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浮球液位變送器的浮球易損可能所作改進
浮球液位變送器是一種特別普遍在使用的液位儀表，尤其是在在煉油、化工生產(chǎn)現(xiàn)場， 浮球液位變送器是液位測量*的儀表之一。雖然目前液位變器品類繁多，基于各種不同測量機制研發(fā)出新型儀表不斷問世，但是對于高粘度、高溫而測量范圍較小的場合，依然沒有開創(chuàng)性的測量方案，仍然需要浮球液位變送器這類的傳統(tǒng)液位計才可以實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的液位測量， 其他物位儀表則很難滿足要求。不斷改進浮球液位變送器， 提高其使用性能， 就十分有意義。本文針對浮球液位變送器的浮球， 分析了浮球液位變送器在現(xiàn)場的使用環(huán)境， 通過計算推導，通過向浮球內(nèi)充液的方法對其改進， 改進其制造工藝，進而提高儀表的使用性能。
1 浮球液位變送器工作原理簡介
多數(shù)浮球液位變送器由檢測機構(gòu)部件和電路轉(zhuǎn)換部件組成(見圖1)。檢測部分由浮球、球桿、平衡錘、法蘭、中心軸等組成， 電路轉(zhuǎn)換部分由傳感器、放大器、電流轉(zhuǎn)換及指示表組成。
以中心軸為支點， 由檢測元件浮球、球桿、平衡錘構(gòu)成杠桿平衡系統(tǒng)， 當液位變化時浮球受到浮力隨之變化， 其變化量經(jīng)球桿、中心軸傳動， 使傳感器產(chǎn)生角位移， 輸出電信號， 經(jīng)放大， 轉(zhuǎn)換成與被測液位成線性的4 -20mADC 的標準信號， 進行遠距離傳送， 從而實現(xiàn)對液位的檢測。
浮球液位變送器還可以附有現(xiàn)場指示功能， 多采用百分比現(xiàn)場指示， 0 %、100 %分別對應4mA 、20mA 。浮球液位變送器的相關(guān)指標為:測量范圍0-1200mm ， 工作溫度-20 ℃-450 ℃， 工作壓力≤6 .3Mpa ， 精度1 級， 浮球的大運行角度:35°防爆標志:d ⅡBT5 ， ib ⅡCT6 .
2 需要解決的問題
在浮球液位變送器中， 浮球作為一個關(guān)鍵的檢測元件， 起著非常重要的作用， 它是否正常工作直接影響儀表能否穩(wěn)定的輸出。多數(shù)化工過程均為連續(xù)生產(chǎn)過程， 液位變送器安裝在被測容器(如塔、罐、釜等)上， 一旦浮球被損壞， 不能正常工作， 就要停車進行檢修， 給生產(chǎn)造成較大損失。所以， 對于檢測元件———浮球應在性能上多進行研究， 以提高其使用壽命， 保證生產(chǎn)安全、平穩(wěn)。
國內(nèi)外浮球液位變送器生產(chǎn)商， 對浮球的制造工藝多采用兩個半球?qū)付桑?沒有采取其他的措施。我們可以采用在浮球內(nèi)充少量水(或其他液體)， 浮球的重量沒有較大增加， 對測量沒有影響，但在高溫高壓的情況下， 球內(nèi)液體(如水)就會產(chǎn)生飽和蒸汽， 形成飽和蒸汽壓， 在一定條件下， 飽和蒸汽壓可以達到外部工作壓力， 抵消外部較大的工作壓力， 使浮球內(nèi)外壓力處于平衡， 保證浮球在受到外力時不會凹陷或變形， 使浮球正常工作。如圖2 所示， 當P外=P內(nèi)時， 則浮球內(nèi)外表面受力互相抵消， 球面就不易受外力而發(fā)生變形、凹陷等問題。
3 以水為例， 計算浮球的充液量
浮球內(nèi)徑:D內(nèi)=113mm D外=115mm
浮球高工作溫度:T =450 ℃
浮球高工作壓力:P =6 .3MPa
球的容積為:V =4/3 πr3 (1)
將r =D內(nèi)/2 =113/2mm =0 .0565m
代入(1)可得
V =4/3 ＊3 .14159 ＊(0 .0565)3 =7 .555 ＊10-4m3
我們按浮球液位變送器高溫度、高工作壓力來進行計算， 通過計算該條件下球內(nèi)飽和蒸汽的摩爾數(shù)， 便可以求出充入水的量。
由理想氣體狀態(tài)方程PV =nRT 得， n =PV/RT
(2)
其中R =8 .314J·mol＾（-1） ·K＾（-1）
T =450 +273 .15K =723 .15K
P =6 .3MPa =6 .3 ＊106Pa
∴n =（（6 .3 ＊106 ＊7 .555 ＊10-4）/8 .314 ＊723 .15）mol =0 .792mol
已知水的摩爾質(zhì)量為18g mol
所以充入水的量為0 .792mol ＊18g mol =14 .26g
4 浮球內(nèi)充液后對浮球測量的誤差分析
由式(1)可以計算出， 浮球的外體積為V′=4/3 π
(115/2 )3mm3 =796328 mm3 =796 .328cm3
浮球產(chǎn)生的浮力為(設(shè)被測介質(zhì)為重質(zhì)油， 密度為ρ=0 .90g cm3):
F =ρ＊V′=796 .328 ＊0 .90g ≈717g
充入水的量與浮力之比為:
0 .792 ＊18/717 ＊100 %=1 .988 %
由此可見， 充入浮球中14 .26g 的水僅占浮球浮力的百分之一點多， 相當于粘附在浮球表面的測量介質(zhì)， 浮球質(zhì)量可通過計算求出:
G =(V′-V)ρ′=(796 .328 -755 .5)＊7 .8g =318 .46g
加上所充14 .26g 液體， 其總的質(zhì)量為:G =332 .72g 。顯而易見， 浮球和內(nèi)充液體的總重量決定了浮球在測量時介質(zhì)的浸入位置接近于半球的中心線。根據(jù)浮球液位變送器工作原理， 通過調(diào)整平衡錘的力臂可克服包括充入液體在內(nèi)的其他連接件的影響， 使浮球在測量液位時達到良好的平衡， 充入浮球的液體不會對浮球測量帶來附加誤差。
5 結(jié)束語
通過上述簡單的工藝過程， 可以提高浮球液位變送器的使用性能， 增大它的安全系數(shù)， 同時， 對浮球液位變送器又不會帶來附加誤差， 是一個改善浮球性能的有效方法。