“液位計”是測量“液位”量的儀表, 在貿易結算、安全防護、環境監測和保證產品質量中起到重要作用。眾多類型液位計中, 磁翻板液位計因其顯示直觀、價廉物美和可靠耐用而被廣泛應用于各種儲罐與槽的液位測量[1]。

根據JJG 971-2002《液位計檢定規程》的規定, 量程小于2 m的液位計一般采用實液進行檢定, 量程大于2 m的液位計, 采用模擬的方法對其檢定或檢測[2]。同時, 安裝于現場的部分磁翻板液位計, 由于客觀原因無法拆卸和送檢, 只能采用模擬法對其示值誤差進行校準[3]。

磁翻板液位計主要由磁浮子、浮子腔體、磁性翻柱等組成。磁浮子內置永磁鐵, 通過一塊鐵板使浮子表面形成以浮子軸線為軸均勻的圓環形磁場, 向外表現為一種極性[4]。

使用前, 按被測液體密度對磁浮子進行配重, 保證工作時液位面與磁浮子的磁力作用線為同一水平面。浮子腔體與被測容器連通, 浮子可在腔體內自由移動。磁性翻柱為可繞小軸靈活旋轉的雙色部件, 按不同磁性上下異色。

液位計工作時, 儀表下端與容器下端相連通, 上端與容器液位以上部分連通 (若容器為開放式, 磁翻板液位計上端連通大氣) 。根據帕斯卡定律, 容器內部液體高度 (液位) 與液位計浮子腔體內液體高度 (液位) 相同。同時, 經過配重后的磁浮子半浸沒于液體中, 浮力與重力相平衡。此時, 磁浮子的受力為

式中:ρ—被測液體密度;

V—磁浮子排水體積;

g—當地重力加速度;

G—磁浮子所受重力

由于浮子質量不變, 所受重力不變, 重力時刻與浮力保持平衡, 所以相應的浮力也不變, 根據式 (1) 可得, 磁浮子所排液體體積不變, 即磁浮子浸沒的液位始終不變, 因此, 磁浮子的位置準確地反映了浮子腔體內液位, 也就是被測液體的液位。當液位變化時, 磁浮子的位置隨之產生改變, 通過磁場吸引面板上磁性翻柱, 使其繞小軸旋轉, 引起翻柱顏色變化, 讀取翻柱不同顏色界線的位置, 即可讀取被測液位值信息。

2 m水槽液位計標準裝置 (如圖1) , 用于實液法檢測。

在底部連通的裝置中, 2 m水槽、帶有長度標準的連通觀察管和被檢液位計內液位相同。檢測中, 先將液位計安裝于支架上, 按規程要求, 液位計與水平面垂直, 偏差不大于1°, 并選擇合適的檢定點。調整零點, 在檢定用水箱水位處于零位時, 通過調整磁翻板液位計高度, 調整被檢零位。檢定時, 通常用對準被檢看標準方法:調節檢定用水箱的水位, 從零開始逐漸升高水位到液位計指示的各檢定點, 直至上限;然后逐漸降低水位到液位計指示的各檢定點, 直至下限。期間, 分別讀取上下行程中各檢定點水箱的水位示值 (被檢磁翻板液位計對準被檢的判據是使檢點處翻柱界線居中) 。標準值通過使用長度標準器讀取管內液體凹液面底端的變化量取得。

圖1 2 m水槽液位計標準裝置   下載原圖

1-配有長度標準的連通觀察管;2-2 m水槽;3-被檢磁翻板液位計;4-固定支架;5-連通管道

目前經常使用的模擬法檢測過程為:拆卸下液位計底部法蘭, 使用相應長度的鋼直尺從儀表底部推動儀表內部磁浮子移動模擬水位變化。該方法成本低廉, 但在檢測過程中, 沒有好的讀數機構對標準鋼直尺讀數, 并且浮子的運動與鋼直尺的運動也無法吻合, 造成測量不確定度大的缺點。同時, 對儀表底部法蘭的拆卸大大增加了該方法實際操作的難度。

針對以上情況, 提出一種操作簡單、測量不確定度小和易實現的模擬方法, 檢測磁翻板液位計示值誤差、回差等性能。

本方法使用V形磁鐵 (內置永磁鐵的V形塊) , 吸引磁浮子動作模擬液位變化。校準時, V形磁鐵帶動磁浮子在浮子腔內運動, 進一步帶動磁翻柱翻轉, 按檢定規程當液位計顯示液位檢定點時, 使用記號筆沿V形磁鐵與被檢儀表的貼合面進行標記, 然后進行下一個檢定點的檢定。完成一次行程后, 將相應標記點間的距離作為磁浮子實際移動的距離, 使用游標卡尺進行測量, 作為標準值進行記錄。

在對“實液法”的分析和介紹中可知, 磁翻板液位計能可靠顯示液位是基于阿基米德原理和磁場作用, 其工作原理關鍵在于磁浮子與液面的相對位置在測量過程中始終不變, 因此在模擬法中V形磁鐵與磁浮子相對位置是否改變是分析模擬法能否可行的重點。

假設磁浮子與V形磁鐵均由許多微小的磁荷組成, 任意兩點的作用:

式中:F—磁荷間的相互所用力;

μ0—真空磁導率;

qm1—磁浮子磁荷的磁性;

qm2—永磁鐵磁荷的磁性;

r—磁荷間的距離

根據式 (2) 可知, 磁荷與磁荷 (即磁浮子與V形磁鐵) 之間的相互作用力大小與距離成反比, 與帶磁量即磁性成正比。當操作人員用手拖動V形磁鐵, 隔著磁翻板液位計浮子腔拖動磁浮子時, V形磁鐵受手的拖動力、重力和管壁的摩擦力共同作用 (其中手的拖動力通過磁場作用于磁浮子上) 。磁浮子受重力、管壁的摩擦力和V形磁鐵的磁力共同作用。如圖2所示 (受力分析中不包括與磁浮子、V形磁鐵相互作用無關的力) 。

圖2 模擬法受力分析示意圖   下載原圖

1-液位計管壁;2-V形磁鐵;3-磁浮子

由此得知, 磁浮子和V形磁鐵之間的吸引力僅和磁體之間的距離與磁體帶磁量相關, 與其他力無關, 所以可以認為只要磁力足夠大, 就可以將V形磁鐵與磁浮子視為一個整體, 即在移動時, 兩者之間相對位移很小, V形磁鐵的運動距離即為浮子移動距離。

該校準方法中標準值通過測量永磁鐵移動的距離獲得。由于磁翻柱液位計準確度較低, 普通的長度計量工具 (如:鋼直尺、鋼卷尺) 均能滿足作為標準器具的準確度要求。取得標準值時, 不確定度主要來源于對永磁鐵移動位置的標記。校準中, 緩慢移動永磁鐵帶動磁浮子向檢定點移動, 當磁浮子帶動的磁翻柱顯示到達計量點時, 使用V形磁鐵確定磁浮子的位置并標記。V形鐵是重要的圓柱體定位工具, 當它在液位計圓柱形的浮子腔體外沿軸線移動時, 只能沿軸線運動或轉動, 而沒有其他自由度, 所以借助V形磁鐵可以保證標記之間的平行度, 幫助長度測量工具對標準值準確測量。

在本方法中, V形磁鐵與磁浮子的磁場相互影響。由于儀表用途不一, 各廠家磁浮子充磁量標準不同, 導致各磁翻板液位計磁浮子的磁場特性不盡相同, 并且工作時隔著液位計浮子腔壁, 情況復雜, 磁鐵與浮子之間的磁化現象很難定量。具體操作中以實際不影響儀表工作為準。建議使用磁場強度不大于400 A/m的V形磁鐵進行工作[5]。

使用一臺測量范圍為0~1 500 mm的磁翻柱液位計作為被檢儀表, 用模擬法進行校準, 與使用2 m水槽標準裝置的校準結果進行比較。

*先在液位計1 000 mm處, 按文中闡述方法反復測量10次, 重復性測量數據如表1。

在相同的測量條件下, 在液位計顯示1 000 mm時, 使用2 m水槽標準裝置進行重復性測量, 數據如表2。

兩種方法重復性接近, 使用模擬方法可以在不影響測量不確定度的情況下對磁翻柱式液位計進行校準。

同時, 由表1:使用模擬法檢測***大示值誤差為Δ=4 mm;由表2:使用實測法檢測***大示值誤差為Δ=5 mm;兩者相差1 mm, 遠小于測量不確定度 (U=5.0 mm, k=2) 。

表1 模擬法重復性試驗     下載原表

表2 實液法重復性試驗     下載原表

  磁翻板液位計作為測量液位的重要計量器具, 被廣泛應用于各種現場。本文提出一種簡單易行的模擬檢測方法, 并通過試驗驗證在2 m內的可行性。從原理上講, 量程大于2 m與量程小于2 m并無本質上的區別, 因此, 該方法在量程大于2 m的情況下應該也是可行的。