章天霈 張忠立 羅佳駿 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

磁性液位計(jì)（模擬法）檢測(cè)方法

章天霈 張忠立 羅佳駿 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

在分析“實(shí)液法”的基礎(chǔ)上，提出一種新的針對(duì)磁性液位計(jì)的 “模擬法”檢測(cè)方法。介紹其檢測(cè)過(guò)程，探討了通過(guò)精確標(biāo)記V形磁鐵移動(dòng)距離提高測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵方法，并對(duì)其可行性與準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

磁性液位計(jì)；模擬法；磁場(chǎng)；V形塊

0 引言

“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(lèi)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]。

1 磁性液位計(jì)實(shí)液檢定方法

1.1 磁性液位計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理

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铀俣龋?/p>

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。

1.2 實(shí)液法

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。

圖1 2 m水槽液位計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置

2 磁性液位計(jì)模擬檢定方法

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。

2.1 模擬法的操作

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。

2.2 模擬法的可行性分析

2.2.1 磁浮子的運(yùn)動(dòng)

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）。

圖2 模擬法受力分析示意圖

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。

2.2.2 精確標(biāo)記永磁鐵移動(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。

2.2.3 V形磁性鐵對(duì)儀表顯示的影響

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]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

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)最大示值誤差為Δ = 4 mm；由表2 ：使用實(shí)測(cè)法檢測(cè)最大示值誤差為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）。

表1 模擬法重復(fù)性試驗(yàn)

表2 實(shí)液法重復(fù)性試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

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。

[1] 戴慶輝. 磁性翻柱液位計(jì)(UHZ-52Z)在液氨貯槽及分離器上的應(yīng)用[J]. 純堿工業(yè)，2004，05：42-43.

[2] 全國(guó)壓力計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJG 971-2002[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2002.

[3] 袁明. 磁翻板液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法探究[J]. 工業(yè)計(jì)量，2011，03：63.

[4] 中國(guó)化工裝備總公司. 磁性浮子式液位計(jì)技術(shù)條件（一）[J]. 中國(guó)儀器儀表，1996，02：34-36.

[5] 中國(guó)化工裝備總公司. 磁性浮子式液位計(jì)技術(shù)條件（二）[J]. 中國(guó)儀器儀表，1996，03：29-30.

The discuss of the calibration for magnetic level meters by means of a dry approach

Zhang Tianpei，Zhang Zhongli，Luo Jiajun
（Shanghai Institute of Metrological and Testing Technology）

A new “dry”approach of calibrating a magnetic level meter is speci fi ed in this article. The operation of simulating the actual liquid level moving and the core part of improving the uncertainty by means of precisely marking with a magnetic vee block are introduced. The certi fi cate test is in the end of the article.

magnetic level meter；simulated approach； magnetic fi eld； vee block