浮子移位器與磁翻板液位計水平位移器原理及應用

浮子和移位器

在2200多年前，阿基米德首次發現浮動物體的表觀重量因流動的液體重量而減少。大約2000年后，在18世紀后期，當英國的James Brindley和Sutton Thomas Wood以及俄羅斯的II Polzunov在鍋爐中引入了第一個浮子式液位調節器時，出現了水平浮子的第一次工業應用。

浮子是運動平衡裝置，可以液位上下移動。位移器是力平衡裝置（約束浮子），其表觀重量根據阿基米德原理而變化：作用在物體上的浮力等于被置換的流體的重量。隨著水平的變化

靜止（和恒定直徑）置換器浮動，浮力按比例變化并且可以被檢測為水平的指示。常規和置換器浮子可用作連續液位變送器和點感應液位開關。

在工業應用中，置換器浮子通常是有利的，因為它們不需要運動。此外，通常可以更多地檢測力

比位置準確。但是，也使用常規浮動，主要用于實用程序和其他輔助應用程序。

浮球液位開關

可用于操作浮子液位開關的浮力（即，其凈浮力）是置換流體的重量（總浮力）與浮子的重量之間的差。浮子有球形（圖7-6A），圓柱形（圖7-6B）和各種其他形狀（圖7-6C）。它們可以由不銹鋼，PFA，哈氏合金，蒙乃爾合金和各種塑料材料制成。典型溫度和壓力額定值為-40至80°C（-40至180°F），橡膠或塑料浮子高達150 psig，-40至260°C（-40至500°F），較高750 psig用于不銹鋼浮子。標準浮子尺寸的直徑為1至5英寸。可以從大多數制造商訂購定制的浮子尺寸，形狀和材料。側裝開關的浮子是水平的;

浮子應始終比過程流體的較小預期比重（SG）輕。對于清潔液體，0.1 SG的差異可能就足夠了，而對于粘性或臟污應用，建議差異至少為0.3 SG。這提供了額外的力來克服由于摩擦和材料堆積引起的阻力。在骯臟的應用中，浮子也應易于清潔。

浮子可以連接到機械臂或杠桿上，并且可以驅動電氣，氣動或機械機構。開關本身可以是水銀（圖7-6A和7-6C），干觸點（快動或簧片型，如圖7-6B所示），氣密密封或氣動。開關可以

用于驅動視覺顯示器，信號器，泵或閥門。電觸點可以是額定輕載（10-100伏安，VA）或重載（較高15 A @ 120 Vac）。如果開關要操作負載大于開關觸點額定值的電路，則需要插入插入式繼電器。如果要將開關插入4-20 mA直流電路中，則應指定鍍金干觸點，以確保所需的極低接觸電阻。

應用和安裝

在傾斜開關（圖7-6C）中，汞元件或繼電器安裝在塑料浮子內; 浮子的電纜綁在水箱或水槽內的管道上。隨著水平的上升和下降，浮子上下傾斜，從而打開和關閉其電觸點。電纜的自由長度決定了致動水平。一個，兩個或三個開關可用于操作單工和雙工油泵站。單工（單泵）系統將使用與電機引線串聯的單個開關，以便開關直接啟動和停止泵電機（圖7-7）。

雙工（雙泵）應用可能使用三個開關：一個在油箱底部（LO）停止兩個泵，另一個在中間（HI）啟動一個泵，較后一個在頂部（HI-HI）啟動第二個泵，也許是一個聲音

和/或視覺警報。

圖7-8A說明了側裝浮子開關如何驅動相鄰的密封簧片開關。這種設計的主要優點是杠桿延伸部分傾向于放大浮子產生的浮力。因此浮子本身可以相當小。主要缺點是必須打開油箱才能對開關進行維護。如果浮子的浮力被機械地用于致動快動開關，則僅需要一盎司的力。

在頂部（或底部）安裝的磁性浮動開關（圖7-8B）中，磁體位于圓柱形浮子中，在包含簧片開關的短垂直導管上向上或向下移動。浮子的運動受到夾子的限制，可以只有1/2英寸或更小。這些浮子和導管可提供多個浮子，可以檢測多個級別。開關組件本身可以直接插入罐中或側面安裝在單獨的腔室中。

磁性活塞操作開關也可以安裝在外部腔室中（圖7-8C）。當磁鐵在非磁性管內上下滑動時，它會操作管外的水銀開關。這些開關完全密封，非常適合高達900 psig和400°C（750°F）的重載工業應用，符合ASME規范要求。這些

開關可以是側面，頂部或籠式安裝（圖7-9），可以在蒸汽桶，給水加熱器，冷凝水罐，氣/油分離器，接收器和蓄能器上提供報警和控制功能。輕型籠式浮子開關還可在200°C（400°F）下使用額定壓力高達250 psig，在40°C（100°F）時使用400 psig - 適用于許多鍋爐，冷凝水接收器，閃蒸罐，日間水箱，儲水箱和排水閥控制裝置。籠子可以配備水平儀。多個開關可用于多種切換應用，例如鍋爐液位報警和控制。

置換開關

浮子通常跟隨液位，而置換器保持部分或完全浸沒。如圖7-10A所示，置換器的表觀重量隨著被更多液體覆蓋而減小。當重量下降到彈簧張力以下時，開關被啟動。在湍流，澎湃，泡沫或泡沫應用中，置換開關比常規浮子更可靠。更換設置很容易，因為置換器可以沿懸掛電纜移動到任何位置（較長50英尺）。這些開關可在罐之間互換，因為可通過改變支撐彈簧的張力來適應工藝密度的差異。

測試常規浮動開關的正常功能可能需要將油箱加注到驅動水平，而可以通過提升懸架來測試置換開關（圖7-10A）。置換開關可配備重型保持架和法蘭，適用于150°C（300°F）時高達5000 psig的應用，適用于液壓蓄能器，天然氣接收器，高壓洗滌器和碳氫化合物閃蒸罐。

磁翻板液位計水平位移器

排量器作為磁翻板液位計和本地液位控制器很受歡迎，特別是在石油和石化行業。然而，它們不適用于漿料或污泥處理，因為置換劑的涂層改變了其體積并因此改變了其浮力。對于涉及恒定密度的清潔液體的服務，它們是較準確和可靠的。它們應該進行溫度補償，特別是如果過程溫度的變化導致過程流體密度的顯著變化。

當用作磁翻板液位計時，總是比過程流體重的置換器懸掛在扭矩臂上。它顯而易見

重量導致扭矩管的角位移（扭轉彈簧，無摩擦壓力密封）。該角位移與置換器的重量成線性比例（圖7-10B）。

標準置換器容積為100立方英寸，較常用的長度為14,32,48和60英寸（特殊設計中長度可達60英尺。）除扭矩管外，還可檢測浮力通過其他力傳感器，包括彈簧和力平衡儀器。當浮力通過彈簧平衡時，存在一些運動，而使用力平衡檢測器，置換器保持在一個位置，并且僅位移器上的水平變化。

置換器單元可提供氣動和電子輸出，也可配置為本地獨立控制器。當用于水服務時，100立方英寸的置換器將產生3.6磅的浮力。因此，標準扭矩管的校準力范圍為0-3.6 lb f，薄壁扭矩管的范圍為0-1.8 lb f。

對于煉油廠和其他連續運行的工藝，美國石油協會建議（在API RP 550中）將置換器安裝在帶有液位計和隔離閥的外部立管中（圖7-11）。這樣就可以在不中斷過程的情況下重新校準或維護置換器。

接口應用

當測量重液體和輕液體（例如水上油）之間的界面時，置換器的頂部連接放置在燈中，底部連接放入重液體層中。如果在腔室充滿輕液體時將這種發射器的輸出設置為零，并且當其充滿重相時設置為100％，則輸出將對應于接口水平。當然，當測量界面時，必須使置換器腔室的兩個連接位于兩個不同的液體層中，并且腔室總是被淹沒。可以改變位移器直徑以匹配液體密度的差異，并且可以設置置換器長度以匹配水平界面變化的垂直范圍。

如果兩種處理液之間的SG差異大于0.05，則常規浮子也可用于界面檢測。在這些應用中，需要的浮子密度大于較輕的液體并且小于較重的液體。如果這樣選擇，浮動將遵循接口級別，并且在干凈的服務中，提供可接受的性能。

連續浮動

在用于連續液位測量的各種浮子傳感器設計中，較老的且可以說較準確的是磁帶水平儀（圖7-12A）。在這種設計中，膠帶或電纜將罐內的浮子連接到儀表板或安裝在罐外部的指示收帶盤。浮子通過導絲在罐內上下引導或在靜止井內行進。這些液位指示器用于遠程，無人值守，獨立應用，或者它們可以配備數據傳輸電子設備，以集成到工廠范圍的控制系統中。

為了安裝膠帶規，在罐頂部需要一個開口，底部需要一個錨。正確維護時，膠帶規準確度為±1/4 in。重要的是保持導線處于張力，清潔和無腐蝕狀態，并確保膠帶永遠不會接觸到其行進的保護管道。如果不這樣做，浮子可能卡在導絲上，或者膠帶可能卡在管道上。（如果水平長時間沒有變化或者油庫是這樣的話，就會發生這種情況

位于潮濕的地區。）

另一個連續水平指示器是磁性水平儀，由一個磁性浮子組成，在一個長的非磁性（通常是不銹鋼）管道的內部上下移動。管道連接到水箱側面的法蘭噴嘴。管柱設有可視指示器，由三角形晶片元件組成。當浮子中的磁鐵達到其水平時，這些元素會翻轉（從綠色變為紅色或任何其他顏色）（圖7-12B）。報警開關和變送器選項可用于類似的磁耦合方案（圖7-12C）。在類似的設計中，一系列簧片開關位于立管內。測量單個簧片開關由上升磁鐵閉合時輸出電壓的變化，給出電平指示。

磁翻板液位計的操作基于Villari效應。在磁波導型連續液位檢測器中，浮子（或浮子，當檢測界面時）在垂直管道的外部同心地上下移動。管內部是由磁致伸縮材料制成的同心波導。沿波導向下發送低電流詢問脈沖，沿波導的長度產生電磁場。當該磁場與浮子內的永磁體相互作用時，產生扭轉應變脈沖（或波導扭曲）并將其檢測為返回脈沖。詢問時間和返回脈沖時間的差異與罐中的液位成比例。

這種油箱液位傳感方法非常精確，達到±0.02英寸，因此是精確庫存管理操作的理想選擇。傳感器的長度為2-25英尺，可以通過法蘭連接，螺紋連接或焊接連接從容器頂部插入水箱。對于同時測量界面和總水平，可以使用雙浮動系統（圖7-12D）。電阻溫度檢測器（RTD）也可用于溫度補償。與所有其他浮球液位儀器一樣，此設計也適用于清潔液體。額定溫度高達150°C（300°F）和300 psig。變送器輸出可以是4-20 mA直流模擬或現場總線兼容數字。

浮子控制閥

浮球式控制閥將液位測量和液位控制功能集成到單級調節器中。雖然簡單且便宜，但它們僅限于涉及小流量和閥門上的小壓降的應用。這是因為可用于節流閥的力限于由作用在浮子上的浮力所提供的力，乘以浮臂的杠桿作用。這不足以關閉大閥門以抵抗高壓差。

然而，對于簡單和無人值守的應用（例如控制冷卻塔盆中的補給水供應或從疏水閥排出冷凝水），它們是可接受的。重要的是要理解浮子調節器是簡單的比例控制器：它們不能在單個設定點保持水平。當浮子行進通過其控制范圍時，他們可以做的是打開或關閉閥門。因此，調節器具有節流范圍而不是設定值。如果范圍很窄（浮子通常在幾英寸的浮動行程中完全沖擊它們的閥門），它會給人一種恒定水平的印象。

事實上，水平將在節流范圍內變化，因為調節器增加進料流量（例如進入冷卻塔水池）的較好的方法是首先讓水位下降，以便浮子的下沉將進一步打開閥門。通過線性閥的較大流量（Q max）與液位（h）的范圍之間的關系稱為調節器的比例靈敏度（K c = Q max / h），以GPM /英寸為單位表示。浮子調節器的偏移量是浮子范圍的中心與輸送過程所需的流量所需的浮子的高度之間的距離（以英寸為單位）。