在石油、化工、制藥等工業(yè)企業(yè)中，會(huì)大量使用鍋爐液位計(jì)用于液位的測(cè)量與控制，鍋爐液位計(jì)儀表反應(yīng)速度快，讀數(shù)直觀方便。該儀表的工作方式基于浮力與磁耦合原理，由于在測(cè)量中存在種種影響其物理量的情況，因此普遍存在液位測(cè)量結(jié)果與實(shí)際液位存在偏差的發(fā)生，根據(jù)企業(yè)在生產(chǎn)中出現(xiàn)的鍋爐液位計(jì)測(cè)量結(jié)果偏差較大的情況予以分析，以期解決此類問(wèn)題。
一、問(wèn)題背景
在AHP（高壓加熱器）001BA（用001BA指代實(shí)際的罐）中有兩個(gè)液位測(cè)量裝置，分別為AHP001MN和AHP001LN（用001MN和001LN指代實(shí)際的測(cè)量裝置），其中AHP001MN為超聲波液位測(cè)量裝置，AHP001LN為就地顯示的鍋爐液位計(jì)，兩個(gè)液位計(jì)測(cè)量同一液位。
在工作過(guò)程中遇到了001LN測(cè)量的液位值比實(shí)際設(shè)定的液位值要高10cm，在測(cè)量通道中水溫會(huì)低于罐中的水溫，水溫下降會(huì)導(dǎo)致水的密度上升，水的密度上升會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相反的作用：①測(cè)量通道中水位下降，001LN測(cè)量值偏低；②001LN浮球有更多部分浮在水面上，造成測(cè)量值偏高。在本文中會(huì)對(duì)這一現(xiàn)象做出分析，并提出解決方案。

二、 原因分析
假設(shè)罐子的實(shí)際液位為h2，由于AHP001中為高溫高壓的水，在引出測(cè)量管線測(cè)液位的過(guò)程中，由于保溫套管或是其它方面的原因會(huì)造成001MN和001LN測(cè)量管中的水溫低于001BA中的水溫，由常識(shí)可知在壓力不變的情形下水的溫度反向作用于水的密度，在該問(wèn)題中就是由于測(cè)量端的水溫下降，測(cè)量裝置中水的液位由設(shè)定值h2降低為h1。在問(wèn)題分析中我們必須做出一個(gè)假設(shè)，那就是測(cè)量裝置001MN和001LN中的水溫是一樣的，這樣可以保證兩個(gè)裝置的水位一致。AHP001MN測(cè)量到的水位為h1，低于設(shè)定值，此時(shí)水位控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，將測(cè)量裝置中的水位提升到h2。
水位進(jìn)行調(diào)整時(shí)，將測(cè)量裝置中的水位調(diào)整到了h2，此時(shí)實(shí)際001BA中的水位為h3。設(shè)備正常工作時(shí)，在001BA中的水位究竟為多少是不可知的，我們只能假設(shè)AHP001MN測(cè)量設(shè)備非常先進(jìn)，它所測(cè)量的即為001BA中的實(shí)際液位，在測(cè)量通道的水位由于溫度下降而降低時(shí)，控制作用會(huì)增加001BA中的水，直達(dá)001MN測(cè)量的水位為設(shè)定值。而AHP001LN和AHO001MN兩個(gè)測(cè)量管道中的水位是一致的，因此不管測(cè)量管道中的溫度下降到什么程度，可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量通道的水位低于設(shè)定值，但經(jīng)過(guò)調(diào)整都會(huì)達(dá)到設(shè)定值的水位，因此測(cè)量通道的水位下降不會(huì)直接導(dǎo)致001LN液位測(cè)量值下降。
當(dāng)水溫下降，水的密度提高時(shí)會(huì)影響浮球在水中的位置，進(jìn)而影響到測(cè)量的水位。鍋爐液位計(jì)的浮球是由三節(jié)空心不銹鋼圓筒構(gòu)成，其中*上面一節(jié)圓筒中線位置含有磁性材料，它帶動(dòng)外邊磁翻板動(dòng)作，產(chǎn)生液位指示信號(hào)[1]。假設(shè)每個(gè)浮球的中心部分近似為一段圓柱，浮球按照安裝方向豎直放置時(shí)，h1為頂部浮球中心點(diǎn)，h2為液面對(duì)應(yīng)高度，Δh為兩者相對(duì)高度（Δh=h2-h1），底部到h1高度對(duì)應(yīng)浮球的體積為V1，液面高度所對(duì)應(yīng)浮球的體積為V2，兩者的相對(duì)體積為ΔV（ΔV=V2-V1），假設(shè)液面所對(duì)應(yīng)的位置處于浮球圓柱部分，則有以下公式：
由于浮球是浮在液位中的，因此滿足阿基米德原理，即物體浸在液體中排開(kāi)液體的重力等于物體浸在液體中受到的浮力，滿足公式
當(dāng)浮球在頂端中線附近浮動(dòng)時(shí)，可將浮球近似為一個(gè)圓柱體，因此由公式
將公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得：
在公式中，Δh為實(shí)際液位偏離浮球頂端中線的距離，m為浮球的重量，r為浮球的半徑，ρ為實(shí)際液體的密度。
對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際結(jié)果如下所示：
在測(cè)量的過(guò)程中，由于工具所限，在質(zhì)量測(cè)量上可能會(huì)有一定的偏差，范圍在10g以內(nèi)，我們以10g的偏差對(duì)*終的結(jié)果影響如下：
當(dāng)m=850g，ρ=860kg/m3，時(shí)，計(jì)算所得Δh=-1.8cm；當(dāng)m=840g，ρ=860kg/m3時(shí)，計(jì)算所得Δh=-2.2cm，因此測(cè)量過(guò)程中浮球質(zhì)量的精度對(duì)實(shí)際液位測(cè)量不會(huì)很大。
由于本文將浮球近似為一個(gè)圓柱體，因此只有液面在浮球軸向一定范圍內(nèi)（設(shè)為L(zhǎng)）才有效，本模型才夠適用。
為了求出密度變化的允許范圍，利用公式可得，當(dāng)-≤Δh≤時(shí)，求得液體的密度取值范圍為710kg/m3≤ρ液≤944kg/m3。各個(gè)功能位置密度ρ與浮球高度Δh如表2所示，由公式可得液體密度與相對(duì)高度的關(guān)系，如圖1所示：
橫坐標(biāo)為液體的密度，縱坐標(biāo)為浮球的相對(duì)高度，由圖可知，液體的密度越大，浮球在液面以上的部位越多，測(cè)量得到的液位值越大。
三、原因小結(jié)
①001MN測(cè)量管道的溫度低于001LN測(cè)量管道溫度，這樣可以會(huì)使001MN處液位低于001LN處，造成鍋爐液位計(jì)測(cè)量值偏高。
②001LN測(cè)量管道溫度低，液體密度升高，導(dǎo)致鍋爐液位計(jì)測(cè)量值升高。
既然測(cè)量到的鍋爐液位計(jì)總是比設(shè)定值高，此時(shí)應(yīng)采取有效措施將該液位計(jì)的示數(shù)降下來(lái)，在這里選用的是*簡(jiǎn)單的方法——給浮球增加重量。
可采用兩個(gè)不銹鋼316L圓餅，直徑3cm，高度1cm，密度8.03g/cm3每個(gè)圓餅重量約55g，將這個(gè)不銹鋼圓餅焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。
假設(shè)液體的密度為860mg/m3，此時(shí)由公式可知相對(duì)高度Δh與浮球質(zhì)量的關(guān)系如公式所示：
由公式可知，在密度確定的情況下，浮球重量每增加55g，相對(duì)高度變化1.9cm，即觀測(cè)到的鍋爐液位計(jì)指示值下降1.9cm，該情形下假如要消除10cm的測(cè)量需要掛上5個(gè)不銹鋼圓餅，但是由于原模型有-≤Δh≤的限制，為了保證精度，Δh的取值應(yīng)小于4.7cm，液體的密度為860mg/m3，浮球默認(rèn)相對(duì)高度為-1.8cm，所以總共有6.5cm的裕度，可以掛3個(gè)不銹鋼圓餅，將測(cè)量指示值拉下來(lái)5.7cm。此時(shí)若掛上*4個(gè)不銹鋼圓餅，浮球的總質(zhì)量達(dá)到1060g，而浮球的總體積（含加上去的不銹鋼鐵餅體積）約為1280ml，在密度為860mg/m3的液體下，*大浮力為1100g，在該情形下浮球基本上絕大部分浸在液體內(nèi)部，且一旦液體的密度稍作改變，浮球就有下沉的危險(xiǎn)，不適合做液位指示，倘若在浮球上加5個(gè)不銹鋼圓餅，浮球?qū)⒅苯映寥胍后w底部。
四、解決方案
可以在浮球底部焊接不銹鋼鐵餅，增加浮球重量，使浮球更多部分浸在液體中，從而降低鍋爐液位計(jì)的指示值，但是不能過(guò)多地增加浮球的重量，因?yàn)橛锌赡軙?huì)造成浮球的重力大于浮力而導(dǎo)致其直接沉入液底。