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鍋爐液位計的液位示值誤差分析及解決方法
在石油、化工、制藥等工業企業中，會大量使用鍋爐液位計用于液位的測量與控制，鍋爐液位計儀表反應速度快，讀數直觀方便。該儀表的工作方式基于浮力與磁耦合原理，由于在測量中存在種種影響其物理量的情況，因此普遍存在液位測量結果與實際液位存在偏差的發生，根據企業在生產中出現的鍋爐液位計測量結果偏差較大的情況予以分析，以期解決此類問題。
一、問題背景
在AHP（高壓加熱器）001BA（用001BA指代實際的罐）中有兩個液位測量裝置，分別為AHP001MN和AHP001LN（用001MN和001LN指代實際的測量裝置），其中AHP001MN為超聲波液位測量裝置，AHP001LN為就地顯示的鍋爐液位計，兩個液位計測量同一液位。
在工作過程中遇到了001LN測量的液位值比實際設定的液位值要高10cm，在測量通道中水溫會低于罐中的水溫，水溫下降會導致水的密度上升，水的密度上升會產生兩個相反的作用：①測量通道中水位下降，001LN測量值偏低；②001LN浮球有更多部分浮在水面上，造成測量值偏高。在本文中會對這一現象做出分析，并提出解決方案。
二、 原因分析
假設罐子的實際液位為h2，由于AHP001中為高溫高壓的水，在引出測量管線測液位的過程中，由于保溫套管或是其它方面的原因會造成001MN和001LN測量管中的水溫低于001BA中的水溫，由常識可知在壓力不變的情形下水的溫度反向作用于水的密度，在該問題中就是由于測量端的水溫下降，測量裝置中水的液位由設定值h2降低為h1。在問題分析中我們必須做出一個假設，那就是測量裝置001MN和001LN中的水溫是一樣的，這樣可以保證兩個裝置的水位一致。AHP001MN測量到的水位為h1，低于設定值，此時水位控制系統開始工作，將測量裝置中的水位提升到h2。
水位進行調整時，將測量裝置中的水位調整到了h2，此時實際001BA中的水位為h3。設備正常工作時，在001BA中的水位究竟為多少是不可知的，我們只能假設AHP001MN測量設備非常先進，它所測量的即為001BA中的實際液位，在測量通道的水位由于溫度下降而降低時，控制作用會增加001BA中的水，直達001MN測量的水位為設定值。而AHP001LN和AHO001MN兩個測量管道中的水位是一致的，因此不管測量管道中的溫度下降到什么程度，可能會在短時間內測量通道的水位低于設定值，但經過調整都會達到設定值的水位，因此測量通道的水位下降不會直接導致001LN液位測量值下降。
當水溫下降，水的密度提高時會影響浮球在水中的位置，進而影響到測量的水位。鍋爐液位計的浮球是由三節空心不銹鋼圓筒構成，其中*上面一節圓筒中線位置含有磁性材料，它帶動外邊磁翻板動作，產生液位指示信號[1]。假設每個浮球的中心部分近似為一段圓柱，浮球按照安裝方向豎直放置時，h1為頂部浮球中心點，h2為液面對應高度，Δh為兩者相對高度（Δh=h2-h1），底部到h1高度對應浮球的體積為V1，液面高度所對應浮球的體積為V2，兩者的相對體積為ΔV（ΔV=V2-V1），假設液面所對應的位置處于浮球圓柱部分，則有以下公式：
由于浮球是浮在液位中的，因此滿足阿基米德原理，即物體浸在液體中排開液體的重力等于物體浸在液體中受到的浮力，滿足公式
當浮球在頂端中線附近浮動時，可將浮球近似為一個圓柱體，因此由公式
將公式進一步簡化，可得：
在公式中，Δh為實際液位偏離浮球頂端中線的距離，m為浮球的重量，r為浮球的半徑，ρ為實際液體的密度。
對以上參數進行測量，實際結果如下所示：
在測量的過程中，由于工具所限，在質量測量上可能會有一定的偏差，范圍在10g以內，我們以10g的偏差對*終的結果影響如下：
當m=850g，ρ=860kg/m3，時，計算所得Δh=-1.8cm；當m=840g，ρ=860kg/m3時，計算所得Δh=-2.2cm，因此測量過程中浮球質量的精度對實際液位測量不會很大。
由于本文將浮球近似為一個圓柱體，因此只有液面在浮球軸向一定范圍內（設為L）才有效，本模型才夠適用。
為了求出密度變化的允許范圍，利用公式可得，當-≤Δh≤時，求得液體的密度取值范圍為710kg/m3≤ρ液≤944kg/m3。各個功能位置密度ρ與浮球高度Δh如表2所示，由公式可得液體密度與相對高度的關系，如圖1所示：
橫坐標為液體的密度，縱坐標為浮球的相對高度，由圖可知，液體的密度越大，浮球在液面以上的部位越多，測量得到的液位值越大。
三、原因小結
①001MN測量管道的溫度低于001LN測量管道溫度，這樣可以會使001MN處液位低于001LN處，造成鍋爐液位計測量值偏高。
②001LN測量管道溫度低，液體密度升高，導致鍋爐液位計測量值升高。
既然測量到的鍋爐液位計總是比設定值高，此時應采取有效措施將該液位計的示數降下來，在這里選用的是*簡單的方法——給浮球增加重量。
可采用兩個不銹鋼316L圓餅，直徑3cm，高度1cm，密度8.03g/cm3每個圓餅重量約55g，將這個不銹鋼圓餅焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。
假設液體的密度為860mg/m3，此時由公式可知相對高度Δh與浮球質量的關系如公式所示：
由公式可知，在密度確定的情況下，浮球重量每增加55g，相對高度變化1.9cm，即觀測到的鍋爐液位計指示值下降1.9cm，該情形下假如要消除10cm的測量需要掛上5個不銹鋼圓餅，但是由于原模型有-≤Δh≤的限制，為了保證精度，Δh的取值應小于4.7cm，液體的密度為860mg/m3，浮球默認相對高度為-1.8cm，所以總共有6.5cm的裕度，可以掛3個不銹鋼圓餅，將測量指示值拉下來5.7cm。此時若掛上*4個不銹鋼圓餅，浮球的總質量達到1060g，而浮球的總體積（含加上去的不銹鋼鐵餅體積）約為1280ml，在密度為860mg/m3的液體下，*大浮力為1100g，在該情形下浮球基本上絕大部分浸在液體內部，且一旦液體的密度稍作改變，浮球就有下沉的危險，不適合做液位指示，倘若在浮球上加5個不銹鋼圓餅，浮球將直接沉入液體底部。
四、解決方案
可以在浮球底部焊接不銹鋼鐵餅，增加浮球重量，使浮球更多部分浸在液體中，從而降低鍋爐液位計的指示值，但是不能過多地增加浮球的重量，因為有可能會造成浮球的重力大于浮力而導致其直接沉入液底。
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