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浮力式液位檢測儀表
應(yīng)用浮力原理檢測物位，是利用漂浮于液面上的浮標(biāo)或浸沉于液體的浮筒，對液位進行測量的。當(dāng)液位變化時，前者產(chǎn)生相應(yīng)的位移，而所受到的浮力維持不變，后者則發(fā)生浮力的變化，因此，只要檢測出浮標(biāo)的位移，或浮筒所受到的浮力的變化，就可測知液位的高低。
據(jù)上述可知，浮力式液位檢測儀表可分為兩種。一種是恒浮力式液位計，屬于此種液位計的有浮標(biāo)式、浮標(biāo)式等，它們的檢測元件（浮球或浮標(biāo)）隨液位計的變化而上下浮動，通過檢測出檢測元件（浮球或浮標(biāo)）隨液面變化產(chǎn)生的位移量進行液位檢測；另一種是變浮力式液位計，屬于此種液位計的有浮筒式液位計，其檢測元件（浮筒）浸沒在液體之中。液位變化時，其檢測元件（浮筒）因浸沒在液體之中的深度不同而受到不同的浮力，通過檢測浮筒所受浮力的變化進行液位的檢測。
浮力式液位計的特點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，工作可靠，不易受外界環(huán)境的影響，維修較簡便，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用；但因大多數(shù)儀表有可動部件，故易產(chǎn)生磨損、腐蝕等，甚至使機械部分卡死等現(xiàn)象，因此在使用中應(yīng)充分引起注意。

恒浮力式液位檢測儀表
1.浮標(biāo)式液位計
圖3-8為浮標(biāo)式液位計的原理示意圖，浮標(biāo)為一空心的金屬或非金屬的盒子，將浮標(biāo)用繩索連接并懸掛在定滑輪上，繩索的另一端掛有平衡重物。當(dāng)液位不變是，浮標(biāo)的重力與浮標(biāo)所受液體的浮力之差和平衡重物的重力相平衡時，其平衡關(guān)系式為：
W-F=G
式中：
W--浮標(biāo)的重力，N；
F--浮力，N;
G--平衡重物的重力，N;

當(dāng)液位上升時，浮標(biāo)所受的浮力F增加，則有W-F＜G,原來的力平衡關(guān)系被破壞，浮標(biāo)沿著導(dǎo)軌隨液位向上浮動，在浮標(biāo)向上移動的同時，浮力F將逐漸下降，W-F將逐漸增加，直到W-F重新等于G時，浮標(biāo)便停留在新的液面位置上；反之亦然，從而實現(xiàn)了浮標(biāo)對液位的自動跟蹤。由于式（3-7）中浮標(biāo)的重量W和平衡位置的重物的重量G均為常數(shù)，因此浮標(biāo)停留在任意高度的液面上時，浮力值F都不變，故稱此法為恒浮力法。
此種測量方法簡單，多數(shù)用于敞口容器中液位的檢測，也可以用于密閉容器中液位的檢測，通過磁性連接的方式將浮子隨液位變化產(chǎn)生的位移傳遞出去，其檢測系統(tǒng)如圖3-9所示。浮標(biāo)式液位計的缺點是，由于滑輪與軸承之間存在著機械摩擦，懸掛鋼絲受熱拉長及齒輪間隙等因素，將影響其測量精度。


2.浮球式液位計
對于溫度、黏度較高，而壓力不太高的密閉容器內(nèi)的液體介質(zhì)的液位檢測時，一般可采用浮球式液位計，其檢測系統(tǒng)如圖3-10所示。檢測元件浮球1有銅或不銹鋼制成，同構(gòu)連桿2與轉(zhuǎn)軸3相連，轉(zhuǎn)軸3的另一端與容器外側(cè)杠桿5相接，杠桿上加裝平衡錘4，從而組成了以轉(zhuǎn)軸3為支點的杠桿、角轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，來進行其液位的檢測。系統(tǒng)一般要求，在浮球的一般浸入液體時，實現(xiàn)系統(tǒng)的力矩平衡。這是因為因為變化Δh所引起的浮力變化最大，浮球位置變化最靈敏，從而提高了儀表的靈敏度。

當(dāng)液位升高或降低時，系統(tǒng)的力矩平衡將被破壞，因而浮球也要隨之升高或降低，直至達到新的平衡。若在轉(zhuǎn)軸3的外端掛以指針，如圖3-10a所示，便可從輸出的角位移中知道液位的高低。
浮球式液位計，可將其檢測元件浮球直接裝在容器內(nèi)部（內(nèi)浮球式），如圖3-10a所示。當(dāng)容器直徑很小時，可根據(jù)聯(lián)通原理，在容器外側(cè)設(shè)置一浮球室與容器相連通（外浮球式），如圖3-10b所示。外浮球是結(jié)構(gòu)，其特點是便于維修，但不適用于黏稠或易結(jié)晶、易凝固的液體的檢測；而內(nèi)浮球式液位計則不受其影響。
由于浮球式液位計的結(jié)構(gòu)與浮標(biāo)式液位計的結(jié)構(gòu)相比要復(fù)雜，需要用軸、軸套、填料密封等構(gòu)件組成，這樣才能達到既保證密封又能將浮球的位移傳遞出去，因此在進行安裝、檢修時應(yīng)充分考慮摩擦、潤滑以及介質(zhì)對儀表各部件的腐蝕等問題，否則將會給測量造成很大的誤差。另外，應(yīng)特別提出的是，浮球杠桿轉(zhuǎn)動軸等各部件的連接應(yīng)該做到既牢固又靈活，以免日久天長，發(fā)生浮球脫落釀成嚴(yán)重事故。
在使用時應(yīng)該經(jīng)常檢查并清理浮球表面上的沉淀物或結(jié)晶的物質(zhì)，當(dāng)無法進行清理時，則需重新調(diào)其平衡錘的位置。對腐蝕性介質(zhì)測量時必須注意檢查元件的防腐處理，并定期進行檢查，以保證必要的測量精度。

變浮力式液位檢測儀表
當(dāng)物體被液體浸沒的體積不同時，所受的浮力也不同，因此，可以根據(jù)物體所受浮力的大小來測得物體被浸沒的高位（液位），故稱為變浮力式液位計。浮筒式液位計正是根據(jù)這一原理制成的液位計檢測儀表，它主要由變送器和顯示儀表兩部分組成。液位計因不用軸、軸套、填料等進行密封，故他能測量較高壓力的液體介質(zhì)的液位，最高可達32MPa。檢測元件浮筒的長度決定了儀表的量程，一般為300~2000mm。
浮筒式液位計由液位傳感器和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
液位傳感器的檢測元件，是一沉浸與液體之中的浮筒，一般使用不銹鋼制成的空心長圓柱體，被垂直地懸掛在被測介質(zhì)之中，測量過程中位移極小，不漂移在液體表面上，故也稱為沉筒。浮筒在液體中的浮力是用扭力管的扭力來平衡的。
如圖3-11所示，檢測元件浮筒1垂直地懸掛在杠桿2的一端，杠桿2的另一端與扭力管3、芯軸4的一端垂直固接在一起。扭力管的另一端通過法蘭固定在儀表外殼5上。芯軸4的另一端呈自由狀態(tài)作為傳感器的輸出，它的輸出信號時機械角位移θ。

當(dāng)液位為零時，即浮筒浸入液體中的深度為零，浮筒的全部重量W作用在杠桿上，此時扭力管上扭力矩最大，同時產(chǎn)生的扭角最大，一般為7°左右，即
作用在杠桿的力 F0=W
扭力矩 M0=F0l
扭角
式中
M0--作用在扭力管上的扭力矩；
d1、d2--分別為扭力管的內(nèi)徑和外徑；
l--浮筒中心到扭力管中心的距離；
F0--杠桿左端受到的力；
k--扭力管的橫向彈性系數(shù)；
L--扭力管的長度。
當(dāng)液面上升，高于浮筒的下端，上升液位為H時，作用在杠桿上的力，變?yōu)楦⊥驳闹亓縒與浮筒所受浮力之間的差值。隨著液位的逐漸升高，扭力矩逐漸減小，扭力管輸出的扭角也相應(yīng)減小，當(dāng)在最高液位時，扭角最小，一般為2°，即
作用在杠桿的力 F1=W-A(H-X)ρg
由于X是正比于H，所以其中X=kH,故上式可改寫為
F1=W-AH(1-k)ρg
扭力矩：M1=F1l

由此可知，Δθ與液位H成比例關(guān)系，式中負(fù)號說明，液位變化越高，則扭角越小。
浮筒式液位計的轉(zhuǎn)換器按其傳輸信號的不同，可分為兩類：即氣動式和電動式。

1.電動浮筒式液位計的轉(zhuǎn)換器
圖3-12b是霍爾變換裝置的示意圖。在扭力管的芯軸上固定一個推板3，當(dāng)芯軸轉(zhuǎn)角變化Δθ時，芯軸便帶動推板3推動推桿4，并使支撐件5轉(zhuǎn)動一個與液位計H相對應(yīng)的角度，使霍爾片沿著固定弧線移動。由于芯軸在液位變化的全量程范圍內(nèi)輸出的角位移量很小，因此可把霍爾片在磁場中的移動視為一直線位移Δx，即
Δx=k2Δθ
式中 K2--轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由于霍爾片所處的磁場是一個磁感應(yīng)強度B與位移x成比例的線性磁場，其原理如圖3-12c所示，因此霍爾片的輸出電勢VH與其位移Δx成線性關(guān)系。即
VH=K3Δx
式中 K3--轉(zhuǎn)換系數(shù)
在儀表量程范圍內(nèi)，位移Δx約為1.5mm，輸出電勢VH約為10mV DC.
毫伏-毫安轉(zhuǎn)換器將霍爾輸出電勢VH轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，以便于其他控制儀表、顯示儀表等配套使用。其轉(zhuǎn)換原理如圖3-13所示，圖中放大器包括調(diào)制、交流放大、整流和功率放大等部分?；魻栕兯推鞯妮敵鲭妱菖c反饋電壓UB比較后，將其差值調(diào)制成交流信號，并經(jīng)交流放大、整流和功率放大后，輸出一標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA直流電流信號。

由圖3-13可知，放大器的輸出和輸入的關(guān)系為：
I0(RH+R1)=K4(VH-UB)
I0=K4(VH-UB)/(RH+R1)
式中 K4--轉(zhuǎn)換器的并環(huán)放大倍數(shù)。
其中的反饋電壓
UB=I0R1(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5R0
式中 K5--反饋系數(shù)，(RW1+RW2)/(R2+RW1+RW2)=K5
電路圖中的電位器RW1\RW2可用來修正介質(zhì)的密度，改變儀表的量程和調(diào)節(jié)儀表的滿度值。

2.氣動浮筒式液位計的轉(zhuǎn)換器
氣動轉(zhuǎn)換器與電動勢的區(qū)別在于，扭力管芯軸轉(zhuǎn)角Δθ的運動傳給擋板以控制噴嘴，并輸出氣動標(biāo)準(zhǔn)信號，如圖3-14所示。

氣動儀表是自動化儀表中的一個重要類型，特別適用于防爆要求嚴(yán)格的煉油化工等工業(yè)部門。能源是壓力穩(wěn)定干凈的壓縮空氣，其傳輸信號為20~100kPa.氣動儀表的核心部分為噴嘴擋板機構(gòu)，氣動放大器，杠桿機構(gòu)。噴嘴擋板機構(gòu)將檢測環(huán)節(jié)輸出的微位移δ轉(zhuǎn)換成噴嘴背壓PB變化，經(jīng)氣動放大器將較小的PB變化放大為20~100kPa的p0輸出，同時，p0通過負(fù)反饋波紋管作用到杠桿機構(gòu)上，與檢測信號在杠桿上達到力矩平衡，使儀表的輸出p0與輸入的被測變量一一對應(yīng)。

3.智能浮筒式液位計
智能浮筒式液位（界面）變送器是電動浮筒液位計變送器的更新?lián)Q代產(chǎn)品，如圖3-15，塔是可通信的，以處理器為基礎(chǔ)的液位、界面或密度檢測儀表。除提供4~20mA的電流信號外，還疊加了符合通信協(xié)議的數(shù)字信號?？梢院芊奖愕厥褂檬植倨?，獲得來自過程、儀表或傳感的信息，可查詢、組態(tài)、標(biāo)定或測試。利用通信協(xié)議，來自現(xiàn)場的信息可下載到控制系統(tǒng)中，按單個回路的信息接受。