一、本文概述
在石油化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，安全性是*重要的考量因素，無論是生產(chǎn)工藝還是生產(chǎn)設(shè)備都*先要從安全性*一出發(fā)，近年來，時常出現(xiàn)關(guān)于石油化工企業(yè)經(jīng)常因?yàn)榕堋⒚?、泄露等引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故的新聞報(bào)道，究其原因，有些事故是人為失誤，有些是檢測儀器等設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷，甚至是因?yàn)椴徽_的儀表設(shè)備選型引起的。為從源頭上解決泄露安全隱患問題，需要采用一種更具安全性的實(shí)用性的液位測量儀表，本文所推薦的就是這種新型防爆磁翻板液位計(jì)，這種防爆磁翻板液位計(jì)是利用阿基米德定律、牛頓*三運(yùn)動定律及磁性物質(zhì)的特性，將液面檢測浮子與水久磁鋼分體設(shè)計(jì)，浮子設(shè)置在容器內(nèi)，水久磁鋼設(shè)置在容器外，保證檢測液體封閉在容器內(nèi)。既能避免容器外連通管內(nèi)易燃易爆液體泄漏，液面計(jì)又不受液面檢測高度的限制，徹底解決了普通玻璃板、石英管液面計(jì)易破碎，測量范圍小、受環(huán)境溫度影響等缺陷。防爆磁翻板液位計(jì)的產(chǎn)品特點(diǎn)在于不僅節(jié)能、環(huán)保，制造成本低，而且安裝方便、適用不同高度容器的液面檢測，應(yīng)用于石油化工等工業(yè)企業(yè)，具有很好的應(yīng)用前景。可以大大降低安全隱患，減少危險(xiǎn)源，并能節(jié)省成木，提高經(jīng)濟(jì)效益。
背景與分析
山東省是工業(yè)大省，石油、石化企業(yè)多，東營、淄博、黃島都有大型石化企業(yè)，石油化工品是爆炸火災(zāi)危險(xiǎn)場所，尤其在黃島臨海區(qū)域，化工品的泄露、爆炸事故將直接污染黃海。2013年黃島因?yàn)樵托孤兑l(fā)特大爆炸事故，造成重大人員傷亡，人民生命財(cái)產(chǎn)損失慘重。
化工品儲存設(shè)備的直讀式液位檢測儀，目前通行的做法是利用物理學(xué)中連通管原理，采取容器或設(shè)備外安裝玻璃管或石英管式液位計(jì)測量液面，如果閥門腐蝕、玻璃管破碎都會導(dǎo)致化工品泄露，存在安全隱患。作為中學(xué)生，利用我所學(xué)過的物理知識，如阿基米德定律、永久磁鋼特性等，發(fā)明一種新的液位檢測方法去消除安全隱患，并從安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等多方面做出對比，并做到儀表木質(zhì)安全。
二、研究成果
2.1傳統(tǒng)直讀式玻璃管或石英管式液位計(jì)的缺點(diǎn)
如圖1所不為石化廠典型直讀式玻璃管或石英管式測量液位計(jì)圖，利用連通管原理將設(shè)備內(nèi)液體引致設(shè)備外玻璃管內(nèi)，人們可以通過觀察玻璃管內(nèi)的液面從而獲取設(shè)備內(nèi)的液面高度。
此測量方法有如下缺點(diǎn):
1)閥門連接處容易泄露，如果設(shè)備內(nèi)儲存為化工品，泄露后易發(fā)生火災(zāi)和爆炸。
2)如容器設(shè)備內(nèi)儲存水等易凍液體，冬天氣溫低時，玻璃管內(nèi)液位易凍，需做伴熱處理，耗能。
3)當(dāng)液位在玻璃管上下側(cè)時，觀察不到液位，存在觀察盲區(qū)。
4)玻璃管液位計(jì)或石英管液位計(jì)長度*長一般為2m,當(dāng)容器設(shè)備高達(dá)2m以上時，需要設(shè)置多個玻璃管液位計(jì)或石英管液位計(jì)進(jìn)行疊加，受高度限制，觀察不方便[[3]0
5)玻璃板液位計(jì)或石英管液位計(jì)加工成本高，價(jià)格昂貴，安裝閥門、伴熱設(shè)施等附加費(fèi)用高。

2.2理論基礎(chǔ)
基于直讀式玻璃管或石英管式液位計(jì)的缺點(diǎn)，利用所學(xué)過的物理知識，發(fā)明一種磁力式液位計(jì)，能解決以上問題。所用知識點(diǎn)如下:
1)阿基米德定律:浸在液體(或氣體)里的物體受到豎直向上的浮力作用，浮力的大小等于被該物體排開的液體的重力。
2)牛頓*三定律:兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時在同一條直線上，大刁、相等，方向相反。
3)永久磁鋼的性質(zhì):同名*相斥、異名*相吸的性質(zhì)。2.3防爆磁翻板液位計(jì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)思
防爆磁翻板液位計(jì)由不銹鋼浮子、導(dǎo)向鋼絲、滑輪、永久磁鋼、磁翻板及安裝支架構(gòu)成。
設(shè)浮子重力為G,鋼絲張力為F，浮子在液體中浮力為F浮
根據(jù)阿基米德定律:
浮力F}=浮子體積「V]x液體密度「P]

根據(jù)牛頓*三定律:
鋼絲上的張力F=浮子重量一浮力=G-pxV
考慮到浮子侵人到液面中的穩(wěn)定性，浮子采用不銹鋼浮子，液體密度為容器中實(shí)際所儲存的液體密度，即可計(jì)算出鋼絲張力，從而計(jì)算出永久磁鋼的重量。浮子重量設(shè)置為SOOg，高度為4cm，防爆磁翻板液位計(jì)在液面中穩(wěn)定時，按浮子侵人液面2cm,露出液面2cm設(shè)計(jì)，根據(jù)牛頓*三定律和阿基米德定律，即可計(jì)算出永久磁鋼的重量。
測量原理:當(dāng)液面升高時，浮子侵人液面的體積增加，此時浮力增加，鋼絲張力因此減小，永久磁鋼將向下運(yùn)動，同時導(dǎo)向鋼絲拉著浮子上升，當(dāng)浮子重新侵人液面2cm時，達(dá)到新的平衡。當(dāng)液面降低時，浮子侵人液面的體積減少，浮力減少，此時鋼絲張力增加，永久磁鋼向上運(yùn)動，浮子下降，直到達(dá)到新的平衡。
圖2中，在容器外安裝磁性翻板，當(dāng)永久磁鋼運(yùn)動時，磁性翻板隨永久磁鋼的運(yùn)動翻轉(zhuǎn)，將翻板涂成不同顏色，沒翻轉(zhuǎn)的一面為綠色，翻轉(zhuǎn)后的一面為紅色，通過觀察磁翻板的顏色，即可知道容器中的液面高度。磁翻板與永久磁鋼之間的磁力作用于水平面，對垂直平面的作用力沒有影響。翻板的數(shù)量根據(jù)容器的高度任意增減，非常方便，而且沒有任何的液面盲區(qū)。
在實(shí)際應(yīng)用中，如果不需要精確計(jì)量，永久磁鋼重量的設(shè)置可以忽略滑輪摩擦力的影響，如果精確測量，可以測量滑輪的摩擦力修正永久磁鋼重量。
三、經(jīng)濟(jì)性對比分析
假設(shè)某設(shè)備高為lOm，玻璃板液面計(jì)和防爆磁翻板液位計(jì)的價(jià)格對比如下，其價(jià)格來源見項(xiàng)目查新報(bào)告附件1中的參考文獻(xiàn)。
3.1使用玻璃板液位計(jì)價(jià)格分析
1)購買玻璃板液位計(jì)表

2)伴熱用耗電能成木
每年冬季按4個月120天考慮，每套伴熱材料功率按SOW考慮，電費(fèi)按每度0.55元考慮，則5套每年的用電成木為120x24x0.O5x0.55x5=720元
3.2磁力式液面檢測液分析

經(jīng)對比分析，防爆磁翻板液位計(jì)每1Om比玻璃板液位計(jì)價(jià)格便宜10000多元，而且不需要附加耗能，若某一煉油廠用液面計(jì)總長為1OOOm，則能節(jié)省投資100萬元，從投資對比可知，此發(fā)明若用于工業(yè)使用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
四、防爆磁翻板液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
1)安全性高，取消了連通管，液體全部封閉在容器內(nèi)，不會因?yàn)檫B通管或閥門的腐蝕而泄露，不存在火災(zāi)爆炸安全隱患。
2)適用性強(qiáng)，不受容器高度的影響。當(dāng)容器設(shè)備高達(dá)數(shù)米，甚至數(shù)十米時，只需增加導(dǎo)向鋼絲的長度和磁翻板的數(shù)量即可。
3)觀察方便，對于高達(dá)數(shù)米，甚至數(shù)十米的容器，只需觀察磁翻板的顏色即可，不需要象玻璃板那樣就近觀察液面。
4)液體在容器中，不會在低溫環(huán)境下而導(dǎo)致連通管中的液體冰凍，節(jié)能、環(huán)保。
5)成木低，經(jīng)濟(jì)性好，安裝附件少，容器高度越高，性價(jià)比越高，具有很好的應(yīng)用前景。