“碟形”浮子式压差液位传感器的研究

王 凡，皮桂英（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001）

“碟形”浮子式压差液位传感器的研究

王 凡，皮桂英
（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001）

为了解决不同密度不相溶液体分层液位的高精度测量问题，提出并可以实现的一种“碟形”浮子式压差液位传感器，给出了碟形浮子压力探头结构设计的理论参数，较好地解决了在液体中的稳定测量问题。

浮子式压差液位传感器；分层液位测量；高精度

引言

在船舶储油和污水处理方面，会遇到两相液位测量问题，是目前通常使用的液位传感器：如电容效应原理液位传感器、重锤浮子式液位传感器、机械原理和光电原理的液位传感器、磁浮子连续开关式液位传感器、超声波液位传感器、压力效应原理的投入式和压差式液位传感器等［1-4］。虽然这些液位传感器测量精度较高，均不能对密度不同的两相液体液位进行测量，它们都不具备两相液体分层液位测量的功能，是直接影响这些传感器使用的重要因素。我们基于静压力效应原理和浮子式压差液位传感器的测量原理，研制一种“碟形”浮子式压差液位传感器，可以解决两相液位分层液位测量问题。具有测量范围宽，测量准确度高，安装使用方便等特点。

1　测量方法及测量原理和测量误差

1.1浮子式压差液位测量方法及原理

1.1.1浮子式压差液位传感器测量方法

利用流体静力学原理测量液位或水位，是压力传感器的一种重要应用。用微机械加工技术制作的高灵敏度的硅压阻力敏元件是液位传感器的心脏，辅之以带专用电缆及专门的水密封技术，保证了浸入式传感器的水密封，使用两个压力传感器一个被固定，另一个自由垂放在被测量的液体中，用中空电缆连接两个传感器，就可以获得准确的测量结果与优良的稳定性。通过对敏感元件接触液体介质及壳体、电缆、护管等材料的研究与选择，适应不同介质的浮球式压差式液位传感器、变送器可以解决对密度不同的两相液体分层测量问题，测量方法如图1所示。

1.1.2浮子式压差液位传感器测量原理

由于密度不同不相容的液体，密度小的液体在上方，密度大的液体在下方，自然分成了两层，要测量某层液位的高度时，可以利用静力学原理，设液位总高度为h，密度小的液体高度为h1，密度大的液体高度为h2，液体密度ρ1＜ρ2，压力传感器1测得的压力为p1，压力传感器2随浮子漂浮在两种液体的界面处，测得的压力为

p2，那么它们之间的关系由公式（1）给出。

其中：

h－为液面的总高度，m；

h1－为液体1的高度，m；

ρ1－为液体1的密度，kg/m3；

p1－为传感器1的测量值，MPa；

p2－为传感器2的测量值，MPa。

1.2浮子式压差液位传感器测量误差

对于公式（1）进行全微分，可以得到该方法测量液位的绝对误，即：

从公式（1）和公式（2）中，显而易见用该方法测量液位只于密度ρ1有关，不受密度ρ2的影响，测量准确度高，可以用放大器就实现信号的处理，完成对液位信号4～20 mA的调理，成本较低。所以，用浮子式压差液位传感器来解决不同密度两相液体的液位分层测量问题，是一种新的研究方向，应要重点进行研究。

1.3浮子压力传感器结构参数的确定

浮子压差液位传感器的浮子压力探头被设计成“碟形”，提高浮子在分层液体交界处的稳定性。用二重积分的极坐标求解法可以求出“碟形”浮子的体积，由公式（3）给出：

根据流体静力学原理，“碟形”浮子若浮于两种液体交界处一定满足公式（4），即：

简化公式（4）得到各密度值与“碟形”浮子结构参数的关系公式（5），即：

图1　浮球式压差液位测量方法示意图

其中：

b1—外层椭圆的长轴，也是椭圆旋转体外表面的直径，mm；

a1—外层椭圆的短轴，也是“碟形”浮子外表面的高，mm；

b2—内层椭圆的长轴，也是旋转体内壁的直径，mm；

a2—内层椭圆的短轴，也是“碟形”浮子的高，mm；

ρw—“碟形”浮子的壳体材料密度，kg/m3；

ρ1—液体1的密度，kg/m3；

ρ2—液体2密度，kg/m3；

g —重力加速度，m/s2。

在设计浮子压力探头时可以根据公式（5）确定和计算结构参数。

2　浮子稳定性分析

在浮子式液位传感器设计时，浮子大多数都被设计成圆球状，用连杆、滑道等辅助结构固定支承，就能满足低液位，无波动的液体液位控制和测量，不存在浮子稳定性问题。而浮子压差液位传感器是考虑在某些特殊情况下测量不相溶不同密度的液体的液位，将一端固定的压力探头与另一端浮子压力探头用电缆连接，自由垂放在被测液体中，随着浮子的上升，连接电缆自由下垂将重力作用于浮子上，使初始浮力和重力平衡被改变，浮子将绕X轴旋转，压力测点发生偏移，影响液位测量精度。如图2所示。

图2是浮子在ZOY平面上的投影图，Σ 1为在“碟形”浮子A点处的切平面，于水平面平行，Σ 2为在虚拟圆形浮子B点处的切平面，于水平面夹角为α，通过A点和B点做法线交于Z轴于M和N。稳心高MA＞NB，旋转角θ＜θ+α，根据船舶的稳定性理论，可以知道“碟形”浮子的稳定性要优于圆形浮子的稳定性。因此，将浮子设计成“碟形”就是为了增加浮力，提高浮子的稳定性[5]。

在低水位测量时，电缆下垂的长度小，浮子受重力影响也小，直接使用就可以满足测量要求。当在高水位测量时，电缆下垂的长度大，浮子受重力影响也随之加大，浮子将绕X轴发生旋转，电缆下垂的长度越大，浮子绕X轴旋转角度也越大。为了使浮子稳定，消除旋转角的产生，利用舭龙骨反作用式减摇原理，在“碟形”浮子的对称轴上安装正交式“舭龙骨”，产生一个反向力矩消除重力矩的变化力矩，使“碟形”浮子稳定[6]。如图3所示。

3　试验测试结果

被测的两项液体为柴油和纯净水，柴油液位量程范围（0～1）m，在试验装置中注满水将浮子压力探头放入，漂浮在水面上，此时为零点，开始注入柴油，同时抽出水，浮子压力探头下降到一定位置停止，为一个测试点，逐渐下降停止可以得到n个测试点，这一过程为正行程测试；开始注入水，同时抽出柴油，浮子压力探头随水的液面上升到一定位置停止，为一个测试点，逐渐上升停止可以得到n个测试点，这一过程为反行程测试。测试结果见表1。

图2　浮子压力探头稳定性分析图

图3　高稳定性“碟形”浮子压力探头

表1　试验测试结果

4　结论

“碟形”浮子式压差液位传感器是一种分层液位测量的新型液位传感器，可以解决两相液位测量问题，具有较高的测量精度。解决了“碟形”浮子压力探头的稳定性问题。核心部件用硅压阻力敏元件，同时对液体密度进行温度补偿，该传感器的测量精度可以优于±0.05 %F.S。它可以应用于两相液体分层测量，或者某些特殊要求的高精度液位测量和控制领域。

［1］苏东波.新型液位传感器［J］.传感器与微系统.1995（03）： 56-58.

［2］张东松，刘娟.浮子式钢带液位计的故障分析及改造［J］.化工自动化及仪表.2000，（06）： 67-68.

［3］张海林，刘风江，王森等.大量程浮子式液位计校准方法研究［J］.中国计量， 2010，（08）： 91-92.

［4］赵刚，陈文芗.基于霍尔效应的浮子式液位计［J］.仪器仪表用户. 2001， （05）： 9-10.

［5］赵连恩等编著.高性能船舶水动力与设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2001.

［6］鲁谦，李连有，李来成编译.船舶原理手册（第一版）［M］.北京：国防工业出版社， 1988.

皮桂英（1966.4-），女，传感器工程师，黑龙江大学毕业，本科，49所环境实验室（曾获黑龙江省科学进步三等奖）。研究方向：传感器质量检验检测。

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，黑龙江省哈尔滨人，大学本科，研究方向为传感器技术及应用。