自动控制仪表维修技术_第三章_物位测量仪表

第三章液位测量仪表-111-1999-LBH第三章物位测量仪表第一节概述在石油化工生产过程中，常常需要测量某些设备（容器）内介质分界面位置，如气体—液体间的液位高度；气体—固体间的料位高度；液体—液体间的界面高度，等等。这些液位、料位、界面的测量统称为物位测量，昀常用的是液位测量。物位测量一般是测量某一介质的高度或厚度、长度，所以测量的单位多为使用长度单位，如m、cm、mm等，也有用液位测量范围的百分数表示的。物位测量的方法很多，常见的测量方法有：直读式：为玻璃管、玻璃板两大类，应用连通器原理，直接看到液位或界面。浮力式：包括恒浮力式、变浮力式两大类，应用阿基米德原理。恒浮力式分浮标式与浮球式，变浮力式主要是浮筒液位计。静压式：有压力式和差压式。基于对理论上不可压缩的液体，其高度与液柱的静压成比例关系，测出液体的静压便可知液位的高度。电气式：将物位量转换成各种与之相关的电量来实现测量。有电阻式、电容式、电感式等。声波式：利用界面、物位不同，对声波传播所起的作用也不同来测量，主要是超声波反射式。核辐射式：利用物质对γ射线吸收原理来测量，也称放射性液位计（料位计）。第二节浮力式液位计浮力式液位计是应用昀早的物位测量仪表，具有结构简单、使用方便、易于维护等优点，一类是恒浮力式，即维持浮力不变，浮标或浮球漂浮在液面上，其位置随着液位高低而变化，当测出浮标的位置时，就能确定液位的高低。如浮标液位计（浮子钢带式）、浮球液位计或液位开关（浮子杠杆式）、磁翻板液位计（浮子磁耦合式）。一类是变浮力式的浮筒液位计，利用浮筒沉浸在液体里，根据浮筒被浸的程度不同，则浮筒所受的浮力不同，只要检测出浮筒所受浮力的变化，就可知液位的高低。一、浮球液位开关对于温度、粘度较高，而压力又不太高的密闭容器的液位的测量或限值发讯，一般采用浮球式液位计或浮球液位开关。浮球液位开关结构简单，为恒浮力式、浮子杠杆结构，杠杆的一端连浮球，另一端装有平衡装置，其位移推动开关。根据需要和加工的方便，浮球形状有球形、筒形和矩形等。浮球本身的重力和所受的浮力均为定值，浮球始终漂浮在液面上，其位置随着液位高低变化而变化，利用浮球杠杆结构使液位到达上限或下限时使开关（触点）动作。仪化三厂仪表工培训教材自动控制仪表维修技术1999-LBH-112-浮球液位开关品种型号很多，见图3-1。图3-1浮球液位开关聚酯装置使用的浮球开关为2030S0040HT型，如图3-2所示。为FISHER公司产品，连接法兰DN100，不锈钢浮球φ63×125mm，使用S.P.D.T微动开关，断开报警。图3-22030型浮球液位开关第三章液位测量仪表-113-1999-LBH二、浮筒式液位计（一）气动浮筒液位计德国ECKARDT公司（现属FOXBORO公司）生产的6.166.---型气动浮筒液位变送器是基于阿基米德原理的变浮力式液位计，以浮筒（亦称沉筒）为测量元件，通过扭力轴管将浮力的变化传递给应用力矩补偿平衡原理的转换部分，输出20~100kPa（02~1.0bar）气动信号。图3-36.166.气动浮筒液位变送器1·主要技术数据（1）测量元件：密封空心的金属浮筒（2）被测介质密度范围：500㎏/m3~1500㎏/m3（3）测量浮力范围：3~9N（4）精度：±1%F.S（5）灵敏度：±0.1%F.S（6）气源：140kPa（7）输出：20~100kPa（8）介质温度：低于180℃，带散热片可在180℃~400℃之间（9）环境温度：-20℃~+70℃2·基本结构及工作原理气动浮筒液位变送器型号有6.166.205和6.166.112两种，形式有内外浮筒和法兰安装与夹持安装之分，但基本结构相同，由两个基本部分组成：⑴由浮筒、传动杆、传动芯轴、扭力管组成的测量部分；⑵基于力矩补偿平衡原理的气动转换部分。参见图3-4、图3-5、图2-6。阿基米德原理说明当一个物体放到液体中时，液体对物体有一个向上的浮力作用。浮力的大小等于物体所排开的那部分体积液体的重量。6.166.---型气动浮筒液位变送器测量部分就是利用了这个原理。一根两端封闭的长圆形空心金属管（浮筒）用吊链挂在传动杆一端，由于有一定重量，浮筒可沉浸在液体仪化三厂仪表工培训教材自动控制仪表维修技术1999-LBH-114-图3-4气动浮筒液位变送器结构原理图图图3-5转换部分视图图3-6气动系统原理图图3-7力矩平衡示意图中。当液位上升时，浮筒的浸没部分增加，它所排开的那部分液体的体积也增加，因此液体作用在浮筒上的浮力变大，测出这一浮力变化即可测出液位。液位变化引起的浮力变化改变了浮筒向下作用力（重力），通过传动杆转换为测量力矩的变化。这个测量力矩与机械零位弹簧产生的平衡力矩在传动芯轴上进行比较，其差值即代表了相应的浮力，并由气动反馈力矩补偿掉，传动芯轴上和转换部分的杠杆系统始终保持力矩平衡。气动反馈力矩始终补偿测量力矩（浮力变化量），因此对某一被测液位就有一个相对应的喷嘴背压，经1：1气动放大器功率放大后，气动转换部分输出代表被测液位的20~100kPa气动信号。气动零位弹簧产生的是附加力，与气动反馈力求力矩和，在液位为零时，调第三章液位测量仪表-115-1999-LBH整输出在20kPa数值上。传动芯轴和扭力管几乎没有角位移，扭力轴实质上起密封作用，传动芯轴与表体连接处使用了滚动轴承，可认为是无摩擦的转动。参见图3-7力矩平衡示意图，分析力矩平衡关系，求输出关系式。（1）被测力f测=fW–fH=fW–1/4（d2πHρg）=fW–Vρg（3-1）式中：fW—浮筒（包括挂链）的重力，N；fH—液位对浮筒的浮力,N；V—浮筒的体积，V=1/4（d2πH），m3；d—浮筒的直径，mπ—圆周率，π≈3.1415；H—液位高度，mρ—液体的密度，㎏/m3g—标准重力加速度，9.80665m/s2（2）主杠杆上的平衡关系式：f连·l3=f机·l2-f测·l1（3-2）式中：f连—主副杠杆传递力f机—机械零位弹簧力f测—被测力（3）副杠杆上的平衡关系式：f连·l4=f反·l5-f0·l6（3-3）式中：f反—气功反馈力，为K·P背压f0—气动零位弹簧力将（3-1）、（3-2）、（3-3）平衡关系式整理得（3-4）式：由于气动放大器为1：1放大，气动输出与P背压相等，式（3-4）即输出关系式，这是一个直线方程。在设计中，l1、l2、l5、l6、d、fW都是一定值，对某一被测液位，介质的密度ρ为一定，测量范围已知，仪表的f机、l3、l4也调整为定值，气动零点f0一定，输出只和液位H变化有关。量程螺母的调整将使连接点位移，导致l3、l4起变化，方程中斜率起变化，所以可以调整仪表量程（浮力变化3~9牛顿之间）。还可以看出，量程与零点的调整互不影响。为满足输出在气动信号20~100kPa范围，使式（3-4）中的斜率为80H，截距为20，则气动信号与液位高度的关系为：Pout=20+80（h/H）（3-5）式中：Pout—气动浮筒液位计输出信号，单位kPaKllfKllllgdflfKllfKllllflfPW⋅+⋅⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡Η−−⋅=⋅+⋅⋅⋅−⋅=5605341225605341241）（）（机测机背压ρπ仪化三厂仪表工培训教材自动控制仪表维修技术1999-LBH-116-h—液体浸没浮筒的高度H—测量范围，一般为浮筒全长3．仪表校验气动浮筒液位变送器可采用挂砝码和水校法（现场水标定）来进行校验。（1）挂砝码校验法参见图3-8图3-8挂砝码校验图用挂砝码（挂重法）校验时，是将浮筒取下后，在传动杆上挂上砝码托盘，置与各校验点对应的某一质量的标准砝码，来模拟不同液位时浮筒所产生的重力（包括挂链所产生的重力）与该校验点所受的浮力之差（通常被测液位的气相密度比液相小很多，浮筒在气相中的浮力可忽略）。挂砝码遵循：挂重砝码的重力等于浮筒自身（包括挂链）的重力减去液位浮力，还要考虑减去挂砝码托盘的重力。即：m砝码·g=m浮筒·g-Vρg-m托盘·g（3-6）因为使用法定计量单位，不再使用比重γ和重量，而使用重力（单位牛顿N），重力是质量m与标准重力加速度g的乘积。（3-6）算式两边各项都有g，可约掉g计算。要注意核对浮筒的直径d、测量范围H、体积V和介质密度ρ及用天平称准浮筒自身（包括挂链）的质量。校验时先算出0%液位时要加的砝码质量，为浮筒包括挂链的质量减去挂砝码托盘的质量后的值。再算出浮力Vρg，相当于Vρ的物体质量（㎏）所产生的重力，应加砝码质量值为Vρ值，然后算出25%、50%、75%、100%各点所加的砝码质量值。0%时F0=0%m砝码0=m浮筒-m托盘（㎏）25%时F25=25%·Vρgm砝码25=m浮筒-m托盘-F25/g（㎏）50%时F50=50%·Vρgm砝码50=m浮筒-m托盘-F50/g（㎏）75%时F75=75%·Vρgm砝码75=m浮筒-m托盘-F75/g（㎏）100%时F100=Vρgm砝码100=m浮筒-m托盘-F100/g（㎏）d.机械零位的调整挂0%液位时的砝码质量值，把气动零点弹簧完全放松，将副杠杆及反馈波纹管向左推开，在底板定位插孔处插入一根φ5×50mm的圆定位销，旋动机械零位弹簧的调整螺母，使输出为60kPa。②气动零点的调整标准压力表0~0.16MPa0.4级0.14MPa气源浮筒液位变送器第三章液位测量仪表-117-1999-LBH在机械零位调好后，将插在定位孔的φ5×50mm的圆定位销拔掉，再调整气动零点弹簧，使输出为20kPa。当零点调好后，即使改变量程螺母的位置，输出压力应保持不变。③量程调整挂100%液位时的砝码质量值，松开主杠杆上的锁紧螺母，调整量程螺母，使输出为100kPa±0.8kPa，然后再锁紧螺母。d.按测量范围的0%、25%、50%、75%、100%挂相应的砝码质量值，校验浮筒液位计各点上、下行程的输出信号数值，并计算仪表误差。（2）水校法水校法一般适用现场校验标定外浮筒式或充液较方便的内浮筒式。参见图3-9和图3-10，对外浮筒式，要关闭截止阀门1、2，打开排污阀门3排污，拆下堵头7，然后接管充水校验。图3-9外浮筒式现场标定图3-10内浮筒式现场标定①机械零位校验，同挂砝码校验法。②气动零点调整，同挂砝码校验法。仪化三厂仪表工培训教材自动控制仪表维修技术1999-LBH-118-③量程调整给浮筒测量室或设备充水到与测量范围相应的高度。用水或其它介质代替被测介质时，由于密度的差别，可按下式换算：HX=（ρ介/ρX）·H（3-7）式中：H—测量范围即浮筒全长HX—校验用介质相应的测量范围ρX—校验用介质的密度ρ介—被测介质的密度松开主杠杆上的锁紧螺母，调整量程螺母，使输出为100kPa±0.8kPa或相应值（对于被测介质密度大于水的密度的情况，即使加满水也达不到满量程的输出，此时需要进行折算出相应值），然后再锁紧螺母。副杠杆上有一个刻度板，上面标的刻度是浮力的测量范围，3~9N（牛顿），其刻度在出厂时已校正，在量程调整时可供参考。在仪表表盖内侧的仪表数据上，有W0和W100两个数据，其差值即浮力变化量，可据此参照刻度板进行量程粗调。④按测量范围的0%、25%、50%、75%、100%给浮筒测量室或设备加水，校验浮筒液位计各点上、下行程的输出信号数值，并计算仪表误差。4．解体拆装步骤（1）拆卸步骤①用4mm内六角扳手拆下气路连接板的螺钉。②用8mm双头扳手松开机械零位弹簧锁住落，取下机械调零弹簧及挂片。③用4mm内六角扳手松开主杠杆的内六角固定螺钉，并用镊子取下挡板上的开口挡片，取下主杠杆及挡板。④用螺丝刀拆下固定底板的三只螺钉，取下底板和气路连接板。⑤松开扭力管轴承固定螺钉，取出轴承。⑥松开散热片固定螺钉，将外壳及散热片一同取下。⑦用M30的套筒扳手松开堵头螺栓，用螺丝刀取下传动杆。⑧将扭力芯轴调节片组件拆下。⑨用扳手松开扭力管固定螺母，取出扭力管。进行清洗和维修。（2）清洗后按相反次序回装。应注意在装上传动杆后再上紧扭力管固定螺母；表壳与带散热片表体之间应加石棉垫片。（3）解体后的调整浮筒液位计在解体大修