后进行测量的修改，否则影响浮筒液位计的正常工作。

3 结束语

浮筒液位计是工业生产中常用的液位测量工具，本文对浮筒液位计的测量原理和常见误差分析进行分析和阐述，并给出了相关解决方法。合理地将浮筒液位计控制在正常的的误差范围内，将更好地有益于工业生产。

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