5.2　浮力式液位计

浮力式液位计是一种应用较为广泛，种类、型号较多的液位测量仪表。测量方式为接触式，适用于大型储槽、开口或封闭式储槽、储罐和储液池的液位连续测量和位式测量。

浮力式液位计分为恒浮力式和变浮力式两类。恒浮力式液位计的传感部件有浮球和浮标，变浮力式液位计的传感部件为沉筒（或浮筒）。

5.2.1　浮力式液位计工作原理

（1）恒浮力式液位计

恒浮力式液位计的浮子（浮球、浮标）始终漂浮在液面上，随着液位的上升或下降，浮子随之上升、下降，浮子上升或下降的位移量与液位的变化量始终保持一致。浮球与平衡锤之间用柔性缆绳相连，缆绳置于两滑轮之上，在液位标尺处，缆绳上固定有指针，如图1-5-1所示，浮球置于导向管内，导向管底部和管壁开孔。

浮球的配重稍重于平衡锤的重量，被测液体对浮球的浮力 F 浮 始终为一恒定值，因此，称之为恒浮力式液位计。

F 浮 = G - W （1-5-1）

式中 G ——浮子的重量；

W ——平衡锤的重量。

当液体升高时，浮球随液面上浮，平衡锤下降；当液位下降时，浮子在重力作用下随液面下降，平衡锤上升，平衡锤上端的指针移动方向与液位的升降方向相反，因此，液位标识刻度为反向刻度。

（2）变浮力式液位计

以浮筒式液位计为例，浮子形式为浮筒，其结构组成如图1-5-2所示，检测部分由浮筒、杠杆、扭力管、芯轴、外壳、轴承等部件组成。浮筒由一定重量的不锈钢材质制成，垂直悬挂在杠杆的一端，杠杆的另一端与扭力管和芯轴的一端固定连接一起，芯轴套在扭力管中心，并由外壳上的支点所支撑，扭力管的另一端固定在外壳上，芯轴的另一端为自由端，由轴承支撑，芯轴的自由端上固定一指针，对应于一圆形刻度标盘，指示液位。

1—浮筒；2—杠杆；3—扭力管；4—芯轴；5—外壳；6—轴承

当液位低于浮筒底部时，浮筒所受的浮力为零，浮筒的全部重量作用于杠杆一端，杠杆在浮筒重力作用下向下偏转，杠杆的另一端由于扭力管的外壳套孔的支撑，将力以力矩的形式对扭力管产生扭力矩，这时，扭力管承受的扭力矩最大，扭力管的弹性变形产生反扭力矩以平衡外部的扭力矩，芯轴随着扭力管的弹性变形方向转动一个角度，指针相应转相同的角度，此时，指针指示的刻度盘的位置即为零液位。

当液体液位升高，液面高于浮筒底部，浮筒的一部分浸泡入液体之中，浮筒受到液体的浮力，浮力大小等于浮筒浸入液体的体积与被测液体介质密度的乘积（阿基米德定律），此时，杠杆一端所承受力 F 为浮筒重量（即重力） W 减去浮筒所受的浮力 F 浮

F = W - F 浮 = W - Ahρ （1-5-2）

式中 A ——浮筒的截面积；

h ——浮筒浸没于被测介质的深度；

ρ ——被测介质的密度。

随着液位上升，浮筒浸没入液体的体积增大，浮筒所受的浮力也增大，浮筒作用于杠杆的作用力随之减小，扭力管所受到的扭力矩逐渐减小，芯轴所产生的角位移也相应减小，指针指向与液位高度相应的刻度示值。扭力管和芯轴角位移还可通过气动或电动附加装置转换成气动或电动信号，用于远传显示、记录和调节。变浮力式液位计工作原理是基于浮子所受浮力随液位的变化而变化。

浮子式液位计结构形式，以浮子安装位置分为外浮子式、内浮子式、内浮筒式、外浮筒式；以仪表功能分为就地式、远传式、调节式；以信号类别分为电动式、气动式；以平衡方式分为位移平衡式、力平衡式和自动平衡式等。

内浮子（筒）式液位计浮子（筒）安装于容器内部，如图1-5-3、图1-5-4所示。外浮子式液位计浮子安装在容器外部，浮子外壳有螺纹式或法兰式连接口，螺纹连接或法兰用短管与容器连通。外浮筒式液位计安装形式如图1-5-5所示。

5.2.2　安装注意事项

内浮子液位计安装，应在容器内设置导向装置，以防容器内液体涌动，对浮子产生偏向力。导向装置形式有管式导向、环式导向、绳索导向，如图1-5-3、图1-5-4所示。

管式导向装置一般在管壁钻小孔。为便于罐底清淤，管子底部应离开罐底约120mm，用型钢支架支撑并固定，管子应垂直安装。

绳索式导向装置，两根钢索之间间距以浮标上导向环的尺寸确定。为保证钢索垂直安装，必须从容器顶部放线锤确定容器底部钢索锁紧部件的固定地点，如图1-5-4所示。浮筒、浮标安装后应上、下活动灵活，无卡涩现象。

浮子式液位开关，容器上焊接的法兰短管不可过长，否则会影响浮子的行程，应保证浮球能在全行程范围内自由活动，如图1-5-3（b）所示。

外浮筒式液位计安装，浮筒外壳上一般有中心线标志，浮筒式液位计安装的高度，以浮筒外壳中心线对准容器被测液位全量程的1/2处为准，如图1-5-5所示。

外浮筒式液位计的浮筒外壳，如果采用侧-侧型法兰连接方式，工艺容器上焊接的法兰短管，其上、下法兰之间的中心间距，法兰连接螺栓孔的方位必须与浮筒外壳法兰一致，上、下两法兰密封面必须处于同一垂直平面，且法兰的中心处在同一垂直线上。

外浮筒式液位计的浮筒，如果采用顶-底螺纹连接方式或顶-底法兰连接方式，管件预制应预先测量尺寸，然后下料，应保证浮筒外壳中心线与容器上、下法兰间距中点相符，且保证外壳处于垂直位置。

外浮筒顶部应设1/2in螺帽或丝堵，以备现场校准用，其底部应设排水阀短节。浮力式液位计所用阀门必须经试压、检漏合格后方可使用。法兰、管件材质、规格应符合设计要求。

浮力式液位计安装完毕后应与设备一起试压。

5.2.3　钢带式远传液位计

20世纪70～80年代我国石化炼油企业从国外购买设备并引进钢带式液位计。钢带式液位计量程大、精度高，配用编码式变送器，可将液位计信号远传至控制室，便于集中控制及灌区自动化管理。但钢带液位计应用中存在以下不足。

①当安装不满足要求时，容易出现卡带或迟滞现象。

②变送器与钢带之间密封不严，使信号处理板绝缘性下降，故障率升高。

③单一通信方式变送器与DCS系统连接。

为此，国内有关单位研制开发12500型光电液位计，该液位计将钢带液位计与光电式液位变送器设计为一体，机电部分采用磁耦合结构，使电路部分与被测介质完全隔离。基于力平衡原理的浮标随液位变化实时检测液位，利用磁耦合装置传递液位信号；利用光电传感器无接触式码盘读取液位信息，实时获取液位值，无滞后，采用总线通信方式，可将液位和温度信号直接送入PLC可编程控制器和DCS集散控制系统。如图1-5-6所示。

12500光电式液位计可连续测量各种常压、低压储罐的液位、空高距离和温度，被测介质为各种油品（成品油、原料油）、污水、泡沫液体及化工原料等。该产品适用于石油、化工、轻工、冶金等部门的大型常压储罐，特别适用于原料油和成品油储罐的液位测量。

（1）主要特点

①防爆的机壳设计使整机满足ExdⅡCT4的防爆要求，特别适用于油品的储存。本安的电路设计使该仪表可使用在0区要求的洞库。

②独立的一体化机芯，精确的轴系制造使机械摩擦阻力降至最小，维修时可迅速整体更换。

③使电气部分完全隔离，解决绝缘问题。

④利用光电传感器无接触式码盘读取液位信息可将分辨率提高到1mm。

⑤可实现VAREC公司的MARK/SPAC四线总线以及RS-485Modbus、TANKWAY等总线通信。

⑥利用储罐原有的 DN 40法兰接管和拉紧器的接管即可实现罐顶安装，无需配接其他附件。

⑦表头带有LCD显示液位和温度信号，可选机械式液位读数，并选配带2000型罐底液位显示器，也可罐顶、罐侧同时显示。

（2）性能指标

见表1-5-1。

图1-5-7为油灌区采用多台12500型光电液位计并通过VAREC M/S总线或RS-485Modbus、TANKWAY等总线传输信号的系统集成，只需一根4芯通信电缆即可将现场多至百台液位、温度信号传送到控制室终端接收器FIC4100。FIC4100现场总线带有两路RS-232接口，可将所接收的所有信号送至计算机或DCS系统进行控制和管理。