科普中国-浮力式物位检测

浮力式物位检测的基本是通过测量是通过测量漂浮于被测液面上的浮子（也称浮标）随液面变化而产生的位移，或利用沉浸在被测液体中的浮筒（也称沉筒）所受的浮力与液面位置的关系检测液位。前者一般称为恒浮力式检测，后者称为变浮力式检测。1

简介

物位测量在现代工业生产过程中具有重要地位。通过物位测量可以确定容器中被测介质的储存量，以保证生产过程物料平衡，也为经济核算提供可靠依据。通过物位测量并加以控制可以使物位维持在规定的范围内，这对于保证产品的产量和质量，保证安全生产具有重要意义。在实际生产中，物位测量对象有液位也有料位等，有几十米高的大容器、也有几毫米的微型容器，介质的特性更是千差万别。因此，物位测量方法很多，以适应各种不同的测量要求。浮力式物位检测是其中的一种检测方法。1

恒浮力式物位检测

恒浮力式物位检测包括浮标式、浮球式和翻板式等各种办法。常采用浮球式液位计测量或控制水位。浮球式水位控制器可作为开口水箱或密闭容器的水位控制仪表。浮球用不锈钢制作，安装在浮筒内，其上端连接有连杆，连杆顶端置有磁钢。当水位发生变化时，浮球带动连杆和磁钢在调整箱组件中非导磁的管道中上、下移动。当磁钢移动到上下限水银开关动作，从而实现开关量控制。还有其他类似的浮球式水位传感器等，由于它们的原理比较简单，这里不再介绍。1

变浮力式物位检测

变浮力式物位检测方法中典型的敏感元件是浮筒，它是利用浮筒由于被液体浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。如图1是应用浮筒实现物位检测的原理图。将一横截面积为A，质量为m的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，由于弹簧的下端被固定，因此弹簧因浮筒的重力被压缩，当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，则有1：

（1）

式中 C—弹簧的刚度；

x0—弹簧由于浮筒重力被压缩所产生的位移。

当浮筒的一部分被液体浸没时，浮筒受到的液位对它的浮力作用向上移动。当它与弹簧力和浮筒的重力平衡时，浮筒停止移动。设液位高度为H，浮筒由于向上移动实际漫没在液体中的长度为h，浮筒移动的距离，也就是弹簧的位移改变量为Δx，则1：

（2）

根据力平衡可得1：

（3）

式中 ρ—浸没浮筒的液体密度（kg/m3）；

A—浮筒横截面积（m2）。

将式（1）带入上式，整理后便得1：

（4）

一般情况下，h>>Δx，由式（2）可得H≈h，从而被测液位H可表示为1：

（5）2

上式表明，当液位变化时，使浮筒产生位移，其位移量Δx与液位高度H成正比关系。因此变浮力物位检测方法实质上就是将液位转换成敏感元件（在这里为浮筒）的位移。应用信号变换技术可进一步将位移转换成电信号，配上显示仪表在现场或控制室进行液位指示或控制。图1是在浮筒的连杆上安装一铁芯，可随浮筒一起上下移动，通过差动变压器使输出电压与位移成正比关系。1

另外，也可以将浮筒所受的浮力通过扭力管达到力矩平衡，把浮筒的位移变成扭力管的角位移，进一步用其他转换元件转换为电信号，构成一个完整的液位计。浮筒式液位计不仅能检测液位，而且还能检测界面，但应用较少。1

相关概念

物位是指容器（开口或密封）中液体介质液面的高低（称为液位），两种液体介质的分界面的高低（称为界面）和固体块、散粒状物质的堆积高度（称为料位）。用来检测液体的仪表称为液位计，检测分界面的仪表称界面计，检测固体料位的仪表称料位计，它们统称为物位计。1