阅读说明：本技术 一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标 (Liquid level buoy for measuring interface of viscous liquid ) 是由 田中山 杨昌群 牛道东 李育特 朱航宇 唐志峰 陈会明 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标。本发明的液位浮标整体关于中心对称,包括匀质腔体和环形磁铁；所述匀质腔体为三维欧几里得几何空间下或三维罗巴切夫斯基几何空间下或三维黎曼几何空间下的任一实体,匀质腔体的中心设置有中心孔洞,液位传感器的测杆穿过中心孔洞后使得液位浮标同轴套装在测杆上；匀质腔体内为匀质环形空腔,匀质环形空腔中嵌入式地安装有环形磁铁。本发明通过减小浮标中心孔洞的边缘厚度,使得浮标与测杆之间重合面积缩小,使浮标在高粘度液体中与测杆做相对运动时粘滞力减小,运动更加自由顺畅。浮标采用匀质空腔,可增大浮力。在中心孔洞处放置一环形磁铁,可为液位传感器提供稳定的磁场。(The invention discloses a liquid level buoy for measuring a viscous liquid interface. The whole liquid level buoy is symmetrical about the center and comprises a homogeneous cavity and an annular magnet; the homogeneous cavity is any entity under a three-dimensional Euclidean geometric space or a three-dimensional Robacco-Techsky geometric space or a three-dimensional Riemann geometric space, a central hole is formed in the center of the homogeneous cavity, and a measuring rod of the liquid level sensor penetrates through the central hole to enable the liquid level buoy to be coaxially sleeved on the measuring rod; the homogeneous cavity is internally provided with a homogeneous annular cavity, and an annular magnet is embedded in the homogeneous annular cavity. According to the invention, the edge thickness of the central hole of the buoy is reduced, so that the overlapping area between the buoy and the measuring rod is reduced, the viscous force of the buoy is reduced when the buoy and the measuring rod move relatively in high-viscosity liquid, and the movement is more free and smooth. The buoy adopts a homogeneous cavity, so that the buoyancy can be increased. A ring magnet is arranged at the central hole and can provide a stable magnetic field for the liquid level sensor.)

一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标

技术领域

本发明属于石油天然气

技术领域

的一种液位浮标，具体涉及了是一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标。

背景技术

粘度是物质的一种物理化学性质，定义为一对平行板，面积为A，相距dr，板间充以某液体；今对上板施加一推力F，使其产生一速度变化度所需的力。由于粘度的作用，使物体在流体中运动时受到摩擦阻力和压差阻力，造成机械能的损耗。由于液体的粘性将此力层层传递，各层液体也相应运动，形成一速度梯度du/dr，称剪切速率，以r′表示。F/A称为剪切应力，以τ表示。剪切速率与剪切应力间具有如下关系：

(F/A)＝η(du/dr)

此比例系数η即被定义为液体的剪切粘度(另有拉伸粘度，剪切粘度平时使用较多，一般不加区别简称粘度时多指剪切粘度)，故η＝(F/A)/(du/dr)＝τ/r′。粘度较高的物质，比较不容易流动；而粘度较低的物质，比较容易流动。

当前使用浮标或者浮球的液位传感器在粘稠液体中测量液位时，特别是在焦油、原油等液体中，因为浮标或者浮球多为球体或圆柱体，测杆从浮标或者浮球中轴穿过，浮标或者浮球与测杆之间存有一段狭长的圆筒形重合区域。这个重合区域内充满了粘稠液体，这个重合区域内的测杆和浮标之间的关系可以看作两块水平板，根据上述公式，力F的大小正比于每块板的运动速度u和面积A，而反比于两板之间的距离。而现有设计中，为了保持平衡，测杆通过的是浮标或者浮球的中轴线，测杆与浮标重合区域的面积A为最大，而为了浮标或者浮球的准确位置，浮标与测杆的间隙要尽可能小，对于液位传感器而言，浮标尽可能紧挨测杆，即两板间的距离趋向于最小。现有浮球设计，造成在同等粘度的液体中，力F趋向于最大。实际应用中造成的结果就是浮标反应灵敏度下降，不能及时反映液面水平变化。更加常见的是最终因力F过大而把浮球彻底粘在测杆上，液位传感器彻底失效，整体会造成很多损失。

发明内容

为了解决背景中存在的问题，克服现有技术存在的缺陷，本发明设计了一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

所述液位浮标整体关于中心对称，包括匀质腔体和环形磁铁；所述匀质腔体为三维欧几里得几何空间下或三维罗巴切夫斯基几何空间下或三维黎曼几何空间下的任一实体，匀质腔体的中心设置有中心孔洞，液位传感器的测杆穿过中心孔洞后使得液位浮标同轴套装在测杆上；匀质腔体内为匀质环形空腔，匀质环形空腔中嵌入式地安装有环形磁铁。

沿半径向匀质腔体中心方向，所述匀质腔体中部的轴向厚度逐渐减小，匀质腔体的中心孔洞处的轴向厚度最小。

所述匀质腔体的中心孔洞在水平面的投影形状为二维欧几里得几何空间下或二维罗巴切夫斯基几何空间下或二维黎曼几何空间下的任一封闭圆形曲线围成的图形。

所述匀质腔体的材质为金属或者塑料。

所述匀质腔体的外表面涂敷或喷涂或电镀有锌、铬、镍、金、钯、铑、生漆、漆酚树脂漆、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青漆、呋喃树脂漆、聚氨基甲酸酯漆、无机富锌漆、聚氨酯漆、环氧煤沥青、三聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、改性聚丙烯GXPP、改性聚烯烃GXPO、聚氯乙烯PVC、超高分子量聚乙烯UHMWPE、玻璃钢酚醛FRP中最少一种保护层。

所述液位浮标在粘稠液体中处于漂浮状态，液位浮标在静平衡状态时，液位浮标的中轴线保持垂直。

本发明的有益效果是：

本发明在中心孔洞内缘减小了浮标厚度，从而减少了浮标中心孔洞与测杆重合的面积，使浮标在粘稠液体中更顺畅的随分界面移动，实时反映液面状态，降低粘滞力F，防止液体将浮标与测杆粘连在一起。本发明还在浮标腔体内设置了环形硬磁材料使得磁力线密度增大，磁场分布均匀，磁感应强度大，取得更好的感应效果，这样可以扩大感应范围，使得中心孔洞与测杆间的距离在增大情况下依然能够正常感应。最后，本发明从涂层入手，在金属或塑料制成的浮标上涂敷了防腐蚀不粘涂层，减小了浮标受到的液体的摩擦力。

通过以上设置，降低了粘滞力公式中的相对运动面积A，减小了浮标表面的摩擦系数。使浮标能够灵敏准确地伴随液面分界处波动，浮标不会粘死在测杆上。

附图说明

图1是本发明实施例的一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标。

图2是本发明实施例的一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标剖面轴侧示意图。

图3是本发明实施例的一种用于测量粘稠液体分界面的液位浮标剖面正示意图。

图4：环形磁铁横截面的磁场仿真图。

图中：1、匀质腔体，2、匀质环形空腔，3、环形磁铁，4、中心孔洞。

具体实施方式

为了令本发明的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图中涉及的具体实施方式对本发明的实施例进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，如只改变用途而不改变权利要求涉及基本原理的实施例，都属于本发明保护的范围。

液位浮标整体关于中心对称，如图1-图3所示，本发明包括匀质腔体1和环形磁铁3；匀质腔体1为三维欧几里得几何空间下或三维罗巴切夫斯基几何空间下或三维黎曼几何空间下的任一实体，匀质腔体1的中心设置有中心孔洞4，沿半径向匀质腔体中心方向，匀质腔体1中部的轴向厚度逐渐减小，匀质腔体1的中心孔洞4处的轴向厚度最小。匀质腔体1的中心孔洞4在水平面的投影形状为二维欧几里得几何空间下或二维罗巴切夫斯基几何空间下或二维黎曼几何空间下的任一封闭圆形曲线围成的图形。匀质腔体1内为匀质环形空腔2，匀质环形空腔2中嵌入式地安装有环形磁铁3。

匀质腔体1的材质为金属或者塑料。匀质腔体1的外表面涂敷或喷涂或电镀有锌、铬、镍、金、钯、铑、生漆、漆酚树脂漆、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青漆、呋喃树脂漆、聚氨基甲酸酯漆、无机富锌漆、聚氨酯漆、环氧煤沥青、三聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、改性聚丙烯GXPP、改性聚烯烃GXPO、聚氯乙烯PVC、超高分子量聚乙烯UHMWPE、玻璃钢酚醛FRP中最少一种保护层。具体实施中，外表涂敷或喷涂有聚四氟乙烯PTFE、聚全氟乙丙烯FEP、玻璃钢酚醛FRP三种保护层。因为在某些酸性、碱性、腐蚀性液体中，单靠浮标的材质不足以抵抗液体的侵蚀，必须在浮标表面涂敷传统的生漆、环氧树脂、酚醛树脂等涂层，可以起到对浮标很好的保护效果。随着氟化工的蓬勃发展，聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF这些新型防腐涂层开始应用，这些涂层不仅抗腐蚀抗氧化效果出众，而且摩擦系数低，本身可以作为润滑剂使用，涂敷有此类涂层的浮标在粘稠液体中运动时，与粘稠液体的摩擦力更小，粘滞力F由此变得更小。同理，减少传感器测杆直径，在测杆上涂敷有上述保护层，也能起到防腐、润滑，降低粘滞力F的作用。浮标平均密度为0.9g/cm³,处于两种被测液体(水：1.0g/cm³，原油：0.81g/cm³)密度之间，以确保浮标静平衡时，能够正确指示分界面位置。

液位传感器的测杆穿过中心孔洞4后使得液位浮标同轴套装在测杆上，确保液位浮标沿的传感器的测杆方向直线运动，跟踪液面位置。。液位浮标在粘稠液体中处于漂浮状态，液位浮标在静平衡状态时，液位浮标的中轴线保持垂直。根据阿基米德浮力原理，浸入静止流体中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重力，方向垂直向上并通过所排开流体的形心。在此状态下，只有保持中心孔洞也处于正直状态，浮标才不会与测杆之间产生不必要的直接摩擦，保证浮标正常随液面波动。

由此可见，本发明有效地减少了液位浮标在高粘度液体中运动的粘滞力，防止液体将浮标与测杆粘连在一起，使浮标在粘稠液体中更顺畅的随液面波动，实时反映液面状态。本发明实施例还在浮标腔体内设置了环形硬磁材料使得磁力线密度增大，磁感应强度增大，磁场对称分布，如图4所示，图4为所用环形磁铁的MATLAB磁场仿真，图中的箭头表示磁场方向，右侧标注为磁感应强度，单位：T(特斯拉)。利用安培分子电流假说和环路积分定理建立数学模型得到所用环形磁铁的横截面磁感应矢量场分布图，采用常见硬磁材料磁感应强度可以达到0.1T左右，取得更好的感应效果，提高了液位测量的精度。