機械式浮球液位開關的相關研究

    摘 要：隨著科技水平的迅速發展，工業水平得到更加廣闊的發展前景，并且將機械式浮球液位開關應用在日常的工作中。基于此，本文將具體闡述機械式浮球液位開關的基本原理，并以應用優勢、應用效果為切入點，深入探究機械式浮球液位開關的具體應用，旨在能夠全面掌握機械式浮球液位開關的相關技術，便于充分發揮其自身的作用，為我國工業的穩定發展提供技術保障。

    機械式浮球液位控制系統，主要用于地坑、水箱、蓄水池等設備的自動補液（或排液）中，通過無腐蝕性液體作為介質，能夠將其應用在對液位控制要求相對較低的且密封性要求不高的容器中。基于調查發現，機械式浮球液位開關在應用的過程中存在很多問題，如使用壽命短、故障率高、維護成本高、售價高等問題，所以需要加大對該控制系統的研究，盡可能解決當前存在的問題，zui大程度地提高經濟效益。

1 機械式浮球液位開關的原理與類型

1.1 設計原理

    就機械式浮球液位開關設計的理論基礎而言，主要是源于阿基米德原理進行開發、設計的，也就是說物體在液體中會受到向上的浮力，而其浮力的實際大小與物體排開液體所受重力相等。公式表達為：F 浮 ＝G 液排 ＝ρ 液 gV 排 ，其中V代表排開液體的實際體積。在物體從下逐漸上浮時，其所受力的大小為：ρ 物＜ρ 液 且F 浮 ＞G 物 。而在物體從上向下沉時，其所受力的大小為：ρ 物 ＞ρ 液 且F 浮 ＜G 物 。

    因此，根據上述的理論基礎，機械式浮球液位開關設計的設計原理為：在設計機械式浮球液位開關時，其開關結構如圖1所示。基于阿基米德原理為本控制系統的原理基礎，則當浮球浮力的大小比浮球、推力桿重力大時，則控制系統的浮球就會跟隨液位而上下浮動，并將浮球、推力桿連接起來，從而使系統推理桿也隨著液位、浮球發生浮動。另外，當液位的高度大于開關的動作時，輸出開關量的信號至控制回路啟動抽液泵運行；反之，當液位的高度低于開關的動作時，輸出開關量的信號至控制回路停止補液泵運行（如圖1所示）。

    下圖為機械式浮球液位開關的運行原理：

1.2 開關類型

    目前，機械式浮球液位開關主要包括以下幾種類型：

    （1）不銹鋼浮球開關。對于通用型的開關而言，主要包括水平、豎直兩種裝置，并采用100VA簧片或者1路30VA完成輸出，對于輕質油、稀釋化學品、潔凈水的液位探測結果較為準確，其所使用的介質zui好為食用油。不銹鋼液位傳感器需要安裝在罐壁上，或者安裝在儲罐內，主要用于低液位報警、高液位報警。

    （2）連桿浮球液位開關。該開關能夠對稀釋化學溶劑、潔凈的水、輕質油的液位進行準確的探測，其zui大的量程為2.44米。連桿浮球液位開關的輸出為1-5路簧片，同時集成接線終端存在與其一體式的集裝接線盒中。其中，連桿浮球液位開關的部件材質均為不銹鋼，從而滿足高壓、高溫的測量環境。

    （3）磁浮球液位開關。該開關常常用于儲罐液位的測量中，其自身沒有外接電源，并且進行了防爆設計，能夠應用在不同的環節之中。

    （4）側裝浮球開關。與磁浮球液位開關相似，基本上用于儲罐液位的測量中，且沒有外接電源，但是具備防爆設計，普遍適用的浮球液位開關 [1] 。

2 機械式浮球液位開關的實際應用

2.1 優勢與不足

    目前在市場能夠見到的液位開關多數是干簧管結構液位開關，這種液位開關的優勢和不足都較為明顯。其優勢主要表現為： （1）干簧管液位開關的材料自身重量較輕、體積較小，能夠適用于多種情況； （2）干簧管液位開關的安裝較為容易，沒有技術難度，而且在使用過程中，干簧管液位開關動作速度快，能夠滿足一般應用需求。

    但干簧管液位開關也具有較為明顯的缺點： （1）由于干簧管的簧片和觸點都較為精致，無法處理大電壓、電流導致的簧片切換問題，大電流過熱會直接導致簧片喪失彈性。干簧管開關的容量較小，節點容易產生抖動，而且接觸電阻較大，抗突波的能力較弱。應用在交流電感電路會出現斷開逆向瞬間電流的問題，容易導致開關過載損壞，因此要對其電流進行嚴格限制，或采取繼電保護措施； （2）干簧管液位開關的故障排查包含多道工序，且需要使用AT值測試器等專用儀器進行檢測，較為麻煩； （3）在干簧管的加工過程中，會出現較大損耗，由于采用玻璃封裝，在運輸和加工過程中極易受損，進而縮短產品的使用壽命。因此，干簧管開關具有較高的脆弱性； （4）干簧管液位開關的制造成本較高，因此市面上的售價也較為昂貴。常使用的干簧管原理浮球液位開關的示意圖如圖3所示。

    浮球開關的信號線與其浮子內部的磁鐵相連接，在頁面較低時，浮子處于圖3中的1位置，在浮子內部的觸電是斷開狀態，輸出0信號。當液位較高時，浮子處于圖3中的2位置，其內部的觸點為導通狀態，此時輸出1信號。此類浮球開關的應用優勢主要包括安裝方便和容易維護等，其內部部件通過一根信號電纜進行連接，在出現故障時，將其直接拔出替換即可。但浮球開關的應用同樣具有明顯的劣勢，主要表現在： （1）重錘和浮子雖然在水面垂直吊裝，但由于水位容易出現波動，在容器內形成漩渦，會導致重錘和浮子隨水流擺動，進而導致信號誤發； （2）如果浮球開關與泵的安裝位置臨近，會使浮球和信號線絞到泵的入水口； （3）由于浮球和電纜泡在液體內，密封不嚴容易進水，導致開關損壞，或因電源短路，對控制回路造成破壞； （4）也為開關的定值調節余量較小，浮球未到2位置開關就開始動作，會導致信號誤發，泵設備頻繁啟停，容易損傷設備； （5）容器內若含有雜質，粘附在浮球上，會導致信號舉動；（6）浮球內部的磁開關壽命較短，使用年限只有6個月左右； （7）浮球液位開關的成本也較高，而且在應用過程中的維護成本較高。

2.2 應用的效果

    機械式浮球液位開關主要應用在受壓、常壓儲液罐液位的檢測中，主要是因為現場的測量信號能夠遠傳、報警，所以能夠將其應用在爆炸性氣體、腐蝕性介質、有毒介質等相對危險的場所中。同時，機械式浮球液位開關的安裝方式較為豐富，基本上可以滿足不同類型容器的液位測量要求。總的來說，機械式浮球液位開關在應用的過程中，能夠通過對泵的控制維持容器中的液位。同時，機械式浮球液位開關運行中能夠對罐進行控制，從而采集信號并控制液位，如低壓鍋爐、液壓罐、自動清洗系統、污水處理系統、油箱等。基于機械式浮球液位開關的自身優勢，其主要的應用效果包括以下幾點：

    （1）機械式浮球液位開關具有成本低、穩定性高的優勢，可以將其更加廣泛的應用在不同的行業中，從而滿足測量、控制敞開式容器液位的要求，提高測量結果的精準性 [2] 。

    （2）與基于靜磁場的浮球液位開關相比，機械式浮球液位開關的主要優勢包括：1）開關安裝的位置相對固定，即機械式浮球液位開關的固定套、浮球、推力桿在完成安裝以后，位置基本不會發生變化，同時推力桿、浮球連接在一起，同樣不會隨意擺動，確保其始終保持垂直方向；2）避免機械式浮球液位開關的電纜被液體浸泡，所以能夠在根本上避免短路問題；3）機械式浮球液位開關的浮球為不銹鋼材質，并且內部不包含任何零部件、元件，能夠有效延長其使用壽命；4）機械式浮球液位開關定值能夠根據實際進行靈活調節，并以可拆卸式行程開關連接桿的方式對液位進行更加精準的控制，減少測量的誤差，所以避免了誤發報警信號等問題；5）機械式浮球液位開關浮球處于漂浮狀態，而液體的雜質基本沉淀在液體之下，所以不會發生粘附問題，避免影響測量的精度；6）雖然機械式浮球液位開關的結構相對復雜，但是其所有的部件均為市場中常見的型號，并且價格較低，便于更換；7）由于設備的穩定性較強，所以其維護的頻次相對較低；8）機械式浮球液位開關能夠承受相對較大的電流，并能夠直接串入到二次回路之中，實現對其的控制 [3] 。

3 結語

    綜上所述，機械式浮球液位開關的原理相對簡單，對于優化傳統開關的功能具有重要意義。以此為基礎，將機械式浮球液位開關應用在具體的工作中，能夠結合實際情況自我調節，從而保證系統能夠更加穩定運行，避免發生故障而造成經濟損失。但是，由于機械式浮球液位開關還有很多需要改進的地方，因此需要相關人員加大研究力度，以便于進一步優化機械式浮球液位控制系統，為各個行業提供更加優質的技術保障。