浮子移位器與磁翻板液位計(jì)水平位移器原理及應(yīng)用

浮子和移位器

在2200多年前，阿基米德首次發(fā)現(xiàn)浮動(dòng)物體的表觀重量因流動(dòng)的液體重量而減少。大約2000年后，在18世紀(jì)后期，當(dāng)英國(guó)的James Brindley和Sutton Thomas Wood以及俄羅斯的II Polzunov在鍋爐中引入了第一個(gè)浮子式液位調(diào)節(jié)器時(shí)，出現(xiàn)了水平浮子的第一次工業(yè)應(yīng)用。

浮子是運(yùn)動(dòng)平衡裝置，可以液位上下移動(dòng)。位移器是力平衡裝置（約束浮子），其表觀重量根據(jù)阿基米德原理而變化：作用在物體上的浮力等于被置換的流體的重量。隨著水平的變化

靜止（和恒定直徑）置換器浮動(dòng)，浮力按比例變化并且可以被檢測(cè)為水平的指示。常規(guī)和置換器浮子可用作連續(xù)液位變送器和點(diǎn)感應(yīng)液位開(kāi)關(guān)。

在工業(yè)應(yīng)用中，置換器浮子通常是有利的，因?yàn)樗鼈儾恍枰�運(yùn)動(dòng)。此外，通�？梢愿�多地檢測(cè)力

比位置準(zhǔn)確。但是，也使用常規(guī)浮動(dòng)，主要用于實(shí)用程序和其他輔助應(yīng)用程序。

浮球液位開(kāi)關(guān)

可用于操作浮子液位開(kāi)關(guān)的浮力（即，其凈浮力）是置換流體的重量（總浮力）與浮子的重量之間的差。浮子有球形（圖7-6A），圓柱形（圖7-6B）和各種其他形狀（圖7-6C）。它們可以由不銹鋼，PFA，哈氏合金，蒙乃爾合金和各種塑料材料制成。典型溫度和壓力額定值為-40至80°C（-40至180°F），橡膠或塑料浮子高達(dá)150 psig，-40至260°C（-40至500°F），較高750 psig用于不銹鋼浮子。標(biāo)準(zhǔn)浮子尺寸的直徑為1至5英寸�？梢詮拇蠖鄶�(shù)制造商訂購(gòu)定制的浮子尺寸，形狀和材料。側(cè)裝開(kāi)關(guān)的浮子是水平的;

浮子應(yīng)始終比過(guò)程流體的較小預(yù)期比重（SG）輕。對(duì)于清潔液體，0.1 SG的差異可能就足夠了，而對(duì)于粘性或臟污應(yīng)用，建議差異至少為0.3 SG。這提供了額外的力來(lái)克服由于摩擦和材料堆積引起的阻力。在骯臟的應(yīng)用中，浮子也應(yīng)易于清潔。

浮子可以連接到機(jī)械臂或杠桿上，并且可以驅(qū)動(dòng)電氣，氣動(dòng)或機(jī)械機(jī)構(gòu)。開(kāi)關(guān)本身可以是水銀（圖7-6A和7-6C），干觸點(diǎn)（快動(dòng)或簧片型，如圖7-6B所示），氣密密封或氣動(dòng)。開(kāi)關(guān)可以

用于驅(qū)動(dòng)視覺(jué)顯示器，信號(hào)器，泵或閥門。電觸點(diǎn)可以是額定輕載（10-100伏安，VA）或重載（較高15 A @ 120 Vac）。如果開(kāi)關(guān)要操作負(fù)載大于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)額定值的電路，則需要插入插入式繼電器。如果要將開(kāi)關(guān)插入4-20 mA直流電路中，則應(yīng)指定鍍金干觸點(diǎn)，以確保所需的極低接觸電阻。

應(yīng)用和安裝

在傾斜開(kāi)關(guān)（圖7-6C）中，汞元件或繼電器安裝在塑料浮子內(nèi); 浮子的電纜綁在水箱或水槽內(nèi)的管道上。隨著水平的上升和下降，浮子上下傾斜，從而打開(kāi)和關(guān)閉其電觸點(diǎn)。電纜的自由長(zhǎng)度決定了致動(dòng)水平。一個(gè)，兩個(gè)或三個(gè)開(kāi)關(guān)可用于操作單工和雙工油泵站。單工（單泵）系統(tǒng)將使用與電機(jī)引線串聯(lián)的單個(gè)開(kāi)關(guān)，以便開(kāi)關(guān)直接啟動(dòng)和停止泵電機(jī)（圖7-7）。

雙工（雙泵）應(yīng)用可能使用三個(gè)開(kāi)關(guān)：一個(gè)在油箱底部（LO）停止兩個(gè)泵，另一個(gè)在中間（HI）啟動(dòng)一個(gè)泵，較后一個(gè)在頂部（HI-HI）啟動(dòng)第二個(gè)泵，也許是一個(gè)聲音

和/或視覺(jué)警報(bào)。

圖7-8A說(shuō)明了側(cè)裝浮子開(kāi)關(guān)如何驅(qū)動(dòng)相鄰的密封簧片開(kāi)關(guān)。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是杠桿延伸部分傾向于放大浮子產(chǎn)生的浮力。因此浮子本身可以相當(dāng)小。主要缺點(diǎn)是必須打開(kāi)油箱才能對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行維護(hù)。如果浮子的浮力被機(jī)械地用于致動(dòng)快動(dòng)開(kāi)關(guān)，則僅需要一盎司的力。

在頂部（或底部）安裝的磁性浮動(dòng)開(kāi)關(guān)（圖7-8B）中，磁體位于圓柱形浮子中，在包含簧片開(kāi)關(guān)的短垂直導(dǎo)管上向上或向下移動(dòng)。浮子的運(yùn)動(dòng)受到夾子的限制，可以只有1/2英寸或更小。這些浮子和導(dǎo)管可提供多個(gè)浮子，可以檢測(cè)多個(gè)級(jí)別。開(kāi)關(guān)組件本身可以直接插入罐中或側(cè)面安裝在單獨(dú)的腔室中。

磁性活塞操作開(kāi)關(guān)也可以安裝在外部腔室中（圖7-8C）。當(dāng)磁鐵在非磁性管內(nèi)上下滑動(dòng)時(shí)，它會(huì)操作管外的水銀開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)完全密封，非常適合高達(dá)900 psig和400°C（750°F）的重載工業(yè)應(yīng)用，符合ASME規(guī)范要求。這些

開(kāi)關(guān)可以是側(cè)面，頂部或籠式安裝（圖7-9），可以在蒸汽桶，給水加熱器，冷凝水罐，氣/油分離器，接收器和蓄能器上提供報(bào)警和控制功能。輕型籠式浮子開(kāi)關(guān)還可在200°C（400°F）下使用額定壓力高達(dá)250 psig，在40°C（100°F）時(shí)使用400 psig - 適用于許多鍋爐，冷凝水接收器，閃蒸罐，日間水箱，儲(chǔ)水箱和排水閥控制裝置�；\子可以配備水平儀。多個(gè)開(kāi)關(guān)可用于多種切換應(yīng)用，例如鍋爐液位報(bào)警和控制。

置換開(kāi)關(guān)

浮子通常跟隨液位，而置換器保持部分或完全浸沒(méi)。如圖7-10A所示，置換器的表觀重量隨著被更多液體覆蓋而減小。當(dāng)重量下降到彈簧張力以下時(shí)，開(kāi)關(guān)被啟動(dòng)。在湍流，澎湃，泡沫或泡沫應(yīng)用中，置換開(kāi)關(guān)比常規(guī)浮子更可靠。更換設(shè)置很容易，因?yàn)橹脫Q器可以沿懸掛電纜移動(dòng)到任何位置（較長(zhǎng)50英尺）。這些開(kāi)關(guān)可在罐之間互換，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)改變支撐彈簧的張力來(lái)適應(yīng)工藝密度的差異。

測(cè)試常規(guī)浮動(dòng)開(kāi)關(guān)的正常功能可能需要將油箱加注到驅(qū)動(dòng)水平，而可以通過(guò)提升懸架來(lái)測(cè)試置換開(kāi)關(guān)（圖7-10A）。置換開(kāi)關(guān)可配備重型保持架和法蘭，適用于150°C（300°F）時(shí)高達(dá)5000 psig的應(yīng)用，適用于液壓蓄能器，天然氣接收器，高壓洗滌器和碳?xì)浠�合物閃蒸罐。

磁翻板液位計(jì)水平位移器

排量器作為磁翻板液位計(jì)和本地液位控制器很受歡迎，特別是在石油和石化行業(yè)。然而，它們不適用于漿料或污泥處理，因?yàn)橹脫Q劑的涂層改變了其體積并因此改變了其浮力。對(duì)于涉及恒定密度的清潔液體的服務(wù)，它們是較準(zhǔn)確和可靠的。它們應(yīng)該進(jìn)行溫度補(bǔ)償，特別是如果過(guò)程溫度的變化導(dǎo)致過(guò)程流體密度的顯著變化。

當(dāng)用作磁翻板液位計(jì)時(shí)，總是比過(guò)程流體重的置換器懸掛在扭矩臂上。它顯而易見(jiàn)

重量導(dǎo)致扭矩管的角位移（扭轉(zhuǎn)彈簧，無(wú)摩擦壓力密封）。該角位移與置換器的重量成線性比例（圖7-10B）。

標(biāo)準(zhǔn)置換器容積為100立方英寸，較常用的長(zhǎng)度為14,32,48和60英寸（特殊設(shè)計(jì)中長(zhǎng)度可達(dá)60英尺。）除扭矩管外，還可檢測(cè)浮力通過(guò)其他力傳感器，包括彈簧和力平衡儀器。當(dāng)浮力通過(guò)彈簧平衡時(shí)，存在一些運(yùn)動(dòng)，而使用力平衡檢測(cè)器，置換器保持在一個(gè)位置，并且僅位移器上的水平變化。

置換器單元可提供氣動(dòng)和電子輸出，也可配置為本地獨(dú)立控制器。當(dāng)用于水服務(wù)時(shí)，100立方英寸的置換器將產(chǎn)生3.6磅的浮力。因此，標(biāo)準(zhǔn)扭矩管的校準(zhǔn)力范圍為0-3.6 lb f，薄壁扭矩管的范圍為0-1.8 lb f。

對(duì)于煉油廠和其他連續(xù)運(yùn)行的工藝，美國(guó)石油協(xié)會(huì)建議（在API RP 550中）將置換器安裝在帶有液位計(jì)和隔離閥的外部立管中（圖7-11）。這樣就可以在不中斷過(guò)程的情況下重新校準(zhǔn)或維護(hù)置換器。

接口應(yīng)用

當(dāng)測(cè)量重液體和輕液體（例如水上油）之間的界面時(shí)，置換器的頂部連接放置在燈中，底部連接放入重液體層中。如果在腔室充滿輕液體時(shí)將這種發(fā)射器的輸出設(shè)置為零，并且當(dāng)其充滿重相時(shí)設(shè)置為100％，則輸出將對(duì)應(yīng)于接口水平。當(dāng)然，當(dāng)測(cè)量界面時(shí)，必須使置換器腔室的兩個(gè)連接位于兩個(gè)不同的液體層中，并且腔室總是被淹沒(méi)�？梢愿淖兾灰破髦睆揭云ヅ湟后w密度的差異，并且可以設(shè)置置換器長(zhǎng)度以匹配水平界面變化的垂直范圍。

如果兩種處理液之間的SG差異大于0.05，則常規(guī)浮子也可用于界面檢測(cè)。在這些應(yīng)用中，需要的浮子密度大于較輕的液體并且小于較重的液體。如果這樣選擇，浮動(dòng)將遵循接口級(jí)別，并且在干凈的服務(wù)中，提供可接受的性能。

連續(xù)浮動(dòng)

在用于連續(xù)液位測(cè)量的各種浮子傳感器設(shè)計(jì)中，較老的且可以說(shuō)較準(zhǔn)確的是磁帶水平儀（圖7-12A）。在這種設(shè)計(jì)中，膠帶或電纜將罐內(nèi)的浮子連接到儀表板或安裝在罐外部的指示收帶盤。浮子通過(guò)導(dǎo)絲在罐內(nèi)上下引導(dǎo)或在靜止井內(nèi)行進(jìn)。這些液位指示器用于遠(yuǎn)程，無(wú)人值守，獨(dú)立應(yīng)用，或者它們可以配備數(shù)據(jù)傳輸電子設(shè)備，以集成到工廠范圍的控制系統(tǒng)中。

為了安裝膠帶規(guī)，在罐頂部需要一個(gè)開(kāi)口，底部需要一個(gè)錨。正確維護(hù)時(shí)，膠帶規(guī)準(zhǔn)確度為±1/4 in。重要的是保持導(dǎo)線處于張力，清潔和無(wú)腐蝕狀態(tài)，并確保膠帶永遠(yuǎn)不會(huì)接觸到其行進(jìn)的保護(hù)管道。如果不這樣做，浮子可能卡在導(dǎo)絲上，或者膠帶可能卡在管道上。（如果水平長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有變化或者油庫(kù)是這樣的話，就會(huì)發(fā)生這種情況

位于潮濕的地區(qū)。）

另一個(gè)連續(xù)水平指示器是磁性水平儀，由一個(gè)磁性浮子組成，在一個(gè)長(zhǎng)的非磁性（通常是不銹鋼）管道的內(nèi)部上下移動(dòng)。管道連接到水箱側(cè)面的法蘭噴嘴。管柱設(shè)有可視指示器，由三角形晶片元件組成。當(dāng)浮子中的磁鐵達(dá)到其水平時(shí)，這些元素會(huì)翻轉(zhuǎn)（從綠色變?yōu)榧t色或任何其他顏色）（圖7-12B）。報(bào)警開(kāi)關(guān)和變送器選項(xiàng)可用于類似的磁耦合方案（圖7-12C）。在類似的設(shè)計(jì)中，一系列簧片開(kāi)關(guān)位于立管內(nèi)。測(cè)量單個(gè)簧片開(kāi)關(guān)由上升磁鐵閉合時(shí)輸出電壓的變化，給出電平指示。

磁翻板液位計(jì)的操作基于Villari效應(yīng)。在磁波導(dǎo)型連續(xù)液位檢測(cè)器中，浮子（或浮子，當(dāng)檢測(cè)界面時(shí)）在垂直管道的外部同心地上下移動(dòng)。管內(nèi)部是由磁致伸縮材料制成的同心波導(dǎo)。沿波導(dǎo)向下發(fā)送低電流詢問(wèn)脈沖，沿波導(dǎo)的長(zhǎng)度產(chǎn)生電磁場(chǎng)。當(dāng)該磁場(chǎng)與浮子內(nèi)的永磁體相互作用時(shí)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)變脈沖（或波導(dǎo)扭曲）并將其檢測(cè)為返回脈沖。詢問(wèn)時(shí)間和返回脈沖時(shí)間的差異與罐中的液位成比例。

這種油箱液位傳感方法非常精確，達(dá)到±0.02英寸，因此是精確庫(kù)存管理操作的理想選擇。傳感器的長(zhǎng)度為2-25英尺，可以通過(guò)法蘭連接，螺紋連接或焊接連接從容器頂部插入水箱。對(duì)于同時(shí)測(cè)量界面和總水平，可以使用雙浮動(dòng)系統(tǒng)（圖7-12D）。電阻溫度檢測(cè)器（RTD）也可用于溫度補(bǔ)償。與所有其他浮球液位儀器一樣，此設(shè)計(jì)也適用于清潔液體。額定溫度高達(dá)150°C（300°F）和300 psig。變送器輸出可以是4-20 mA直流模擬或現(xiàn)場(chǎng)總線兼容數(shù)字。

浮子控制閥

浮球式控制閥將液位測(cè)量和液位控制功能集成到單級(jí)調(diào)節(jié)器中。雖然簡(jiǎn)單且便宜，但它們僅限于涉及小流量和閥門上的小壓降的應(yīng)用。這是因?yàn)榭捎糜诠?jié)流閥的力限于由作用在浮子上的浮力所提供的力，乘以浮臂的杠桿作用。這不足以關(guān)閉大閥門以抵抗高壓差。

然而，對(duì)于簡(jiǎn)單和無(wú)人值守的應(yīng)用（例如控制冷卻塔盆中的補(bǔ)給水供應(yīng)或從疏水閥排出冷凝水），它們是可接受的。重要的是要理解浮子調(diào)節(jié)器是簡(jiǎn)單的比例控制器：它們不能在單個(gè)設(shè)定點(diǎn)保持水平。當(dāng)浮子行進(jìn)通過(guò)其控制范圍時(shí)，他們可以做的是打開(kāi)或關(guān)閉閥門。因此，調(diào)節(jié)器具有節(jié)流范圍而不是設(shè)定值。如果范圍很窄（浮子通常在幾英寸的浮動(dòng)行程中完全沖擊它們的閥門），它會(huì)給人一種恒定水平的印象。

事實(shí)上，水平將在節(jié)流范圍內(nèi)變化，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器增加進(jìn)料流量（例如進(jìn)入冷卻塔水池）的較好的方法是首先讓水位下降，以便浮子的下沉將進(jìn)一步打開(kāi)閥門。通過(guò)線性閥的較大流量（Q max）與液位（h）的范圍之間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)器的比例靈敏度（K c = Q max / h），以GPM /英寸為單位表示。浮子調(diào)節(jié)器的偏移量是浮子范圍的中心與輸送過(guò)程所需的流量所需的浮子的高度之間的距離（以英寸為單位）。