机械式浮球液位开关的相关研究

    摘 要：随着科技水平的迅速发展，工业水平得到更加广阔的发展前景，并且将机械式浮球液位开关应用在日常的工作中。基于此，本文将具体阐述机械式浮球液位开关的基本原理，并以应用优势、应用效果为切入点，深入探究机械式浮球液位开关的具体应用，旨在能够全面掌握机械式浮球液位开关的相关技术，便于充分发挥其自身的作用，为我国工业的稳定发展提供技术保障。

    机械式浮球液位控制系统，主要用于地坑、水箱、蓄水池等设备的自动补液（或排液）中，通过无腐蚀性液体作为介质，能够将其应用在对液位控制要求相对较低的且密封性要求不高的容器中。基于调查发现，机械式浮球液位开关在应用的过程中存在很多问题，如使用寿命短、故障率高、维护成本高、售价高等问题，所以需要加大对该控制系统的研究，尽可能解决当前存在的问题，zui大程度地提高经济效益。

1 机械式浮球液位开关的原理与类型

1.1 设计原理

    就机械式浮球液位开关设计的理论基础而言，主要是源于阿基米德原理进行开发、设计的，也就是说物体在液体中会受到向上的浮力，而其浮力的实际大小与物体排开液体所受重力相等。公式表达为：F 浮 ＝G 液排 ＝ρ 液 gV 排 ，其中V代表排开液体的实际体积。在物体从下逐渐上浮时，其所受力的大小为：ρ 物＜ρ 液 且F 浮 ＞G 物 。而在物体从上向下沉时，其所受力的大小为：ρ 物 ＞ρ 液 且F 浮 ＜G 物 。

    因此，根据上述的理论基础，机械式浮球液位开关设计的设计原理为：在设计机械式浮球液位开关时，其开关结构如图1所示。基于阿基米德原理为本控制系统的原理基础，则当浮球浮力的大小比浮球、推力杆重力大时，则控制系统的浮球就会跟随液位而上下浮动，并将浮球、推力杆连接起来，从而使系统推理杆也随着液位、浮球发生浮动。另外，当液位的高度大于开关的动作时，输出开关量的信号至控制回路启动抽液泵运行；反之，当液位的高度低于开关的动作时，输出开关量的信号至控制回路停止补液泵运行（如图1所示）。

    下图为机械式浮球液位开关的运行原理：

1.2 开关类型

    目前，机械式浮球液位开关主要包括以下几种类型：

    （1）不锈钢浮球开关。对于通用型的开关而言，主要包括水平、竖直两种装置，并采用100VA簧片或者1路30VA完成输出，对于轻质油、稀释化学品、洁净水的液位探测结果较为准确，其所使用的介质zui好为食用油。不锈钢液位传感器需要安装在罐壁上，或者安装在储罐内，主要用于低液位报警、高液位报警。

    （2）连杆浮球液位开关。该开关能够对稀释化学溶剂、洁净的水、轻质油的液位进行准确的探测，其zui大的量程为2.44米。连杆浮球液位开关的输出为1-5路簧片，同时集成接线终端存在与其一体式的集装接线盒中。其中，连杆浮球液位开关的部件材质均为不锈钢，从而满足高压、高温的测量环境。

    （3）磁浮球液位开关。该开关常常用于储罐液位的测量中，其自身没有外接电源，并且进行了防爆设计，能够应用在不同的环节之中。

    （4）侧装浮球开关。与磁浮球液位开关相似，基本上用于储罐液位的测量中，且没有外接电源，但是具备防爆设计，普遍适用的浮球液位开关 [1] 。

2 机械式浮球液位开关的实际应用

2.1 优势与不足

    目前在市场能够见到的液位开关多数是干簧管结构液位开关，这种液位开关的优势和不足都较为明显。其优势主要表现为： （1）干簧管液位开关的材料自身重量较轻、体积较小，能够适用于多种情况； （2）干簧管液位开关的安装较为容易，没有技术难度，而且在使用过程中，干簧管液位开关动作速度快，能够满足一般应用需求。

    但干簧管液位开关也具有较为明显的缺点： （1）由于干簧管的簧片和触点都较为精致，无法处理大电压、电流导致的簧片切换问题，大电流过热会直接导致簧片丧失弹性。干簧管开关的容量较小，节点容易产生抖动，而且接触电阻较大，抗突波的能力较弱。应用在交流电感电路会出现断开逆向瞬间电流的问题，容易导致开关过载损坏，因此要对其电流进行严格限制，或采取继电保护措施； （2）干簧管液位开关的故障排查包含多道工序，且需要使用AT值测试器等专用仪器进行检测，较为麻烦； （3）在干簧管的加工过程中，会出现较大损耗，由于采用玻璃封装，在运输和加工过程中极易受损，进而缩短产品的使用寿命。因此，干簧管开关具有较高的脆弱性； （4）干簧管液位开关的制造成本较高，因此市面上的售价也较为昂贵。常使用的干簧管原理浮球液位开关的示意图如图3所示。

    浮球开关的信号线与其浮子内部的磁铁相连接，在页面较低时，浮子处于图3中的1位置，在浮子内部的触电是断开状态，输出0信号。当液位较高时，浮子处于图3中的2位置，其内部的触点为导通状态，此时输出1信号。此类浮球开关的应用优势主要包括安装方便和容易维护等，其内部部件通过一根信号电缆进行连接，在出现故障时，将其直接拔出替换即可。但浮球开关的应用同样具有明显的劣势，主要表现在： （1）重锤和浮子虽然在水面垂直吊装，但由于水位容易出现波动，在容器内形成漩涡，会导致重锤和浮子随水流摆动，进而导致信号误发； （2）如果浮球开关与泵的安装位置临近，会使浮球和信号线绞到泵的入水口； （3）由于浮球和电缆泡在液体内，密封不严容易进水，导致开关损坏，或因电源短路，对控制回路造成破坏； （4）也为开关的定值调节余量较小，浮球未到2位置开关就开始动作，会导致信号误发，泵设备频繁启停，容易损伤设备； （5）容器内若含有杂质，粘附在浮球上，会导致信号举动；（6）浮球内部的磁开关寿命较短，使用年限只有6个月左右； （7）浮球液位开关的成本也较高，而且在应用过程中的维护成本较高。

2.2 应用的效果

    机械式浮球液位开关主要应用在受压、常压储液罐液位的检测中，主要是因为现场的测量信号能够远传、报警，所以能够将其应用在爆炸性气体、腐蚀性介质、有毒介质等相对危险的场所中。同时，机械式浮球液位开关的安装方式较为丰富，基本上可以满足不同类型容器的液位测量要求。总的来说，机械式浮球液位开关在应用的过程中，能够通过对泵的控制维持容器中的液位。同时，机械式浮球液位开关运行中能够对罐进行控制，从而采集信号并控制液位，如低压锅炉、液压罐、自动清洗系统、污水处理系统、油箱等。基于机械式浮球液位开关的自身优势，其主要的应用效果包括以下几点：

    （1）机械式浮球液位开关具有成本低、稳定性高的优势，可以将其更加广泛的应用在不同的行业中，从而满足测量、控制敞开式容器液位的要求，提高测量结果的精准性 [2] 。

    （2）与基于静磁场的浮球液位开关相比，机械式浮球液位开关的主要优势包括：1）开关安装的位置相对固定，即机械式浮球液位开关的固定套、浮球、推力杆在完成安装以后，位置基本不会发生变化，同时推力杆、浮球连接在一起，同样不会随意摆动，确保其始终保持垂直方向；2）避免机械式浮球液位开关的电缆被液体浸泡，所以能够在根本上避免短路问题；3）机械式浮球液位开关的浮球为不锈钢材质，并且内部不包含任何零部件、元件，能够有效延长其使用寿命；4）机械式浮球液位开关定值能够根据实际进行灵活调节，并以可拆卸式行程开关连接杆的方式对液位进行更加精准的控制，减少测量的误差，所以避免了误发报警信号等问题；5）机械式浮球液位开关浮球处于漂浮状态，而液体的杂质基本沉淀在液体之下，所以不会发生粘附问题，避免影响测量的精度；6）虽然机械式浮球液位开关的结构相对复杂，但是其所有的部件均为市场中常见的型号，并且价格较低，便于更换；7）由于设备的稳定性较强，所以其维护的频次相对较低；8）机械式浮球液位开关能够承受相对较大的电流，并能够直接串入到二次回路之中，实现对其的控制 [3] 。

3 结语

    综上所述，机械式浮球液位开关的原理相对简单，对于优化传统开关的功能具有重要意义。以此为基础，将机械式浮球液位开关应用在具体的工作中，能够结合实际情况自我调节，从而保证系统能够更加稳定运行，避免发生故障而造成经济损失。但是，由于机械式浮球液位开关还有很多需要改进的地方，因此需要相关人员加大研究力度，以便于进一步优化机械式浮球液位控制系统，为各个行业提供更加优质的技术保障。