电动浮筒液位计的测量原理
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发布时间：2022-04-29 14:55
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时间：2023-10-13 06:12
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）
