中国浮筒液位变送器的反思

　　1985年前后北方一家仪表厂，发挥自己生产DDZ-Ⅲ变送器的优势，将DDZ-Ⅲ差变的矢量机构机芯横装，增加了牵移弹簧机构，推出杠杆式力平衡二线制电动浮筒液位变送器。填补了国内DDZ-Ⅲ系列中浮筒液位变送器的空白，并迅速装备了国内许多石化企业，成为当时液位测量变送的重要产品。

　　该电动浮筒液位变送器的结构特点：内杠杆吊挂内筒传递浮力，轴封膜片做支点并进行压力隔离，外杠杆感受浮力并绕支点发生微小偏转，其端部产生一定的位移，这一位移代表液位的变化范围，浮筒自重引起的位移由与外杠杆端部相连的牵移弹簧的弹性变形来平衡抵消。电动浮筒的这一位移由矢量机构差动变压器‘互感’感应片检测，可动电磁线圈进行反馈定位。这是一个非常重要的概念，正是由于负反馈闭环机构的引入，保证了这个位移检测过程品质优良、平稳可调，使仪表可靠工作。这一特点是其它传感器不具备的。但是，仪表较大的体积、复杂的结构及维护工作量不适应生产现场需要，而需要更好的电动浮筒液位变送器，更需要国内尽快开发出技术先进、价格合理的电动浮筒液位变送器。

　　于是，有很多人想到用技术成熟的称重传感器代替矢量机构生产电动浮筒液位变送器,1993年前后，收到南方某仪表厂散发的这种浮筒的说明书，而后陆续收到其它厂家类似资料，各家的文字相同或相近、插图照搬，再后来又有许多厂家加入生产这类仪表行列，实践应用证明，此表可用，但，算不上得心应手，工艺生产出现波动故障时，要求检查液位，现场仪表工人对五个调整点(2个弹簧1个触头2个电位器)，不知如何处理（各厂家的说明书对此问题也没有详细叙述，只是一带尔过），忙乱中出手，一旦超调，短时间难以恢复，遇此情况，往往脱口即出‘表不好使！找厂家去！’致使厂家售后服务负担加重。现场出现的现象就是厂家的课题，对此，许多厂家出于经济利益，表现出规避放弃不再投入的态度，对出现的问题没有进行深入研究而停止生产此种仪表了，转而进口Fisher、Foxboro/Eckardt、Masoneilan等表头组装浮筒，致使整机成本高利润低。

　　对于这种现象，中国物位仪表专业委员会秘书长李竞武先生在“中国仪器仪表”杂志2007.9发表了“物位测量新技术及我国物位仪表行业概况”的文章，关于电动浮筒液位变送器是这样描述的，“---国内长期生产多年，但性能差---有些企业采用国内外相结合---购买国外知名品牌的电子转换部分---这种方式将会维持一段时间”。七八年过去了，没有多大变化！还要维持多久？作为现场仪表的使用维修者，也在观察思考这个问题；内筒、内杠杆、膜片、外杠杆、弹簧、测力传感器，那个会有问题？前几个是从DDZ-Ⅲ脱胎的，只有传感器变了，试着在传感器上直接挂内筒，在水桶中测量液位，试验效果非常好，完全适应。值得注意的是：称重传感器是测力的，它的输出电压与其上所受力成比例。它没有闭环系统的负反馈环节，属于开环计量检测。传感器与弹簧都遵循胡克定律，弹簧的变形是可视的，变化量以毫米计，而称重传感器的变形是不可视的微应变，一微应变是百万分之一的变化率，二者相差千、万倍！传感器满载应变量只有几千个微应变，它与弹簧必需通过恰当环节驳接，才能稳定工作。这说明杠杆、弹簧、传感器的驳接有问题，三者之间兼容范围小互相包容的范围太小，它组成的系统不稳定。

　　弹簧的变化率包含了传感器的变化率，但传感器的变化率只占对方的千、分之几，仪表没有稳定工作点。弹簧的变量是长度，与杠杆位移刚好兼容，传感器测力时，受力端产生极微小位移，称为“挠度”，传感器技术指标中无叙述，可计算，量非常小，与弹簧位移相比只占百分之几，兼容范围很小。因此，不能用处理矢量机构的方式匹配称重传感器，而是要在传感器、杠杆、弹簧三者之间建立有效环节，处理好并保证液位-浮力-位移-应变顺利发生与传递，（详见下图）办法是（1）合理选择弹簧长度、刚度及驳接位置：

　　将一个拉伸式下牵引弹簧6连接在外杠杆4和基座5之间，调整弹簧力来平衡内筒1自重，保证杠杆水平位置，弹簧调整好以后漆封不动，只在更换内筒时才再调整,如果内筒的体积重量在所有测量范围内都相等，这个弹簧也可以是固定的。再强调这个弹簧的作用是保证杠杆完全水平，调整后可漆封不动。另一上牵引弹簧7也为拉伸弹簧，駮接在外杠杆4与固定在基座上的传感器8上（原产品上下弹簧都接在杠杆和基座间，形成差动连接，作用只相当一个弹簧），它的作用是将外杠杆4绕膜片支点3偏转后，外杠杆4端部的位移转换成力传递给称重传感器8，在调整杠杆水平时，弹簧7放松不参与工作。此时下弹簧6收缩而上弹簧7拉伸，弹簧7产生的力传递给称重传感器8，在杠杆水平时调整上弹簧（此时两个弹簧力稍有牵制），使传感器输出大于零输出0.5-2mv左右（给传感器加预应力），此弹簧调整好后也漆封，并说明只在更换传感器时才再调整！

　　原产品传感器量程为5kg，内筒能产生1kg左右的浮力只能使传感器工作在20%工况，改变驳接方式后，可以选用量程稍大于最大浮力的传感器，使其工作在85%以上工况。这种配置性调整后，仪表只剩2个电位器（Z,S）可调点。可以在实验室挂重校验，也可以现场在线调整仪表：关闭上下根阀—开启放空排污二阀—浮筒室内无介质—内杠杆承受内筒重1.5Kg—下弹簧拉伸平衡内筒自重--保持杠杆水平—上弹簧微拉伸—传感器承受预应力—调整零点电位器Z—仪表输出4mA--关闭排污阀—微开下根阀—介质慢慢进入浮筒室后在放空阀溢出—马上关闭下根阀—浮筒室内充满介质—内杠杆承受浮筒自重与全浮力的差值—杠杆偏离水平—弹簧6收缩7拉伸—传感器8承担全浮力输出mV增加--调整量程电位器S—仪表输出20mA--关闭放空阀—开启上下根阀—稳定后仪表显示正常液位。实行这种操作方法的人员要有足够现场经验，操作一般无需反复。这样，出现于上世纪90年代、中国特有的二线制杠杆式电动浮筒液位变送器就完善了。这种浮筒另外一个优点是内筒测量不灵敏区（空液位与满液位时内筒垂直位置相对变化量）很小，使用时更可以得心应手了，成为完全自主知识产权的真正的“中国浮筒”!会在中温、中压场合大派用场，大幅度降低运行成本。相信有眼光的厂家还会大显身手，完善旧业，为振兴民族仪表的“中国浮筒”继续努力。

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