浮筒式液位计是根据什么原理

原理

浸在液体中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和弹簧弹力的复合作用。当这三个力达到平衡时，浮筒就静止在某一位置。当液位发生变化时，浮筒所受浮力相应改变，平衡状态被打破，从而引起弹力变化即弹簧的伸缩，以达到新的平衡。弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移。这样，通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。限位开关的仪表即可实现液位信号的报警功能。

基于位移测量原理，悬挂在测量弹簧上的位移筒体沉浸在被测液体中，并受到阿基米德向上浮力作用，其作用力与排开液体质量成正比。根据液位高低，筒体浸入深度不同，向上浮力发生变化，测量弹簧将要作相应延伸，以达到测量结果。

浮筒液位计的优点

1、测量精度高。

2、智能化：利用HART通讯协议的该仪表使用户容易存取过程操作的信息。

3、高灵敏：能反应过程的小变化。

4、扭力管采用优化的热处理工艺，具有优良的温度和时间稳定性。

5、结构坚固，耐腐蚀。

6、应用面广，适用性强。

变送器是借助于阿基米德定律及力平衡原理而工作的。

相当于被测液面高度的浮筒悬挂在下杠杆端部，液位上升时，浮筒沉浸在液体中，并受到阿基米德定律向上的浮力作用。其浮力F等于：

F=1/4ΠD·H·ρ

式中：D-浮筒外径

H-液位高度

ρ-介质密度

当液位上升时，浮筒失去自重，支承点杠杆力发生变化，通过称重传感器测得浮筒浮力的大小，即可得到液面的高度。经转换，输出与液位高度成比例的4～20mA.DC标准信号。远传至控制室，实现远程液位显示或工艺流程的控制。

利用不同的计算方法，可以测出两种不同介质的界面高度或某些介质的比重。变送器带有0～100%指示表，0%为4mA，100%为20mA。

由于介质密度的不同，会影响浮筒浮力的大小，因此，变送器设有密度及零点、量程调节电位器，以便对输出信号进行调整。

二、HUTD-Z系列 智能型电动浮筒液位变送器■概述

HUTD-Z系列智能型电动浮筒液位变送器，采用先进的称重传感技术，其传感器和主要元器件选用进口优质器件，变送器采用微处理技术，输出4～20mA模拟信号和叠加在此信号上符合HART通讯协议的数字信号。因此，智能变送器具有对输出特性进行线化处理，监测、远程组态及远程诊断、调整等功能。

智能变送器应配有手操编程器、全中文的便携式PC-HART通讯器等，可与所有符合HART协议的设备联网使用，实现数字双向通讯与工艺过程检测和控制。

智能型变送器可广泛用于石油、化工、炼化、制药等工业中各种容器内液体液位、分层界面或比重的连续测量。

■主要功能

利用手操编程器和符合HART通讯协议的其它设备对智能变送器在现场和远程进行如下操作：

l 读取过程变量

如原始变量值、mA值、百分比范围等

l 零点、量程设置

用手操器调整或用变送器零点、满度电位器调整

l 读取诊断信息

诊断信息有：参数设置太高、太低；超过测量范围；4～20mA超出范围等

l HART通讯指令

利用手操器或其它设备与智能变送器进行通讯，在显示屏上可读取PV值、电流值、百分数等信息。能实现使用范围内所有的HART指令。

■结构及测量原理

智能型电动浮筒液位变送器由检测、转换和变送器三部分组成。检测部分由浮筒、浮筒室、连杆组件等部分组成；转换部分由杠杆系统、传感器等组成；变送器部分由A/D、D/A转换、微处理器及信号输出电路等部分组成。

三、通用技术参数

1． 测量范围与浮筒规格： (mm) 测量范围H 300 500 800 1000 1200 1500 2000 2500 3000 浮 筒 长L 300 500 800 1000 1200 1500 2000 2500 3000 浮筒外径D 62 48 38 34 31 28 24 22 20 注：所要求测量范围，若在表内所列两个测量范围之间某一值时，订货时请注明。

2． 测量精度：±0.5%；±1.0%；±1.5%(FS)

3． 灵 敏 度：0.05%

4． 输出信号：标准型：4～20mA.DC, 二线制；24V.DC供电

智能型：4～20mA，叠加符合HART协议的数字信号

5． 负载电阻：额定250Ω，最高600Ω，

负载电阻与供电电压关系

6． 出线口：M20×1.5(内)

7． 工作压力：1.6～16.0MPa

8． 介质温度：-20～150℃

150～400℃（带散热片）

9． 介质密度：0.4～2.0g/cm（测液位）

密 度 差：≥0.15g/cm（测界面）

10． 防爆型防爆等级：ExdIICT4-6、ExiaIICT4-6

防爆合格证号：8060710

外壳防护等级：IP66

11． 环境条件：温度，-20～60℃

湿度，≤85%

12． 连接方式：法兰连接，DN40

法兰标准：PN1.6、2.5，平面，JB/T81-94

PN4.0～16.0,凸面，JB/T82.2-94

也可按用户提供的规格及标准制造

13． 材 质：浮 筒：1Cr18Ni9Ti

浮筒室及法兰：Q235A或1Cr18Ni9Ti

14． 测量范围及对介质比重、比重差的要求 测量对象 测量范围（mm） 比重（比重差） 液 位 300、500、800、1000、1500、2000、2500、3000 比重≥0.4g/cm3 界 面 500、800、1000、1500 比重差≥0.15 比 重 500、800、1000、1500 比重≥0.2g/cm3 四、选型标记 基本

型号 变送器类 型 测量

对象 安装方式 压力等级 温度

等级 输出

信号 防爆等级 测量范围 浮筒室材 质 附加规格 表示意义 HUTD -□ -□ □ □ □ □ □ -□ □ □ 型 谱 B 标准型 Z 智能型 A 液 位 B 界 面 C 比 重 1 顶底式 2 侧侧式 3 顶侧式 4 底侧式 5 顶置式 6 侧置式 P1 1.6 MPa P2 2.5 MPa P3 4.0 MPa P4 6.3 MPa P5 10.0 MPa P6 16.0 MPa D <150℃ G 150~400℃ Y1 HUTD-B型选用

HUTD-Z型选用 4~20mA.DC Y2 4~20mA+数字信号 0 无防爆要求 d 隔 爆 型 i 本 安 型 H 具体数值mm I 碳 钢 Ⅱ 不 锈 钢 Z 带保温夹套 HUTD -B -A 2 P3 D Y1 0 -1500 Ⅱ 选型示例1 型号标记为：HUTD-B-A2P3DY1O-1500Ⅱ(标准型) HUTD -Z -A 2 P3 D Y2 0 -1500 Ⅱ 选型示例2 型号标记为：HUTD-Z-A2 P3 D Y20-1500Ⅱ(智能型)

注：“附加规格”一栏，如不需要，选型标记中空项。

五、变送器的调试

说明

（1）．变送器出厂前已按订货要求进行了逐台调试，但经长途运输颠簸或长期库存后，安装使用前或设备大修时，需要对变送器的主要性能进行检查。

（2）．标牌上“介质密度（差）”栏内注明的范围，是指该台变送器可测密度在此范围内的任何液体。

（3）．标牌上“出厂调试密度（差）”栏内所标注的数据，是指用户提供的数据，并按此密度（差）调试出厂。在实际使用中，如果被测介质密度（差）有所改变，则应按实际密度（差）进行重新调试。

（4）．调试所需设备

l 可调电源：0～30V.DC,1台

l 毫安表：0～30mA.DC,±0.2%,1台

l 负载电阻：250Ω，1只

l 二等标准砝码：1kg,1套

l 刻度尺：1只

（5）．调试方法分挂重法和水标法两种

（一）挂重法

1.液位调试

▲ 浮力计算：

l 浮筒浮力：F1=π/4·D·H·ρ

l 浮筒重G与浮力之差：F2=G-F1

式中：D-浮筒外径（cm）

H-浮筒长度（变送器量程）（cm）

ρ-介质密度（g/cm3）

▲ 将变送器水平固定在校验架上，并按图5接线。

（1）零点调试（4mA）

在托盘上放入同浮筒重G等重的砝码（含托盘重），调整零位电位器，使输出为4mA.

(2) 满度调试（20mA）

在托盘上放入同F2等值的砝码（含托盘重），调整量程电位器，使输出为20mA.

按（1）、（2）两步，反复调整几次，直至满意为止。

2.界面调试

▲根据两种介质密度，分别计算出轻重密度下的浮力FQ和Fz

FQ=π/4·D2·H·ρQ

FZ=π/4·D·H·ρz

式中：D-浮筒外径（cm） H-浮筒长（量程）（cm）

ρQ-轻介质密度（g/cm） ρz-重介质密度（g/cm）

▲ 根据FQ和FZ计算出调零挂重砝码重量fo和满量程挂重砝码重量fm。

fo=G-FQ

fm=G-FZ

式中：G-浮筒重量（标牌上标出）

（1）零点调试（4mA）

l 在托盘上放入同fo等值的砝码（含托盘重），调零点电位器，传输出为4mA

l 若轻介质密度ρQ高于订货时提供的密度0.1g/cm3以上时，则有可能会出现调不出4mA的现象。此时，将零点电位器按原来调整方向的相反方向旋转10圈左右，使电位器基本处于中间位置，再调整密度电位器，使输出为4mA左右。然后调整零位电位器，使输出为4mA准确值。

（2）满度调试

在托盘上放入fm等值的砝码，调量程电位器，使输出为20mA.

(二) 水校法

水校法调试校验装置示意图如图6所示。

1. 液位调试

▲介质密度≤1g/cm3(水)时：

根据被测介质密度和量程，

计算满量程所对应的水位高度h(mm):

h=H·ρ

式中，H-浮筒长度(量程)mm:

ρ-被测介质密度，g/cm3

(1) 零点调试

排净浮筒室内的清水，调整零位电位器，使输出为4mA.

(2) 满度调试

打开进水阀，向浮筒室内注入清水，使水位升高等于h,立即关闭水阀，调整量程电位器，使输出为20mA.

按(1)、(2)两步，反复调整几次，直至满意为止。

▲ 介质密度>1g/cm3(水)时：

当被测介质密度大于水的密度时，则取量程内的任意一点做为满度(上限)调试点。调试前，应先计算出该点所对应的水位高度和该点在量程内所对应的电流值。

例如：量程为1500mm,被测介质密度为1.1g/cm3,取1300mm处为满度(上限)调试点，则：

对应水位高度应为：h=1300×1.1=1430(mm)

该点对应的电流应为：Ⅰ=4+1300/1500×16=17.87(mA)

计算结束后，调试方法如下：

(1) 零点调试

排净浮筒室内的清水，调整零位电位器,传输出为4mA。

(2) 满度调试

满度调试则在水位为1430mm处调量程电位器，使输出为17.87mA，反复几次，直至满意为止。

2 界面调试

▲ 两种介质密度均≤1g/cm3(水)时

l 根据两种不同的介质密度，分别计算出零点对应的水位高度h0(mm)和满度时所对应的水位高度h(mm)

h0=H·ρQ

hm=H·ρz

式中，H-量程（浮筒长mm）

ρQ-轻介质密度（g/cm）

ρz-重介质密度（g/cm）

l 计算出h0和hm后，以浮筒底面高度的刻度线为基准，分别画出h0和hm在刻度标尺上的标记

（1）零点调试

l 向浮筒室内注入清水，使水位高度等于h0，关闭进水阀，调整零位电位器，使输出为4mA

l 若轻介质的密度ρQ高于订货时所提供的密度0.1g/cm以上时，则有可能会出现调不出4mA的现象。此时，将零位电位器按原来调整方向的相反方向旋转10圈左右，使电位器基本处于中间位置，再调整密度电位器，使输出为4mA左右，然后，再调整零位电位器，使输出为4mA准确值。

（2）满度调试

向浮筒室内注入清水，使水位高度等于hm,关闭进水阀，调量程电位器，使输出为20mA。

按上述(1)、(2)两步，反复调整几次，直至满意为止。

▲ 重介质密度>1g/cm3(水)时

满度的调整，可取高于零点调试水位h0的任意一点做为满量程调试点，具体方法可参照水校法液位调试中“介质密度>1g/cm3(水)”的调试方法。

（三）测比重的调试方法

调试方法与测量界面基本相同，只是计算浮力差时，按同一介质比重在最大和最小两点来计算。

（四）线性度的调试方法

变送器在出厂前线性度已调好，用户一般不需检查，只需根据工艺参数调好零点和满度（上、下限）即可。如用户要检查线性度，可按下面公式计算配重，检查量程内任意一点的线性度。

（1）测量液位时

任意位置（x%）砝码重=G-π/4D·x%·H·ρ

(2) 测量界面时

任意位置（x%）砝码重=G-π/4D·H（x%·Δρ+ρQ）

（3）测量比重时

计算公式与测液位公式基本相同，只是按不同比重值计算配重。

各式中：G-浮筒重（g）

H-浮筒长度（cm）

ρ-介质密度（g/cm）

Δρ-两种介质密度差，Δρ=ρz-ρQ

ρz-重介质密度（g/cm）

ρQ-轻介质密度（g/cm）

x%-量程（浮筒长度）的百分数

（五）测界面时零点迁移问题

测界面时，浮筒上端各部件均浸在轻介质中，因此，会产生一定的浮力，此浮力是一个常数，由它产生的附加电流也是一个学数，它对调好的量程无任何影响，只是导致零点略高于已调好的零点值（4mA）,这个附加电流值很小，若测量精度要求不高，就无须进行零点迁移，若测量精度要求较高，需将此附加电流迁移掉。

下面介绍二种迁移方法，供参考：

（1） 将浮筒室内全部充满轻介质（注意：一定使浮筒上端部件全部浸在轻介质中），调整零点电位器，使电流输出4mA即可。

（2） 在可观察到的任一界面上，调整零位电位器，使输出电流与该点界面对应的电流值即可。上述二种调试方法，用户可根据实际情况选用，也可采用其它方法。但请注意，无论采用什么方法进行迁移，只能调整零位电位器。

六．安装注意事项

1． 开箱时，要避免过大冲击和振动

2． 首先将杠杆端头的压板螺钉拧开，将浮筒挂钩挂上，将上限位压板装好，再将表头部保护支撑螺杆卸下即投入使用。

3． 装应牢固可靠，浮筒室必须确保垂直，以防止浮筒与浮筒室内壁相撞。

4． 装过程中，要防止变送器产生强烈振动或冲击，特别对浮筒挂勾不得大幅度地摆动或拉压，以免损坏传感器，降低仪表精度。

5． 对于易凝、易结晶、易沉淀及粘度较大的被测介质应选用带保温夹套式，现场应备有蒸汽管线。

6． 在现场，采用挂重法调试后的变送器接入装置后，在调试中只要各参数计算准确，则在量程内电流的变化量（20mA-4mA=16mA）是不会变的。在使用中，若输出电流值与实际测量值不符，则可能是在浮筒装配过程中由于振动，垂直度等原因而导致零点改变。此时，可在任一测量值上调整零位电位器，使电流与该点测量值相符即可（此过程只能调整零位电位器）。

七、使用注意事项

1． 防爆型产品，安装前应检查变送器的防爆等级、温度组别及关联设备与现场环境是否相符。

2． 在调试和维修时，不得改变电路参数和结构，不得改变元器件的规格、型号及参数

3. 传输电缆与变送器引入装置在连接处需加挠性保护管，变送器端子连接处应加绝缘套管

4. 变送器外壳必须良好接地

5. 工作环境温度最高不得超过60℃；电器元件及导线等最高温度不得超过35℃

6. 产品出厂时，在变送器关键部位做了涂红标记，标记处请不要随意扭动，以免影响变送器性能。如需要，请与本公司取得联系，及时妥善地处理

7. 变送器接线

本安型接线框图如图7所示。布线时，应尽量避免外界电磁干扰的影响，电缆分布参数应控制在规定值内。

8．安全栅的安装使用和维护，应遵守安全栅使用说明书。

9．防爆型变送器系统的安装使用和维护，应严格遵守中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程。

10．变送器存放时，应存贮在通风干燥的库房内，且不应含有对变送器有腐蚀的物质或气体。 最大开路电压 28V.DC 最大短路电流 30mA.DC 分布电容 ≤0.1Uf 分布电感 ≤2mH 电缆芯线截面 ≥0.5mm2 图7。本安型变送器接线框图 安全栅基本参数 注：去掉安全栅，即为隔爆型接线。

八、订货须知

1． 请按选型标记注明各项参数

2． 用于液位测量时，请提供被测介质密度

3． 用于界面测量时，请分别提供两种介质的密度

4． 用于比重测量时，请分别提供介质最大浓度和最小浓度时的比重。

浮筒室和法兰有碳钢和不锈钢两种材质，订货时请注明；其余接液材质均为1Gr18Ni9Ti

九、变送器结构尺寸 型式 顶 底 式 侧 侧 式 顶 侧 式 底 侧 式 顶置式 侧 置 式 型号 HUTD-1 HUTD-2 HUTD-3 HUTD-4 HUTD-5 HUTD-6 量程 H 300　500　800　1000　1200　1500　2000　2500　3000 结构

尺寸 L H+552(H+602) H H+352(H+337) H+200(H+225) H+250 H+250 a 425 425 425 425 425 425 b 100(125) 252 100(125) 252 — — c 128 128 128 128 128 — d — 150(175) 150(175) 150(175) — — 法

兰 A 标 准 JB/T81-94、JB/T82-94 DN(mm) 40 PN(MPa) 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 备　注 1、括号内尺寸为工作压力6.3MPa 尺寸。2、特殊量程、特殊要求可另行设计。3、可附加伴热或冷却外套筒。 十、安装示意图 侧侧式 顶底式 底侧式 顶置式 顶侧式 顶（侧）置式（不带稳流管）

现场最实用的方法；

1.关闭上下二根阀，打开浮筒室上下的放空阀和排污阀，（注意排出介质温度及防止污染问题）浮筒室内无介质，液位为0，此时调仪表0点

2.尔后关闭浮筒下排污阀，极其小心微开下根阀，介质慢慢进入浮筒室，直到从上部放空阀溢出时马上关闭下根阀，此时浮筒室内充满介质，液位最高调满量程

3.关闭放空阀，打开上下两个根阀，仪表示值变化稳定后即为正常液位。

此方法的操作人员必须有足够现场经验才行，本方法只适用于在正压容器

恒浮力式液位计浮力式液位计是根据浮力原理工作的。根据测量原理，可将其分为恒浮力式液位计(如浮子式和浮球式液位计)和变浮力式液位计(浮筒式液位计)两种。浮子式和浮球式液位计是典型的恒浮力式液位计。浮子式液位计的测量原理如图2.67所示。将浮子用绳索悬挂在滑轮上，绳索的另一端有平衡重锤，当浮标所受重力与浮力之差恰好与平衡重锤的重力相平衡时，浮子便漂浮在液面上。当液面高度变化时，浮子所处的高度位置也相应变化，因此可根据悬挂在纲丝绳上的指针在刻度标尺上指示出相应的液位。图2.68是一种浮球式液位计的原理示意图，它一般适用于温度、粘度较高，但压力不太高的密闭容器内的液位测量。现以用弹簧平衡的电动浮筒式液位变送器为例，水表、远传式水表说明变浮力式液位计的液位测量原理。浮筒式(又称沉筒式)液位计是典型变浮力式液位计。滴水计数水表、标准孔板浮筒式液位计主要由变送器和显示仪表两部分组成。可拆卸螺翼式水表变送器按浮筒的平衡力可分为用弹簧平衡和扭力管平衡两种结构形式按变换的信号叮分为电动和气动两种液位变送器。如果在浮子或浮球式液位计的基础上增加适当的电或气的转换装置，将液位变化的机械信号转换为相应的标准电或气信号，可实现液位信号的远传、极限报瞥或液位的自动控制。图2.69就是一种结构形式的电动浮球液位讯号器。它由浮球部分和触头部分组成。浮球部分包括椭圆形浮球1、磁钢2、触头部分包括外壳3、外磁钢4和静触头5,当被测液位变化时，浮球随之升降，使其端部的磁钢2上下摆动，通过磁力推斥安装在外壳3内相同磁极的外磁钢4上下摆动，其另一端的动触头5便可接通成对的上静触头或下静触头，随即在电路中的信号装置发出光或声的报警信号，或启闭电动泵供液或放液，以实现液位的自动控制。恒浮力式液位计实质是通过浮子或浮球等把液位的变化转换为相应的机械位移的变化，并通过相应的指针指示液位。在实际应用中，可采用各种各样的结构形式来实现液位—机械位移的转换，并通过机械传动机构带动指针对液位就地指示。用弹簧平衡的电动浮简式液位变送器的结构如图2.70所示。图中，河柱形中空的金属浮筒1被悬挂在弹簧3上，浮筒L端通过直杆与差动变压器的铁芯4相连。当液面低于浮简下边缘时.浮筒的重力与弹簧对浮筒的拉力相平衡。电磁流量计、明渠流量计若设浮筒的重力为w，平衡时，弹簧被拉伸的位移量为x，弹簧的刚度为C，则在液面低于浮筒下边缘时，浮筒的受力平衡关系为ex＝w (2.66)此时，铁芯4位于差动变压器线圈的中心，输出的不平衡电压O“二0。当液位上升，浮筒的一部分浸没于被测液体中时，由于浮筒受到浮力作用而向.L移动，弹簧被相应的压缩。当弹簧力与浮筒在液体中的重力相平衡时，浮筒将停在一个新的位置上。取浮筒的下边缘恰好与液面相接触时的水平面为基准面。若设浮筒的截面积为A，达到新的平衡时，液位为H，弹簧向上被压缩的位移量为AX，液体的容重为Y,则在新平衡条件下，浮筒的受力平衡关系为上式表明，若弹簧的刚度C为常数.并且浮洞的结构及被测液位的容重r一定时，则浮筒向上的压缩位移量At与液位H成正比关系。此时，与浮筒相连的铁芯4将偏离差动变压器线圈的中心位置，从而差动变压器将输出一个与液位H成正比的不平衡电压乙“信号，该电压信号可供液位的指示或对液位进行远传测量与控制。

浮筒液位计测两种液体的界位时必须使沉桶整个没入介质。

　

当界面最低时浮筒受到的是轻组分满程的浮力：界面最高时浮筒受到的是重组分组分满程的浮力。所以只要将介质比重（介质密度除以水的密度，水的密度为1000Kg/m³)乘以测量范围即可。

　

例如：介质密度分别为500Kg/m³和900Kg/m³，量程300mm。则用水校验时 零位水位：300×0.5=150mm；满程水位：300×0.9=270mm

　

如果介质比重大于1，会出现水位超出浮筒量程的情况，这时需将水位置于100%，调整输出使之对应。

　

例如：300mm的浮筒，介质比重为2 ，算得零点或满程 水位应是600mm，浮筒输出为4-20mA。这时将水位置于300mm处，调整零点或满程使输出等于 （300÷600）×16+4=12mA

浮子式液位计利用的是定浮力（恒浮力），它是利用检测浮子始终漂在液位表面的特性，通过检测或显示浮子的位置来测量液位；

浮筒式液位计利用的是变浮力，它是利用物体浸入液体的体积不同受到的浮力也不同的原理，通过检测浮筒受到的浮力来测量液位。准确的说它应该称为 “沉桶式” 或 ”沉浸式浮筒” 。

浮子式液位计利用的是定浮力，所以测量基本不受介质的密度、压力、温度的影响而始终指示液位【表面】的位置；

浮筒式液位计利用的是变浮力，介质的密度不变的情况下，介质发生沸腾、气泡、分层等不影响液位计对物料【数量】的指示。

在一定条件下，浮筒式液位计可以用来测量界面和密度。

　

　 　

对于浮子式浮筒式液位计，是将浮子的相对比重做的比上层介质大，比下层介质小，使其在两层介质之间浮动，进行测量。

对于沉浸式浮筒式液位计，是通过测量液体对沉（浮）桶的浮力来测量液位的。所以只要将零位设为对应浮筒完全沉浸在上部介质的浮力，满程设为对应浮筒完全沉浸在下部介质的浮力，工作时保证浮筒完全沉浸在介质中，液位计反应的就是界面。

浮筒液位计灌水高度与在液体中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和弹簧弹力的复合作用有关。浮筒液位计是根据阿基米德定律和磁耦合原理设计而成的液位测量仪表，仪表可用来测量液位、界位和密度，负责上下限位报警信号输出。专用于测量压力容器内液位，由四个基本部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和指示器。