扭力管式浮筒液位计

扭力管式浮筒液位计的测量部分如图6－7所示，作为液位检测元件的浮筒1垂直地悬挂在杠杆2的左端，杠杆2右端与扭力管3以及扭力管内的芯轴4垂直紧固连接，并由固定在外壳上的支点所支撑。扭力管的另一端固定在外壳5上，芯轴的另一端为自由端，用以输出角位移。

图6－7 扭力管液位计

当液位低于浮筒下端时，浮筒的全部质量作用在杠杆上，此时作用力为

F0=W (6－8)

式中: W——浮筒的重力。

此时经杠杆作用在扭力管上的扭力矩最大，使扭力管产生最大的扭角Δθmax(约为7°)。

当液位浸没整个浮筒时，作用在扭力管上的扭力矩最小，使扭力管产生的扭角为Δθmin(约为2°)。

当液位为高度H时，浮筒的浸没深度为H－x，作用在杠杆上的力为

Fx=W－A(H－x) ρg (6－9)

式中: A——浮筒的截面积;

x——浮筒上移的距离;

ρ——被测液体的密度。

由式 (6－5) 可知，浮筒上移的距离与液位高度成正比，即x=KH，所以上式可以写成为

Fx=W－AH(1－K) ρg H (6－10)

因此，浮筒所受浮力的变化量为

ΔF=Fx－F0=－A(1－K) ρg H (6－11)

从式 (6－11) 可见液位H与ΔF成正比关系。随液位H升高浮力增加，作用于杠杆的力Fx减小，扭力管的扭角Δθ也减小。将扭角的角位移由芯轴4输出，并通过机械传动放大机构带动指针就地指示液位的高度。也可以将此角位移转换为气动或电动的标准信号，以适用远传和控制的需要。

电动信号的转换是将扭力管输出的角位移转换为4～20mA的电流进行输出。转换器电路框图如图6－8所示。主要由振荡器、涡流差动变压器、解调器和直流放大器组成。

图6－8 转换器框图

振荡器为一个多谐振荡电路，产生6kHz正弦电压，作为涡流差动变压器初级线圈的激励电压。涡流差动变压器的工作原理如图6－9所示。它是由带有短路环的动臂和差动变压器组成。动臂一端穿过铁心的空气隙，形成短路环。当芯轴带动动臂转动时，短路环在空气隙中左、右移动。铁心的中舌上绕有初级线圈，两个次级线圈分别绕在铁心的左、右臂上。初级线圈在6kHz正弦电压激励下产生交流磁通φ0，由于短路环的涡流的效应磁力线不能穿过短路环，所以铁心中舌的磁通φ0以短路环为界分成两部分。环路左侧的磁通通过左臂形成φ01，右侧的磁通通过右臂形成φ02。当中舌中的磁通分布均匀时，φ01、φ02分别与短路环左、右侧的中舌宽度成正比。

图6－9 涡流差动变压器原理图

设动臂转角变化用Δθ表示，则

式中: K——比例系数，K=0～100%。

当动臂的短路环转至中舌最左端时，K=0; 当动臂的短路环转至中舌最右端时， K=100%。由此可得

φ01=Kφ0(6－13)

φ02= (1－K) φ0(6－14)

由于次级线圈感应的电压与穿过线圈的交流磁通成正比，铁心左右两臂及两次级线圈完全对称，因此

u1=Zφ01KZφ0u2=Zφ02(1－K) Zφ0Δu=u1－u2= (2K－1) Zφ0(6－15)

式中: Z——磁通－电压转换系数

Z、φ0为定值，则Δu的变化与K值成正比。因Δθmax也为定值，则K与Δθ成正比，所以Δu的变化量与Δθ成正比。

解调器将涡流差动变压器的输出信号Δu变为直流输出U送入差分放大器U1的同相输入端，其输出电压经功率放大器Q1、Q2输出标准电流，经反馈网络送回到U1的反相输入端，实现负反馈。通过改变负反馈量的大小可以实现满度调整。