“液位計(jì)”是測(cè)量“液位”量的儀表, 在貿(mào)易結(jié)算、安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和保證產(chǎn)品質(zhì)量中起到重要作用。眾多類型液位計(jì)中, 磁性液位計(jì)因其顯示直觀、價(jià)廉物美和可靠耐用而被廣泛應(yīng)用于各種儲(chǔ)罐與槽的液位測(cè)量[1]。

根據(jù)JJG 971-2002《液位計(jì)檢定規(guī)程》的規(guī)定, 量程小于2 m的液位計(jì)一般采用實(shí)液進(jìn)行檢定, 量程大于2 m的液位計(jì), 采用模擬的方法對(duì)其檢定或檢測(cè)[2]。同時(shí), 安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的部分磁性液位計(jì), 由于客觀原因無(wú)法拆卸和送檢, 只能采用模擬法對(duì)其示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)[3]。

磁性液位計(jì)主要由磁浮子、浮子腔體、磁性翻柱等組成。磁浮子內(nèi)置永磁鐵, 通過(guò)一塊鐵板使浮子表面形成以浮子軸線為軸均勻的圓環(huán)形磁場(chǎng), 向外表現(xiàn)為一種極性[4]。

使用前, 按被測(cè)液體密度對(duì)磁浮子進(jìn)行配重, 保證工作時(shí)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(cè)容器連通, 浮子可在腔體內(nèi)自由移動(dòng)。磁性翻柱為可繞小軸靈活旋轉(zhuǎn)的雙色部件, 按不同磁性上下異色。

液位計(jì)工作時(shí), 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(kāi)放式, 磁性液位計(jì)上端連通大氣) 。根據(jù)帕斯卡定律, 容器內(nèi)部液體高度 (液位) 與液位計(jì)浮子腔體內(nèi)液體高度 (液位) 相同。同時(shí), 經(jīng)過(guò)配重后的磁浮子半浸沒(méi)于液體中, 浮力與重力相平衡。此時(shí), 磁浮子的受力為

式中:ρ—被測(cè)液體密度;

V—磁浮子排水體積;

g—當(dāng)?shù)刂亓铀俣?

G—磁浮子所受重力

由于浮子質(zhì)量不變, 所受重力不變, 重力時(shí)刻與浮力保持平衡, 所以相應(yīng)的浮力也不變, 根據(jù)式 (1) 可得, 磁浮子所排液體體積不變, 即磁浮子浸沒(méi)的液位始終不變, 因此, 磁浮子的位置準(zhǔn)確地反映了浮子腔體內(nèi)液位, 也就是被測(cè)液體的液位。當(dāng)液位變化時(shí), 磁浮子的位置隨之產(chǎn)生改變, 通過(guò)磁場(chǎng)吸引面板上磁性翻柱, 使其繞小軸旋轉(zhuǎn), 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(cè)液位值信息。

2 m水槽液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置 (如圖1) , 用于實(shí)液法檢測(cè)。

在底部連通的裝置中, 2 m水槽、帶有長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)的連通觀察管和被檢液位計(jì)內(nèi)液位相同。檢測(cè)中, 先將液位計(jì)安裝于支架上, 按規(guī)程要求, 液位計(jì)與水平面垂直, 偏差不大于1°, 并選擇合適的檢定點(diǎn)。調(diào)整零點(diǎn), 在檢定用水箱水位處于零位時(shí), 通過(guò)調(diào)整磁性液位計(jì)高度, 調(diào)整被檢零位。檢定時(shí), 通常用對(duì)準(zhǔn)被檢看標(biāo)準(zhǔn)方法:調(diào)節(jié)檢定用水箱的水位, 從零開(kāi)始逐漸升高水位到液位計(jì)指示的各檢定點(diǎn), 直至上限;然后逐漸降低水位到液位計(jì)指示的各檢定點(diǎn), 直至下限。期間, 分別讀取上下行程中各檢定點(diǎn)水箱的水位示值 (被檢磁性液位計(jì)對(duì)準(zhǔn)被檢的判據(jù)是使檢點(diǎn)處翻柱界線居中) 。標(biāo)準(zhǔn)值通過(guò)使用長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器讀取管內(nèi)液體凹液面底端的變化量取得。

目前經(jīng)常使用的模擬法檢測(cè)過(guò)程為:拆卸下液位計(jì)底部法蘭, 使用相應(yīng)長(zhǎng)度的鋼直尺從儀表底部推動(dòng)儀表內(nèi)部磁浮子移動(dòng)模擬水位變化。該方法成本低廉, 但在檢測(cè)過(guò)程中, 沒(méi)有好的讀數(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼直尺讀數(shù), 并且浮子的運(yùn)動(dòng)與鋼直尺的運(yùn)動(dòng)也無(wú)法完全吻合, 造成測(cè)量不確定度大的缺點(diǎn)。同時(shí), 對(duì)儀表底部法蘭的拆卸大大增加了該方法實(shí)際操作的難度。

針對(duì)以上情況, 提出一種操作簡(jiǎn)單、測(cè)量不確定度小和易實(shí)現(xiàn)的模擬方法, 檢測(cè)磁性液位計(jì)示值誤差、回差等性能。

本方法使用V形磁鐵 (內(nèi)置永磁鐵的V形塊) , 吸引磁浮子動(dòng)作模擬液位變化。校準(zhǔn)時(shí), V形磁鐵帶動(dòng)磁浮子在浮子腔內(nèi)運(yùn)動(dòng), 進(jìn)一步帶動(dòng)磁翻柱翻轉(zhuǎn), 按檢定規(guī)程當(dāng)液位計(jì)顯示液位檢定點(diǎn)時(shí), 使用記號(hào)筆沿V形磁鐵與被檢儀表的貼合面進(jìn)行標(biāo)記, 然后進(jìn)行下一個(gè)檢定點(diǎn)的檢定。完成一次行程后, 將相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)間的距離作為磁浮子實(shí)際移動(dòng)的距離, 使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量, 作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行記錄。

在對(duì)“實(shí)液法”的分析和介紹中可知, 磁性液位計(jì)能可靠顯示液位是基于阿基米德原理和磁場(chǎng)作用, 其工作原理關(guān)鍵在于磁浮子與液面的相對(duì)位置在測(cè)量過(guò)程中始終不變, 因此在模擬法中V形磁鐵與磁浮子相對(duì)位置是否改變是分析模擬法能否可行的重點(diǎn)。

假設(shè)磁浮子與V形磁鐵均由許多微小的磁荷組成, 任意兩點(diǎn)的作用:

式中:F—磁荷間的相互所用力;

μ0—真空磁導(dǎo)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(jù)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(dāng)操作人員用手拖動(dòng)V形磁鐵, 隔著磁性液位計(jì)浮子腔拖動(dòng)磁浮子時(shí), V形磁鐵受手的拖動(dòng)力、重力和管壁的摩擦力共同作用 (其中手的拖動(dòng)力通過(guò)磁場(chǎng)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(wú)關(guān)的力) 。

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(guān), 與其他力無(wú)關(guān), 所以可以認(rèn)為只要磁力足夠大, 就可以將V形磁鐵與磁浮子視為一個(gè)整體, 即在移動(dòng)時(shí), 兩者之間相對(duì)位移很小, V形磁鐵的運(yùn)動(dòng)距離即為浮子移動(dòng)距離。

該校準(zhǔn)方法中標(biāo)準(zhǔn)值通過(guò)測(cè)量永磁鐵移動(dòng)的距離得到。由于磁翻柱液位計(jì)準(zhǔn)確度較低, 普通的長(zhǎng)度計(jì)量工具 (如:鋼直尺、鋼卷尺) 均能滿足作為標(biāo)準(zhǔn)器具的準(zhǔn)確度要求。取得標(biāo)準(zhǔn)值時(shí), 不確定度主要來(lái)源于對(duì)永磁鐵移動(dòng)位置的標(biāo)記。校準(zhǔn)中, 緩慢移動(dòng)永磁鐵帶動(dòng)磁浮子向檢定點(diǎn)移動(dòng), 當(dāng)磁浮子帶動(dòng)的磁翻柱顯示到達(dá)計(jì)量點(diǎn)時(shí), 使用V形磁鐵確定磁浮子的位置并標(biāo)記。V形鐵是重要的圓柱體定位工具, 當(dāng)它在液位計(jì)圓柱形的浮子腔體外沿軸線移動(dòng)時(shí), 只能沿軸線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng), 而沒(méi)有其他自由度, 所以借助V形磁鐵可以保證標(biāo)記之間的平行度, 幫助長(zhǎng)度測(cè)量工具對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值準(zhǔn)確測(cè)量。

在本方法中, V形磁鐵與磁浮子的磁場(chǎng)相互影響。由于儀表用途不一, 各生產(chǎn)廠家磁浮子充磁量標(biāo)準(zhǔn)不同, 導(dǎo)致各磁性液位計(jì)磁浮子的磁場(chǎng)特性不盡相同, 并且工作時(shí)隔著液位計(jì)浮子腔壁, 情況復(fù)雜, 磁鐵與浮子之間的磁化現(xiàn)象很難定量。具體操作中以實(shí)際不影響儀表工作為準(zhǔn)。建議使用磁場(chǎng)強(qiáng)度不大于400 A/m的V形磁鐵進(jìn)行工作[5]。

使用一臺(tái)測(cè)量范圍為0~1 500 mm的磁翻柱液位計(jì)作為被檢儀表, 用模擬法進(jìn)行校準(zhǔn), 與使用2 m水槽標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較。

首先在液位計(jì)1 000 mm處, 按文中闡述方法反復(fù)測(cè)量10次, 重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)如表1。

在相同的測(cè)量條件下, 在液位計(jì)顯示1 000 mm時(shí), 使用2 m水槽標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量, 數(shù)據(jù)如表2。

兩種方法重復(fù)性接近, 使用模擬方法完全可以在不影響測(cè)量不確定度的情況下對(duì)磁翻柱式液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

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

  磁性液位計(jì)作為測(cè)量液位的重要計(jì)量器具, 被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。本文提出一種簡(jiǎn)單易行的模擬檢測(cè)方法, 并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證在2 m內(nèi)的可行性。從原理上講, 量程大于2 m與量程小于2 m并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別, 因此, 該方法在量程大于2 m的情況下應(yīng)該也是可行的。