液位檢測是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的檢測環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的液位值是工業(yè)控制過程中常用的參數(shù)。但一些特殊的工業(yè)工況中，如高溫、重粉塵、蒸汽、震動(dòng)以及液體有較強(qiáng)粘附性和凝固性，成為制約傳統(tǒng)液位檢測裝置不能正常工作的因素。

目前國內(nèi)外常見的液位計(jì)主要分為接觸式和非接觸式。接觸式主要是浮子式、電容式等，在工作時(shí)需要投入到被測液體中。但是在一些特殊工業(yè)環(huán)境如上述情況不能正常工作時(shí)，電機(jī)的攪拌和材料的粘附性和凝固性是制約傳統(tǒng)接觸式液位計(jì)的主要因素。對于非接觸式的例如雷達(dá)、超聲波等液位檢測裝置，工業(yè)環(huán)境中的重粉塵和蒸汽成為其應(yīng)用的主要障礙。

新型沉筒式液位計(jì)采用拉力傳感器加沉筒的檢測組合，其中所使用的拉力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、靈敏度高、受環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)。這種液位計(jì)不僅克服了工作環(huán)境的限制，保證檢測的持續(xù)性，還可以結(jié)合軟件調(diào)整檢測零點(diǎn)、去除誤差較大數(shù)據(jù)，保證檢測的精確性，它的靈敏度、抗干擾性、穩(wěn)定性與使用性能方面與傳統(tǒng)的液位計(jì)相比有較大優(yōu)勢。

1、沉筒式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 沉筒式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)

沉筒式液位計(jì)主要由拉力傳感器、變送器及沉筒組成，拉力傳感器內(nèi)部貼有電阻應(yīng)變片，通過信號(hào)線將變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送到PLC的A/D輸入端口，用以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程控制。沉筒由上下兩端封閉的空心材料制成，并懸掛在拉力傳感器的受力端，其余部分投入到儲(chǔ)料罐中，拉力傳感器用法蘭盤或自帶螺紋固定在儲(chǔ)料罐的上方，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，設(shè)沉筒的外徑為R，內(nèi)徑r，管壁厚度為R-r，高度為H，沉筒的密度為ρ，侵入液體中的體積為h，被測液體的密度為ρ液，則相關(guān)計(jì)算公式如下：

沉筒的質(zhì)量

m=ρπ[R²-（R-r）²]H   （1）

沉筒的重力

G=mg   （2）

沉筒排開液體的體積

V=πR²h   （3）

浮筒受到的浮力

f=ρ液gV   （4）

1.2 沉筒式液位計(jì)的工作原理

沉筒侵在被測液體中，受到自身重力G和液體浮力f的作用，兩者的合力F由拉力傳感器來測量，即：

F=G-f   （5）

拉力傳感器檢測的拉力大小與液位的高低成反比。

當(dāng)沉筒干燥時(shí)，拉力傳感器只測得其自身的重力；當(dāng)液位上升或下降引起浮力變化時(shí)，由公式（5）得出的拉力值變化。拉力傳感器內(nèi)貼有電阻應(yīng)變片，受力端受力發(fā)生變化后測點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片發(fā)生變形而使應(yīng)變片的電阻也發(fā)生變化，通過變送器將電阻值得變化轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)輸出，從而可以利用PLC和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)控制。

拉力傳感器的檢測精度在0.2%～0.5%，滿足一般工業(yè)要求，其量程的選擇根據(jù)公式（1）及公式（4）的大小決定。

為使液位計(jì)正常工作，必須保證沉筒的重力始終大于它受到的浮力，必要時(shí)可在沉筒下方加掛重物。

2、應(yīng)用分析

由上述沉筒式液位計(jì)的工作原理可以看出，通過拉力傳感器內(nèi)部電阻應(yīng)變片的阻值變化反映拉力的大小，變送器輸出電流信號(hào)的大小反映當(dāng)前的液位值，且檢測條件不受環(huán)境中的溫度、粉塵、蒸汽的影響。沉筒式液位計(jì)在一些特殊工藝要求或是特殊材料要求的工業(yè)場合同樣能夠持續(xù)穩(wěn)定的工作。

2.1 特殊工藝要求分析

在某些工業(yè)材料的制備過程中需要用到攪拌使材料混合均勻，達(dá)到工業(yè)用料的要求。即使液體始終處于攪拌狀態(tài)下，液體表面波動(dòng)較大，罐體還有明顯的震動(dòng)，再加上蒸汽、粉塵等比較惡劣的環(huán)境，傳統(tǒng)的液位檢測裝置無法正常工作。利用這種沉筒式液位計(jì)能很好的解決這一問題，并且能夠通過軟件去除誤差相對較大的數(shù)據(jù)，保證檢測的精確性，其檢測結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2用固定件將沉筒束縛住，避免沉筒隨著扇葉的攪拌而出現(xiàn)比較大偏轉(zhuǎn)。在液位計(jì)工作過程中，由于扇葉攪拌，傳感器測得的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這是無法避免的。沉筒式液位計(jì)檢測的是垂直方向的拉力大小，而沿?cái)嚢璺较虻牧εc拉力是垂直的，因此影響相對較小。

對于出現(xiàn)的誤差較大的數(shù)據(jù)，可以通過軟件濾波的方式，在PLC或上位機(jī)程序中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如中位值平均濾波法，連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)*大值和一個(gè)*小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，這樣會(huì)去除誤差較大數(shù)據(jù)的影響，保證檢測的精確性。

2.2 特殊材料要求分析

工業(yè)過程中，有的材料在與水混合后表現(xiàn)出*強(qiáng)的粘附性和凝固性，這樣就使得那些接觸型檢測液位的儀表（如電容式液位計(jì)）不能正常工作或檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

當(dāng)材料本身有粘附性和凝固性時(shí)，沉筒的表明會(huì)附著一層或幾層材料，導(dǎo)致其體積發(fā)生變化，自身的重量也發(fā)生變化，其變化如圖3所示，其中沉筒截面積中虛線層為附著材料層，設(shè)此時(shí)沉筒外徑為R1。

沉筒式液位計(jì)克服了附著材料的影響，和軟件結(jié)合能夠徹底適應(yīng)各種特殊性工業(yè)材料，保證每次檢測時(shí)都能將檢測的零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法如下。

*先，罐內(nèi)無液體時(shí)測得新的沉筒自重G1；罐內(nèi)注水，將沉筒完全浸沒，由此時(shí)拉力F1和之前測得的自重G1可知其浮力f大小，進(jìn)而得出沉筒新的體積V1；結(jié)合軟件將PLC或上位機(jī)的程序進(jìn)行合理的更改（可在上位機(jī)上設(shè)置各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)）。之后加入工業(yè)材料，由上述新的檢測數(shù)據(jù)根據(jù)公式（3）、（4）、（5）求得新的液位高度。

3、結(jié)束語

沉筒式液位計(jì)克服了傳統(tǒng)液位檢測裝置無法在高溫、重粉塵、蒸汽、震動(dòng)等情況下工作的弊端，能夠在扇葉攪拌工況下持續(xù)、準(zhǔn)確地檢測液位，并且不受材料粘附性和凝固性的影響，為復(fù)雜工況下的液位檢測提供了一種新的方法。