磁性液位计(模拟法)检测方法

摘要：在分析“实液法”的基础上, 提出一种新的针对磁性液位计的“模拟法”检测方法。介绍其检测过程, 探讨了通过标记V形磁铁移动距离提高测量准确度的关键方法, 并对其可行性与准确性进行实验验证。

“液位计”是测量“液位”量的仪表, 在贸易结算、安全防护、环境监测和保证产品质量中起到重要作用。众多类型液位计中, 磁性液位计因其显示直观、价廉物美和可靠耐用而被广泛应用于各种储罐与槽的液位测量[1]。

根据JJG 971-2002《液位计检定规程》的规定, 量程小于2 m的液位计一般采用实液进行检定, 量程大于2 m的液位计, 采用模拟的方法对其检定或检测[2]。同时, 安装于生产现场的部分磁性液位计, 由于客观原因无法拆卸和送检, 只能采用模拟法对其示值误差进行校准[3]。

磁性液位计主要由磁浮子、浮子腔体、磁性翻柱等组成。磁浮子内置永磁铁, 通过一块铁板使浮子表面形成以浮子轴线为轴均匀的圆环形磁场, 向外表现为一种极性[4]。

使用前, 按被测液体密度对磁浮子进行配重, 保证工作时液位面与磁浮子的磁力作用线为同一水平面。浮子腔体与被测容器连通, 浮子可在腔体内自由移动。磁性翻柱为可绕小轴灵活旋转的双色部件, 按不同磁性上下异色。

液位计工作时, 仪表下端与容器下端相连通, 上端与容器液位以上部分连通 (若容器为开放式, 磁性液位计上端连通大气) 。根据帕斯卡定律, 容器内部液体高度 (液位) 与液位计浮子腔体内液体高度 (液位) 相同。同时, 经过配重后的磁浮子半浸没于液体中, 浮力与重力相平衡。此时, 磁浮子的受力为

式中:ρ—被测液体密度;

V—磁浮子排水体积;

g—当地重力加速度;

G—磁浮子所受重力

由于浮子质量不变, 所受重力不变, 重力时刻与浮力保持平衡, 所以相应的浮力也不变, 根据式 (1) 可得, 磁浮子所排液体体积不变, 即磁浮子浸没的液位始终不变, 因此, 磁浮子的位置准确地反映了浮子腔体内液位, 也就是被测液体的液位。当液位变化时, 磁浮子的位置随之产生改变, 通过磁场吸引面板上磁性翻柱, 使其绕小轴旋转, 引起翻柱颜色变化, 读取翻柱不同颜色界线的位置, 即可读取被测液位值信息。

2 m水槽液位计标准装置 (如图1) , 用于实液法检测。

在底部连通的装置中, 2 m水槽、带有长度标准的连通观察管和被检液位计内液位相同。检测中, 先将液位计安装于支架上, 按规程要求, 液位计与水平面垂直, 偏差不大于1°, 并选择合适的检定点。调整零点, 在检定用水箱水位处于零位时, 通过调整磁性液位计高度, 调整被检零位。检定时, 通常用对准被检看标准方法:调节检定用水箱的水位, 从零开始逐渐升高水位到液位计指示的各检定点, 直至上限;然后逐渐降低水位到液位计指示的各检定点, 直至下限。期间, 分别读取上下行程中各检定点水箱的水位示值 (被检磁性液位计对准被检的判据是使检点处翻柱界线居中) 。标准值通过使用长度标准器读取管内液体凹液面底端的变化量取得。

图1 2 m水槽液位计标准装置   下载原图

1-配有长度标准的连通观察管;2-2 m水槽;3-被检磁性液位计;4-固定支架;5-连通管道

目前经常使用的模拟法检测过程为:拆卸下液位计底部法兰, 使用相应长度的钢直尺从仪表底部推动仪表内部磁浮子移动模拟水位变化。该方法成本低廉, 但在检测过程中, 没有好的读数机构对标准钢直尺读数, 并且浮子的运动与钢直尺的运动也无法完全吻合, 造成测量不确定度大的缺点。同时, 对仪表底部法兰的拆卸大大增加了该方法实际操作的难度。

针对以上情况, 提出一种操作简单、测量不确定度小和易实现的模拟方法, 检测磁性液位计示值误差、回差等性能。

本方法使用V形磁铁 (内置永磁铁的V形块) , 吸引磁浮子动作模拟液位变化。校准时, V形磁铁带动磁浮子在浮子腔内运动, 进一步带动磁翻柱翻转, 按检定规程当液位计显示液位检定点时, 使用记号笔沿V形磁铁与被检仪表的贴合面进行标记, 然后进行下一个检定点的检定。完成一次行程后, 将相应标记点间的距离作为磁浮子实际移动的距离, 使用游标卡尺进行测量, 作为标准值进行记录。

在对“实液法”的分析和介绍中可知, 磁性液位计能可靠显示液位是基于阿基米德原理和磁场作用, 其工作原理关键在于磁浮子与液面的相对位置在测量过程中始终不变, 因此在模拟法中V形磁铁与磁浮子相对位置是否改变是分析模拟法能否可行的重点。

假设磁浮子与V形磁铁均由许多微小的磁荷组成, 任意两点的作用:

式中:F—磁荷间的相互所用力;

μ0—真空磁导率;

qm1—磁浮子磁荷的磁性;

qm2—永磁铁磁荷的磁性;

r—磁荷间的距离

根据式 (2) 可知, 磁荷与磁荷 (即磁浮子与V形磁铁) 之间的相互作用力大小与距离成反比, 与带磁量即磁性成正比。当操作人员用手拖动V形磁铁, 隔着磁性液位计浮子腔拖动磁浮子时, V形磁铁受手的拖动力、重力和管壁的摩擦力共同作用 (其中手的拖动力通过磁场作用于磁浮子上) 。磁浮子受重力、管壁的摩擦力和V形磁铁的磁力共同作用。如图2所示 (受力分析中不包括与磁浮子、V形磁铁相互作用无关的力) 。

图2 模拟法受力分析示意图   下载原图

1-液位计管壁;2-V形磁铁;3-磁浮子

由此得知, 磁浮子和V形磁铁之间的吸引力仅和磁体之间的距离与磁体带磁量相关, 与其他力无关, 所以可以认为只要磁力足够大, 就可以将V形磁铁与磁浮子视为一个整体, 即在移动时, 两者之间相对位移很小, V形磁铁的运动距离即为浮子移动距离。

该校准方法中标准值通过测量永磁铁移动的距离得到。由于磁翻柱液位计准确度较低, 普通的长度计量工具 (如:钢直尺、钢卷尺) 均能满足作为标准器具的准确度要求。取得标准值时, 不确定度主要来源于对永磁铁移动位置的标记。校准中, 缓慢移动永磁铁带动磁浮子向检定点移动, 当磁浮子带动的磁翻柱显示到达计量点时, 使用V形磁铁确定磁浮子的位置并标记。V形铁是重要的圆柱体定位工具, 当它在液位计圆柱形的浮子腔体外沿轴线移动时, 只能沿轴线运动或转动, 而没有其他自由度, 所以借助V形磁铁可以保证标记之间的平行度, 帮助长度测量工具对标准值准确测量。

在本方法中, V形磁铁与磁浮子的磁场相互影响。由于仪表用途不一, 各生产厂家磁浮子充磁量标准不同, 导致各磁性液位计磁浮子的磁场特性不尽相同, 并且工作时隔着液位计浮子腔壁, 情况复杂, 磁铁与浮子之间的磁化现象很难定量。具体操作中以实际不影响仪表工作为准。建议使用磁场强度不大于400 A/m的V形磁铁进行工作[5]。

使用一台测量范围为0~1 500 mm的磁翻柱液位计作为被检仪表, 用模拟法进行校准, 与使用2 m水槽标准装置的校准结果进行比较。

首先在液位计1 000 mm处, 按文中阐述方法反复测量10次, 重复性测量数据如表1。

在相同的测量条件下, 在液位计显示1 000 mm时, 使用2 m水槽标准装置进行重复性测量, 数据如表2。

两种方法重复性接近, 使用模拟方法完全可以在不影响测量不确定度的情况下对磁翻柱式液位计进行校准。

同时, 由表1:使用模拟法检测***大示值误差为Δ=4 mm;由表2:使用实测法检测***大示值误差为Δ=5 mm;两者相差1 mm, 远小于测量不确定度 (U=5.0 mm, k=2) 。

表1 模拟法重复性试验     下载原表

表2 实液法重复性试验     下载原表

  磁性液位计作为测量液位的重要计量器具, 被广泛应用于各种生产现场。本文提出一种简单易行的模拟检测方法, 并通过试验验证在2 m内的可行性。从原理上讲, 量程大于2 m与量程小于2 m并无本质上的区别, 因此, 该方法在量程大于2 m的情况下应该也是可行的。