电动浮筒液位变送器的原理和调校
李宝华
摘要：浮力式液位计应用阿基米德原理，包括恒浮力式、变浮力式两大类。变浮力式主要是浮筒液位计，利用浮筒沉浸在液体里，根据浮筒被浸的程度不同，则浮筒所受的浮力不同，只要检测出浮筒所受浮力的变化，就可知液位的高低。英维思-福克斯波罗-埃卡（IPS-Foxboro-Eckardt）的144LD型电动浮筒液位变送器性能优异，长期稳定性好，在国内石化装置、大化肥、大化纤上应用较多。
关键词：阿基米德原理；浮力式液位计；浮筒液位变送器；LD144；原理；调校。
引言
在流程工业的生产过程中，常常需要测量某些设备（容器）内介质分界面位置，如气体-液体间的液位高度；气体-固体间的料位高度；液体-液体间的界面高度，等等。这些液位、料位、界面的测量统称为物位测量，最常用的是液位测量。
物位测量一般是测量某一介质的高度或厚度、长度，所用测量单位多为长度单位。物位测量的方法很多，常见的有：直读式、浮力式、静压式、电气式、声波式、核辐射式等。
其中浮力式液位计是应用最早的物位测量仪表，包括恒浮力式、变浮力式两大类，应用阿基米德原理。恒浮力式分浮标式与浮球式，都是维持浮力不变，浮标或浮球漂浮在液面上，其位置随着液位高低而变化，当测出浮标的位置时，就能确定液位的高低或发讯报警。如浮标液位计（浮子钢带式）、浮球液位计或液位开关（浮子杠杆式）、磁翻板液位计（浮子磁耦合式）。变浮力式液位计主要是浮筒液位计（变送器），利用浮筒沉浸在液体里，根据浮筒被浸的程度不同，则浮筒所受的浮力不同，只要检测出浮筒所受浮力的变化，就可知液位的高低。
阿基米德原理
阿基米德原理是物理学中关于力学的一条基本原理：浸在静止流体中的物体受到流体作用的合力大小等于物体排开的流体的重量，这个合力称为浮力。
浮力的大小可用下式计算：F浮= ρ液（气）·g· V排。
F - 浮力
ρ- 液体或气体密度
g - 重力加速度
V - 物体容积（体积）
阿基米德原理说明浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力。浮力式液位计就是应用了阿基米德原理。
144LD型电动浮筒液位变送器
英维思-福克斯波罗-埃卡（IPS-Foxboro-Eckardt）的144LD型电动浮筒液位变送器（图1）是基于阿基米德原理的变浮力式液位计，是在早期产品型气动、型电动、LD134型电动浮筒液位变送器的基础上改进发展而来。Eckardt浮筒液位计产品进入中国已有四十多年，各种型号都有较多应用，以石化装置、大化肥、大化纤的应用为多，性能优异，长期稳定性好。
144LD以浮筒（亦称沉筒，可选316L不锈钢、哈氏合金、加碳PTFE等材料）为测量元件，通过传动芯轴/扭力管将浮力的变化传递给测量部分的采用应变桥路的传感器，再经转换部分放大输出4~20mADC 信号或连接现场总线传输数字信号，本机有液晶显示器和组态功能以及自诊断，支持HART、Profibus-PA、FF及FoxCom通信。可根据需要配置热夹套和分体安装方式。视过程应用不同，也可作为界面测量或密度测量。在国内也有一些厂家引进144LD表头（测量和转换部分）等主要部件，自制浮筒、浮筒室壳体和安
装件组合，但发现国内产品样本的技术数据中标注的测量精度等技术指标比原厂家要差一些。
· 144LD 主要技术参数
测量范围：50mm 至50m ，测量元件为密封空心金属浮筒，标准长度350至3000mm （14至120英寸）；浮筒重力最大25N ，仪表可调范围2至20N ，密度范围200至2000kg/m 3；量程比为1：10（按需可提供1：
20）；二线制，输出4至20mADC 或HART 、Profibus-PA 、FF 、FoxCom 通信传输数字信号，测量与输出线性关系或自定义特性（最多定义32点）；5位LCD 本机显示；测量精度为±0.2％FS ；压力等级PN16至PN250（ANSI Class 150至1500）；过程温度-196至＋400℃，环境温度-40至＋70℃（无显示可到85℃），使用温度一般在50℃以下，最高允许温度为测量组件+150℃、转换组件+85℃、LCD 液晶显示器+70℃；防护等级IP 66；有本安防爆、隔爆认证；过程接口为NPS 3或NPS 4法兰连
接。
· 144LD 结构原理
参见图2，LD144主要由测量部分和转换部分（放大器）组成，测量部分由浮筒及吊链、传动杆、传动芯轴/扭力管及壳体组成。浮力通过传动杆和传动芯轴/扭力管传递，工作杠杆夹持着传动芯轴并刚性连接到传感器的贴有金属薄膜应变电阻桥路的挠曲梁。一端焊在传递芯轴上的扭力管也起到隔离密封的作用。浮筒为一根两端封闭的长圆形空心金属管，用吊链挂在传动杆一端，由于有一定质量（重量），浮筒可沉浸在液体中，当液位上升时，浮筒的浸没部分增加，它所排开的那部分液体的体积也增加，因此液体
作用在浮筒上的浮力变大，测出这一浮力变化即可测出液位。液位变化引起的浮力变化改变了浮筒向下作- 带热夹套 - 分体式安装 - 左侧或右侧安装图1 144LD 型电动浮筒液位变送器 壳体 传动杆 传动芯轴/扭力管 工作杠杆 传感器外壳 浮筒（沉筒）传感器 转换部分 （放大器）图2 144LD 结构
用力（重力），通过传动杆转换为测量力矩的变化。这个测量力矩作用在传动芯轴并与扭力管的扭力矩相平衡，产生的芯轴微转角位移代表了相应的浮力（液位），微转角位移经工作杠杆将力矩放大并使施加到挠曲梁的力发生变化，应变电阻阻值随之变化，传感器有一个对应液位的测量信号给转换部
分（放大器）。0%液位时，浮筒垂直向下的重力最大，随液位升高浮力加大则浮筒重力成线性减少。转换部分主要由放大器的微处理器及电子电路和LCD/操作按键组成，作用是向传感器应变电阻桥路隔离供电并将测量信号隔离放大和数据处理，并有智能信噪处理功能，输出二线制4~20mADC 信号或连接现场总线传输数字信号，可进行组态、零点、量程、阻尼等参数调整。转换部分可和测量部分安装为一体，也可分体式安装，在用户工况需要时，测量部分可配热夹套，以防止气相介质在传动杆和传动芯轴/扭力管处凝结挂料。
· 144LD 型测量原理（图3）
· 144LD 型仪表调试
144LD 在出厂时已按订单的仪表数据调校，参数存储在变送器内，一般只在现场用变送器按键校准零点，必要时现场按键校准0%和100%或用显示器按键组态调试或HART 现场通信器、FoxCom 手操器HHT 组态调试以及通过现场总线组态调试。若仪表数据有变更或实际需要对浮筒液位变送器标定时，也可采用工作间挂砝码和现场水校法来进行。
图3 144LD 测量原理 测量范围 被测介质中的浮力特性
液位
设F 为作用在浮筒上的力
F A - 浮力
V - 浮筒的体积
V X - 在密度ρ1的液体中，被测介质置换出的介质体积
ρ1 - 液相介质/重介质密度的平均值 ρ2 - 气相介质/轻介质密度的平均值 g - 当地的重力加速度
F G - 浮筒自重（包括吊链） 图 4 外浮筒式与内浮筒式应用 盲板法兰
上海周边自驾游
表体连接法兰传感器壳体 放大器 传感器壳体 放大器
盲板法兰表体连接法兰浮筒 测量室截止阀 浮筒 带孔护管通孔
（1）挂砝码校验采用传统的模拟挂重的方法，通常是在仪表维修工作间内进行，参见图5。天涯山风景区
用挂砝码校验时，是将浮筒取下后，在传动杆上挂上砝码托盘，置与各校验点对应的某一质量的标准砝码，来模拟不同液位时浮筒（包括挂链）所产生的重力与该校验点所受的浮力之差，通常被测液位的气相介质密度相比液相介质密度小很多，浮筒在气相中的浮力可忽略不计。挂砝码遵循：挂重砝码的重力等于浮筒自身包括挂链的重力减去液位浮力，还要考虑减去挂砝码托盘的重力。即：
m 砝码·g = m 浮筒·g - V ·ρ·g - m 托盘·g
数学培优新方法式中：浮筒体积V = ¼ d 2 ·π· L [cm 3] ； d =浮筒直径[cm]； L =有效测量长度[cm]； ρ=被测介质密度[kg/m 3]。
因为要采用法定计量单位，不再用比重γ和重量，而使用重力（单位牛顿N ），重力是质量m 与标准重力加速度g 的乘积。上式两边各项都有g ，可约掉g 计算。要注意认真核对浮筒的直径d 、测量范围L 、体积V 和介质密度ρ及用天平称准浮筒自身（包括挂链）的质量。
校验时先算出0%液位时要加的砝码质量，为浮筒包括挂链的质量减去挂砝码托盘的质量之后的值，再算出浮力V ·ρ·g ，相当于V ρ的物体质量（㎏）所产生的重力，对应的砝码质量值为V ·ρ值，然后算出25%、50%、75%、100%各点数值，并确定所加的砝码质量值m 砝码。
0% 时F 0 =0% m 砝码0 = m 浮筒-m 托盘 [㎏]
25%时F 25=25% ·V ·ρ·g m 砝码25 = m 浮筒-m 托盘- F 25/g [㎏]
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50%时F 50=50% ·V ·ρ·g m 砝码50 = m 浮筒-m 托盘- F 50/g [㎏]
75%时F 75=75% ·V ·ρ·g m 砝码75 = m 浮筒-m 托盘- F 75/g [㎏]
100%时F 100= V ·ρ·g m 砝码100 = m 浮筒-m 托盘- F 100/g [㎏]
在模拟挂重0%时，用直径小于3mm 的销子或螺丝刀按压变送器壳体右侧孔中0%按键长于5秒时间来调零；在模拟挂重100%时，按压变送器壳体左侧孔中100%按键长于5秒时间来调最大输出（量程）。
李学鹏
（2）水校法一般适用现场校验标定外浮筒式或
充液较方便的内浮筒式，利用连通器原理，接出标有长度单位的连通管。充放水校验。水校法操作时要注
意必须使浮筒室或过程容器上部通大气，这样才能使连通管形成有效连通。
（3）变送器按键校准
现场按键校准使用变送器壳两侧的0%（右侧）和100%（左侧）按键。向上升起键保护盖后，用直径小于3mm 的销子或螺丝刀插入孔中，按压按键。
自创诗歌在挂好浮筒后的空液位时，若校准浮筒挂重的零
144LD 图5 挂砝码校验图 图6 144LD 变送器按键 外调整按键 100%按键0%按键
电脑键盘按键
壳内按键 NEXT 键
ENTER 键
点，按压右侧0%按键小于3秒即可，此时变送器转换部分记录下浮筒挂重的内部信号值。
当实际液位在0%时，若校准输出零点，按压右侧0%按键要长于5秒，此时输出为4mADC ； 当实际液位在100%时，按压左侧100%按键要长于5秒，此时输出为20mADC 。
若需现场按键调整阻尼（可调范围0-32秒，缺省值为8秒）时，要按压左侧100%按键小于3秒，此时LCD 显示器上出现输出信号的阻尼时间，再按压左侧100%按键更长时间，可出现阻尼数值变化，到选定的阻尼值后松开，再瞬间按压右侧0%按键确认。
（4）显示器按键组态调试
l44LD 组态和校准也可以利用变送器上的显示器及按键来实现。图7给出主菜单，图8给出实用的“维护MAINT ”菜单。而“专用SPECIAL ”菜单可进行更高级组态，需口令进入，不提倡用户轻易进入。
E 表示按ENTER 键；N 表示按NEXT 键；E/N 表示同时按两个键 显示过程值 维护
专用
显示预定变量，如传感器温度 调用“维护”菜单 调用“特殊”菜单 图7 144LD 显示器按键和组态主菜单 图8 “维护MAINT ”菜单 E 表示按ENTER 键；N 表示按NEXT 键；E/N 表示同时按两个键 阻尼 范围 输入 输入下限数值 输入上限数值 输入阻尼数值
应用
应用下限值 应用上限值 完成
完成 故障
代用值 复位？ 完成-取消代用值 取消 等待-取消改变 保存
保存-存储改变 E E E 返回主菜单
风湿性心脏病进入“维护MAINT ”菜单
