“碟形”浮子式壓差液位傳感器的研究

王 凡，皮桂英（中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150001）

“碟形”浮子式壓差液位傳感器的研究

王 凡，皮桂英
（中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150001）

為了解決不同密度不相溶液體分層液位的高精度測量問題，提出并可以實現的一種“碟形”浮子式壓差液位傳感器，給出了碟形浮子壓力探頭結構設計的理論參數，較好地解決了在液體中的穩定測量問題。

浮子式壓差液位傳感器；分層液位測量；高精度

引言

在船舶儲油和污水處理方面，會遇到兩相液位測量問題，是目前通常使用的液位傳感器：如電容效應原理液位傳感器、重錘浮子式液位傳感器、機械原理和光電原理的液位傳感器、磁浮子連續開關式液位傳感器、超聲波液位傳感器、壓力效應原理的投入式和壓差式液位傳感器等［1-4］。雖然這些液位傳感器測量精度較高，均不能對密度不同的兩相液體液位進行測量，它們都不具備兩相液體分層液位測量的功能，是直接影響這些傳感器使用的重要因素。我們基于靜壓力效應原理和浮子式壓差液位傳感器的測量原理，研制一種“碟形”浮子式壓差液位傳感器，可以解決兩相液位分層液位測量問題。具有測量范圍寬，測量準確度高，安裝使用方便等特點。

1　測量方法及測量原理和測量誤差

1.1浮子式壓差液位測量方法及原理

1.1.1浮子式壓差液位傳感器測量方法

利用流體靜力學原理測量液位或水位，是壓力傳感器的一種重要應用。用微機械加工技術制作的高靈敏度的硅壓阻力敏元件是液位傳感器的心臟，輔之以帶專用電纜及專門的水密封技術，保證了浸入式傳感器的水密封，使用兩個壓力傳感器一個被固定，另一個自由垂放在被測量的液體中，用中空電纜連接兩個傳感器，就可以獲得準確的測量結果與優良的穩定性。通過對敏感元件接觸液體介質及殼體、電纜、護管等材料的研究與選擇，適應不同介質的浮球式壓差式液位傳感器、變送器可以解決對密度不同的兩相液體分層測量問題，測量方法如圖1所示。

1.1.2浮子式壓差液位傳感器測量原理

由于密度不同不相容的液體，密度小的液體在上方，密度大的液體在下方，自然分成了兩層，要測量某層液位的高度時，可以利用靜力學原理，設液位總高度為h，密度小的液體高度為h1，密度大的液體高度為h2，液體密度ρ1＜ρ2，壓力傳感器1測得的壓力為p1，壓力傳感器2隨浮子漂浮在兩種液體的界面處，測得的壓力為

p2，那么它們之間的關系由公式（1）給出。

其中：

h－為液面的總高度，m；

h1－為液體1的高度，m；

ρ1－為液體1的密度，kg/m3；

p1－為傳感器1的測量值，MPa；

p2－為傳感器2的測量值，MPa。

1.2浮子式壓差液位傳感器測量誤差

對于公式（1）進行全微分，可以得到該方法測量液位的絕對誤，即：

從公式（1）和公式（2）中，顯而易見用該方法測量液位只于密度ρ1有關，不受密度ρ2的影響，測量準確度高，可以用放大器就實現信號的處理，完成對液位信號4～20 mA的調理，成本較低。所以，用浮子式壓差液位傳感器來解決不同密度兩相液體的液位分層測量問題，是一種新的研究方向，應要重點進行研究。

1.3浮子壓力傳感器結構參數的確定

浮子壓差液位傳感器的浮子壓力探頭被設計成“碟形”，提高浮子在分層液體交界處的穩定性。用二重積分的極坐標求解法可以求出“碟形”浮子的體積，由公式（3）給出：

根據流體靜力學原理，“碟形”浮子若浮于兩種液體交界處一定滿足公式（4），即：

簡化公式（4）得到各密度值與“碟形”浮子結構參數的關系公式（5），即：

圖1　浮球式壓差液位測量方法示意圖

其中：

b1—外層橢圓的長軸，也是橢圓旋轉體外表面的直徑，mm；

a1—外層橢圓的短軸，也是“碟形”浮子外表面的高，mm；

b2—內層橢圓的長軸，也是旋轉體內壁的直徑，mm；

a2—內層橢圓的短軸，也是“碟形”浮子的高，mm；

ρw—“碟形”浮子的殼體材料密度，kg/m3；

ρ1—液體1的密度，kg/m3；

ρ2—液體2密度，kg/m3；

g —重力加速度，m/s2。

在設計浮子壓力探頭時可以根據公式（5）確定和計算結構參數。

2　浮子穩定性分析

在浮子式液位傳感器設計時，浮子大多數都被設計成圓球狀，用連桿、滑道等輔助結構固定支承，就能滿足低液位，無波動的液體液位控制和測量，不存在浮子穩定性問題。而浮子壓差液位傳感器是考慮在某些特殊情況下測量不相溶不同密度的液體的液位，將一端固定的壓力探頭與另一端浮子壓力探頭用電纜連接，自由垂放在被測液體中，隨著浮子的上升，連接電纜自由下垂將重力作用于浮子上，使初始浮力和重力平衡被改變，浮子將繞X軸旋轉，壓力測點發生偏移，影響液位測量精度。如圖2所示。

圖2是浮子在ZOY平面上的投影圖，Σ 1為在“碟形”浮子A點處的切平面，于水平面平行，Σ 2為在虛擬圓形浮子B點處的切平面，于水平面夾角為α，通過A點和B點做法線交于Z軸于M和N。穩心高MA＞NB，旋轉角θ＜θ+α，根據船舶的穩定性理論，可以知道“碟形”浮子的穩定性要優于圓形浮子的穩定性。因此，將浮子設計成“碟形”就是為了增加浮力，提高浮子的穩定性[5]。

在低水位測量時，電纜下垂的長度小，浮子受重力影響也小，直接使用就可以滿足測量要求。當在高水位測量時，電纜下垂的長度大，浮子受重力影響也隨之加大，浮子將繞X軸發生旋轉，電纜下垂的長度越大，浮子繞X軸旋轉角度也越大。為了使浮子穩定，消除旋轉角的產生，利用舭龍骨反作用式減搖原理，在“碟形”浮子的對稱軸上安裝正交式“舭龍骨”，產生一個反向力矩消除重力矩的變化力矩，使“碟形”浮子穩定[6]。如圖3所示。

3　試驗測試結果

被測的兩項液體為柴油和純凈水，柴油液位量程范圍（0～1）m，在試驗裝置中注滿水將浮子壓力探頭放入，漂浮在水面上，此時為零點，開始注入柴油，同時抽出水，浮子壓力探頭下降到一定位置停止，為一個測試點，逐漸下降停止可以得到n個測試點，這一過程為正行程測試；開始注入水，同時抽出柴油，浮子壓力探頭隨水的液面上升到一定位置停止，為一個測試點，逐漸上升停止可以得到n個測試點，這一過程為反行程測試。測試結果見表1。

圖2　浮子壓力探頭穩定性分析圖

圖3　高穩定性“碟形”浮子壓力探頭

表1　試驗測試結果

4　結論

“碟形”浮子式壓差液位傳感器是一種分層液位測量的新型液位傳感器，可以解決兩相液位測量問題，具有較高的測量精度。解決了“碟形”浮子壓力探頭的穩定性問題。核心部件用硅壓阻力敏元件，同時對液體密度進行溫度補償，該傳感器的測量精度可以優于±0.05 %F.S。它可以應用于兩相液體分層測量，或者某些特殊要求的高精度液位測量和控制領域。

［1］蘇東波.新型液位傳感器［J］.傳感器與微系統.1995（03）： 56-58.

［2］張東松，劉娟.浮子式鋼帶液位計的故障分析及改造［J］.化工自動化及儀表.2000，（06）： 67-68.

［3］張海林，劉風江，王森等.大量程浮子式液位計校準方法研究［J］.中國計量， 2010，（08）： 91-92.

［4］趙剛，陳文薌.基于霍爾效應的浮子式液位計［J］.儀器儀表用戶. 2001， （05）： 9-10.

［5］趙連恩等編著.高性能船舶水動力與設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社， 2001.

［6］魯謙，李連有，李來成編譯.船舶原理手冊（第一版）［M］.北京：國防工業出版社， 1988.

皮桂英（1966.4-），女，傳感器工程師，黑龍江大學畢業，本科，49所環境實驗室（曾獲黑龍江省科學進步三等獎）。研究方向：傳感器質量檢驗檢測。

Float-type differential pressure level sensor

Wang Fan ，Pi Gui-ying
（The 49th Research Institute of the China Electronics Technology Group Corporation， Harbin 150001）

In order to solve the problem of layer liquid level measurement with high precision in different density of immiscible liquids， this paper proposes a kind of float-type differential pressure level sensor which can be achieved. It gives the theoretical parameters for the structure design of float pressure probe. It can better solve the problem for stable measurement of liquid.

float-type differential pressure liquid level sensor; layer liquid level measurement; high-precision

TP212

B

1004-7204（2016）04-0042-04

王凡（1958-），男，黑龍江省哈爾濱人，大學本科，研究方向為傳感器技術及應用。