浮子移位器与磁翻板液位计水平位移器原理及应用

浮子和移位器

在2200多年前，阿基米德首次发现浮动物体的表观重量因流动的液体重量而减少。大约2000年后，在18世纪后期，当英国的James Brindley和Sutton Thomas Wood以及俄罗斯的II Polzunov在锅炉中引入了第一个浮子式液位调节器时，出现了水平浮子的第一次工业应用。

浮子是运动平衡装置，可以液位上下移动。位移器是力平衡装置（约束浮子），其表观重量根据阿基米德原理而变化：作用在物体上的浮力等于被置换的流体的重量。随着水平的变化

静止（和恒定直径）置换器浮动，浮力按比例变化并且可以被检测为水平的指示。常规和置换器浮子可用作连续液位变送器和点感应液位开关。

在工业应用中，置换器浮子通常是有利的，因为它们不需要运动。此外，通常可以更多地检测力

比位置准确。但是，也使用常规浮动，主要用于实用程序和其他辅助应用程序。

浮球液位开关

可用于操作浮子液位开关的浮力（即，其净浮力）是置换流体的重量（总浮力）与浮子的重量之间的差。浮子有球形（图7-6A），圆柱形（图7-6B）和各种其他形状（图7-6C）。它们可以由不锈钢，PFA，哈氏合金，蒙乃尔合金和各种塑料材料制成。典型温度和压力额定值为-40至80°C（-40至180°F），橡胶或塑料浮子高达150 psig，-40至260°C（-40至500°F），较高750 psig用于不锈钢浮子。标准浮子尺寸的直径为1至5英寸。可以从大多数制造商订购定制的浮子尺寸，形状和材料。侧装开关的浮子是水平的;

浮子应始终比过程流体的较小预期比重（SG）轻。对于清洁液体，0.1 SG的差异可能就足够了，而对于粘性或脏污应用，建议差异至少为0.3 SG。这提供了额外的力来克服由于摩擦和材料堆积引起的阻力。在肮脏的应用中，浮子也应易于清洁。

浮子可以连接到机械臂或杠杆上，并且可以驱动电气，气动或机械机构。开关本身可以是水银（图7-6A和7-6C），干触点（快动或簧片型，如图7-6B所示），气密密封或气动。开关可以

用于驱动视觉显示器，信号器，泵或阀门。电触点可以是额定轻载（10-100伏安，VA）或重载（较高15 A @ 120 Vac）。如果开关要操作负载大于开关触点额定值的电路，则需要插入插入式继电器。如果要将开关插入4-20 mA直流电路中，则应指定镀金干触点，以确保所需的极低接触电阻。

应用和安装

在倾斜开关（图7-6C）中，汞元件或继电器安装在塑料浮子内; 浮子的电缆绑在水箱或水槽内的管道上。随着水平的上升和下降，浮子上下倾斜，从而打开和关闭其电触点。电缆的自由长度决定了致动水平。一个，两个或三个开关可用于操作单工和双工油泵站。单工（单泵）系统将使用与电机引线串联的单个开关，以便开关直接启动和停止泵电机（图7-7）。

双工（双泵）应用可能使用三个开关：一个在油箱底部（LO）停止两个泵，另一个在中间（HI）启动一个泵，较后一个在顶部（HI-HI）启动第二个泵，也许是一个声音

和/或视觉警报。

图7-8A说明了侧装浮子开关如何驱动相邻的密封簧片开关。这种设计的主要优点是杠杆延伸部分倾向于放大浮子产生的浮力。因此浮子本身可以相当小。主要缺点是必须打开油箱才能对开关进行维护。如果浮子的浮力被机械地用于致动快动开关，则仅需要一盎司的力。

在顶部（或底部）安装的磁性浮动开关（图7-8B）中，磁体位于圆柱形浮子中，在包含簧片开关的短垂直导管上向上或向下移动。浮子的运动受到夹子的限制，可以只有1/2英寸或更小。这些浮子和导管可提供多个浮子，可以检测多个级别。开关组件本身可以直接插入罐中或侧面安装在单独的腔室中。

磁性活塞操作开关也可以安装在外部腔室中（图7-8C）。当磁铁在非磁性管内上下滑动时，它会操作管外的水银开关。这些开关完全密封，非常适合高达900 psig和400°C（750°F）的重载工业应用，符合ASME规范要求。这些

开关可以是侧面，顶部或笼式安装（图7-9），可以在蒸汽桶，给水加热器，冷凝水罐，气/油分离器，接收器和蓄能器上提供报警和控制功能。轻型笼式浮子开关还可在200°C（400°F）下使用额定压力高达250 psig，在40°C（100°F）时使用400 psig - 适用于许多锅炉，冷凝水接收器，闪蒸罐，日间水箱，储水箱和排水阀控制装置。笼子可以配备水平仪。多个开关可用于多种切换应用，例如锅炉液位报警和控制。

置换开关

浮子通常跟随液位，而置换器保持部分或完全浸没。如图7-10A所示，置换器的表观重量随着被更多液体覆盖而减小。当重量下降到弹簧张力以下时，开关被启动。在湍流，澎湃，泡沫或泡沫应用中，置换开关比常规浮子更可靠。更换设置很容易，因为置换器可以沿悬挂电缆移动到任何位置（较长50英尺）。这些开关可在罐之间互换，因为可通过改变支撑弹簧的张力来适应工艺密度的差异。

测试常规浮动开关的正常功能可能需要将油箱加注到驱动水平，而可以通过提升悬架来测试置换开关（图7-10A）。置换开关可配备重型保持架和法兰，适用于150°C（300°F）时高达5000 psig的应用，适用于液压蓄能器，天然气接收器，高压洗涤器和碳氢化合物闪蒸罐。

磁翻板液位计水平位移器

排量器作为磁翻板液位计和本地液位控制器很受欢迎，特别是在石油和石化行业。然而，它们不适用于浆料或污泥处理，因为置换剂的涂层改变了其体积并因此改变了其浮力。对于涉及恒定密度的清洁液体的服务，它们是较准确和可靠的。它们应该进行温度补偿，特别是如果过程温度的变化导致过程流体密度的显着变化。

当用作磁翻板液位计时，总是比过程流体重的置换器悬挂在扭矩臂上。它显而易见

重量导致扭矩管的角位移（扭转弹簧，无摩擦压力密封）。该角位移与置换器的重量成线性比例（图7-10B）。

标准置换器容积为100立方英寸，较常用的长度为14,32,48和60英寸（特殊设计中长度可达60英尺。）除扭矩管外，还可检测浮力通过其他力传感器，包括弹簧和力平衡仪器。当浮力通过弹簧平衡时，存在一些运动，而使用力平衡检测器，置换器保持在一个位置，并且仅位移器上的水平变化。

置换器单元可提供气动和电子输出，也可配置为本地独立控制器。当用于水服务时，100立方英寸的置换器将产生3.6磅的浮力。因此，标准扭矩管的校准力范围为0-3.6 lb f，薄壁扭矩管的范围为0-1.8 lb f。

对于炼油厂和其他连续运行的工艺，美国石油协会建议（在API RP 550中）将置换器安装在带有液位计和隔离阀的外部立管中（图7-11）。这样就可以在不中断过程的情况下重新校准或维护置换器。

接口应用

当测量重液体和轻液体（例如水上油）之间的界面时，置换器的顶部连接放置在灯中，底部连接放入重液体层中。如果在腔室充满轻液体时将这种发射器的输出设置为零，并且当其充满重相时设置为100％，则输出将对应于接口水平。当然，当测量界面时，必须使置换器腔室的两个连接位于两个不同的液体层中，并且腔室总是被淹没。可以改变位移器直径以匹配液体密度的差异，并且可以设置置换器长度以匹配水平界面变化的垂直范围。

如果两种处理液之间的SG差异大于0.05，则常规浮子也可用于界面检测。在这些应用中，需要的浮子密度大于较轻的液体并且小于较重的液体。如果这样选择，浮动将遵循接口级别，并且在干净的服务中，提供可接受的性能。

连续浮动

在用于连续液位测量的各种浮子传感器设计中，较老的且可以说较准确的是磁带水平仪（图7-12A）。在这种设计中，胶带或电缆将罐内的浮子连接到仪表板或安装在罐外部的指示收带盘。浮子通过导丝在罐内上下引导或在静止井内行进。这些液位指示器用于远程，无人值守，独立应用，或者它们可以配备数据传输电子设备，以集成到工厂范围的控制系统中。

为了安装胶带规，在罐顶部需要一个开口，底部需要一个锚。正确维护时，胶带规准确度为±1/4 in。重要的是保持导线处于张力，清洁和无腐蚀状态，并确保胶带永远不会接触到其行进的保护管道。如果不这样做，浮子可能卡在导丝上，或者胶带可能卡在管道上。（如果水平长时间没有变化或者油库是这样的话，就会发生这种情况

位于潮湿的地区。）

另一个连续水平指示器是磁性水平仪，由一个磁性浮子组成，在一个长的非磁性（通常是不锈钢）管道的内部上下移动。管道连接到水箱侧面的法兰喷嘴。管柱设有可视指示器，由三角形晶片元件组成。当浮子中的磁铁达到其水平时，这些元素会翻转（从绿色变为红色或任何其他颜色）（图7-12B）。报警开关和变送器选项可用于类似的磁耦合方案（图7-12C）。在类似的设计中，一系列簧片开关位于立管内。测量单个簧片开关由上升磁铁闭合时输出电压的变化，给出电平指示。

磁翻板液位计的操作基于Villari效应。在磁波导型连续液位检测器中，浮子（或浮子，当检测界面时）在垂直管道的外部同心地上下移动。管内部是由磁致伸缩材料制成的同心波导。沿波导向下发送低电流询问脉冲，沿波导的长度产生电磁场。当该磁场与浮子内的永磁体相互作用时，产生扭转应变脉冲（或波导扭曲）并将其检测为返回脉冲。询问时间和返回脉冲时间的差异与罐中的液位成比例。

这种油箱液位传感方法非常精确，达到±0.02英寸，因此是精确库存管理操作的理想选择。传感器的长度为2-25英尺，可以通过法兰连接，螺纹连接或焊接连接从容器顶部插入水箱。对于同时测量界面和总水平，可以使用双浮动系统（图7-12D）。电阻温度检测器（RTD）也可用于温度补偿。与所有其他浮球液位仪器一样，此设计也适用于清洁液体。额定温度高达150°C（300°F）和300 psig。变送器输出可以是4-20 mA直流模拟或现场总线兼容数字。

浮子控制阀

浮球式控制阀将液位测量和液位控制功能集成到单级调节器中。虽然简单且便宜，但它们仅限于涉及小流量和阀门上的小压降的应用。这是因为可用于节流阀的力限于由作用在浮子上的浮力所提供的力，乘以浮臂的杠杆作用。这不足以关闭大阀门以抵抗高压差。

然而，对于简单和无人值守的应用（例如控制冷却塔盆中的补给水供应或从疏水阀排出冷凝水），它们是可接受的。重要的是要理解浮子调节器是简单的比例控制器：它们不能在单个设定点保持水平。当浮子行进通过其控制范围时，他们可以做的是打开或关闭阀门。因此，调节器具有节流范围而不是设定值。如果范围很窄（浮子通常在几英寸的浮动行程中完全冲击它们的阀门），它会给人一种恒定水平的印象。

事实上，水平将在节流范围内变化，因为调节器增加进料流量（例如进入冷却塔水池）的较好的方法是首先让水位下降，以便浮子的下沉将进一步打开阀门。通过线性阀的较大流量（Q max）与液位（h）的范围之间的关系称为调节器的比例灵敏度（K c = Q max / h），以GPM /英寸为单位表示。浮子调节器的偏移量是浮子范围的中心与输送过程所需的流量所需的浮子的高度之间的距离（以英寸为单位）。