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旋轉式磁力浮球液位計的設計

摘要: 介紹了用于測量汽車罐車及貯罐介質液面高度的裝置———旋轉式磁力浮球液位計,論述了其工作原理、結構特點及設計要點。
液位計是用于測量汽車罐車及貯罐介質液面高度的裝置。罐車充裝介質時,液位計用來測量和顯示罐車液位高度,防止超裝。近年來,對罐車液位計測量的安全性和準確性要求不斷提高,為此本文設計了一種安全可靠、操作便捷,測量精度高的旋轉式磁力浮球液位計。
 
1、工作原理:
 旋轉式磁力浮球液位計是基于浮力和磁力耦,合原理設計的 。當罐車液位發生變化時 浮球隨著液面上下浮動,并帶動傳動軸轉動,通過與其相連的磁鐵的磁耦合作用,實現計量刻度盤指針軸與浮球隨液面同步浮動,從而顯示罐車液位的高度。
 
2、結構與設計:
2. 1、結構特點:

 旋轉式磁力浮球液位計包括指針軸、法蘭座、被動磁鐵、主動磁鐵、支架、配重塊、傳動軸及浮球組件等,其結構如圖 1 所示。
 旋轉式磁力浮球液位計的法蘭座內置主動磁鐵和被動磁鐵,兩者之間設有隔斷,被動磁鐵與計量刻度盤指針軸連接,主動磁鐵與傳動軸的一端連接,浮球在罐內介質浮力的作用下產生旋轉力矩,傳動軸帶動主動磁鐵轉動,主動磁鐵在磁耦合力的作用下帶動被動磁鐵同步旋轉,從而實現液位測量。本設計與其他液位計相比,避免了浮球轉動時傳動軸旋轉不靈活的現象,提高了測量的準確性。
 由于旋轉式磁力浮球液位計應用于易燃、易
 圖 1	旋轉式磁力浮球液位計結構
 
圖 1 旋轉式磁力浮球液位計結構
爆介質的罐車上,其操作與測量過程中不能發生任何形式上的泄漏,因此對法蘭座和浮球的強度符合性能要求較高。
 
2. 2、法蘭強度校核:
 旋轉式磁力浮球液位計的法蘭座采用螺栓與罐車凸緣相連接,法蘭座必須保持足夠的強度與密封性,以確保其正常工作狀態下的使用安全。法蘭強度校核的計算公式為
 D21 
σw = KP ( SB  C) 2 ( 1) 式中: σw 為法蘭座彎曲應力,MPa; K 為法蘭座形狀系數; P 為法蘭座設計壓力,MPa; D1 為法蘭座螺栓孔中心圓直徑,mm; SB 為法蘭座實際厚度,mm; C 為法蘭座腐蝕余量,mm。
   根據實際工況條件,法蘭座的形狀系數為0. 18,設計壓力為 2. 5 MPa,螺旋孔中心圓直徑為190 mm,實際厚度為 26 mm,腐蝕余量為 3 mm。
將實際工況條件代入式 ( 1) 中,計算得出法蘭座的彎曲應力為 30. 71 MPa,滿足 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼法蘭座的彎曲應力要求 。
 
2. 3、浮球強度校核:
 旋轉式磁力浮球液位計的浮球組件由浮球體及接管組成,在罐內介質的作用下,浮球內部必須保證有足夠的強度。 
根據浮球的受力狀態和工作原理,浮球強度計算公式為
 

P = 0. 083 3E ( 2)
  ( R0 / δn ) 2  

 
式中: P 為浮球球殼的許用外壓力,MPa; E 為設計溫度下浮球材料的彈性模量,mm; R0 為浮球球殼外半徑,mm; δn 為浮球球殼的名義厚度,mm。
 根據實際工況條件,設計溫度下浮球材料的彈性模量為 1. 93 × 105 MPa,浮球球殼外半徑設計給定為 75 mm,浮球球殼的名義厚度設計給定為
1 mm,將實際工況條件代入式 ( 2) 中,計算得到球殼許用外壓力為 2. 86 MPa,而球殼的設計壓力, [3]2. 5 MPa 因此浮球強度滿足標準要求 。
 
3、材料選取:
 旋轉式磁力浮球液位計的材質與罐體的工作壓力、溫度、裝載介質有關; 與罐內介質接觸的液位計的法蘭座、支架、傳動軸、浮球組件等零部件,必須具有良好的耐腐蝕性能,且為非磁性材料。因此,在運輸液化氣、液氨、煤油、柴油等介質時,支架、傳動軸、浮球組件等選用12Cr18Ni9 不銹鋼。密封在法蘭座內部的主動磁鐵和被動磁鐵選用耐溫較高的 N36H 釹鐵硼永磁材料,以提高其耐溫性能,使磁耦合力更加可靠。
 
4、結語:
 旋轉式磁力浮球液位計的設計利用了機械傳動和磁力耦合原理,實現了不漏液對罐車介質液位的測量,避免了浮球轉動時傳動軸旋轉不靈活的現象,提高了測量的準確性。設計結構簡單合理、操作直觀、使用安全可靠。

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