第8章-液位测量

主要内容8.1液位测量概述8.2云母水位计与双色水位计8.3电接点水位计8.4压差式水位计8.5其他液位测量方法第8章液位检测及仪表一、液位测量的意义物位测量包括液位测量和料位测量。在工业生产过程中，液位往往是很重要的控制参数。对于一般储液装置内所储存液体的多少对生产过程的影响是不可忽视的。比如火电生产过程中的锅炉汽包内的水位就直接影响汽水系统循环的效果以及送出蒸汽的质量。水位过高影响：水位过低影响：8.1液位测量概述容器中液体介质液面的高低(称为液位)两种液体介质的分界面的高低(称为界面)固体块、散粒状物质的堆积高度(称为料位)用来检测液位的仪表称液位计检测分界面的仪表称界面计检测固体料位的仪表称料位计物位物位计液位检测的主要方法连通式液位检测静压式液位检测浮力式液位检测电气式液位检测声学式液位检测射线式液位检测～图1火电厂生产流程1.汽包水位测量的重要性空气给水泵去烟囱凝汽器空预器空气空气燃料汽包省煤器再热器过热器水冷壁汽轮机锅炉灰斗发电机锅炉水循环效果变差水冷壁超温被烧坏爆管水位过低一、汽包水位测量的背景知识sp至过热器下降管汽联箱水冷壁水联箱炉膛图1.汽包内工质循环示意图p至过热器下降管去水联箱下降管去水联箱汽水混合物汽水混合物汽水混合20040060080010001200140016001800H高度mmHT20406080100温度至过热器s物(a)汽包内汽水分布示意图（b)汽包内温度分布曲线图2.锅炉汽包实际水位示意图1、锅炉汽包水位测量对锅炉安全运行极为重要。2、种类：常用连通式云母水位计、双色水位计、平衡式差压水位计、电接点水位计。连通式云母水位计就地安装在汽包上，指示直观，可靠，但监视不便。可采用闭路工艺电视远距离监视双色水位计。差压式水位计受汽包压力影响大，需进行汽包压力补偿。电接点水位计指示受汽包压力变化影响小，并方便远传，缺点是指示不连续。8.2云母水位计与双色水位计一、云母水位计由于汽包内汽水界面不像一般储水容器中那样分明，所以汽包水位的测量目前都是测量汽包内的重量水位。1、重量水位，即假想某一瞬时汽包出口与入口都封闭起来，汽侧中的水回到水一侧，水侧中的汽回到汽一侧，而且汽、水平静下来时的水位。云母水位计是一根连通管，低压锅炉，用玻璃做水位计观察窗，高压锅炉，炉水对玻璃有腐蚀性，故用云母片做观察窗。故称云母水位计。0HHswsavρw,ρs为汽包饱和压力下饱和蒸汽和水的密度2、云母水位计的结构1）公式推导2)汽包的重量水位H和云母水位计示值H0之间的误差：(1）误差原因：云母水位计中的水的平均密度ρav不等于汽包内饱和水的密度时ρw，使得液位计显示的液位不同于容器中的液位，影响因素主要在于：由于液位计中与被测容器中的液温有差别，另外与锅炉汽包压力的变化有关．(2）减小误差措施：常采用保温、加热、校正等手段．由于云母水位计温度低于汽包内温度，因此云母水位计的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。3、云母水位计的特点：最大优点：直接反映汽包水位，直观，可靠，缺点：但只能就地监视，并且液位显示不够清晰。1、工作原理：改进了云母水位计结构，辅以光学系统，利用光从空气进入蒸汽或水产生不同的折射，使汽水分界面显示成红、绿两色的分界面，显示清晰，并有利于用工业电视等方式远传显示。2、工作方式：当红绿光以不同的角度进入到蒸汽空间，由于蒸汽与空气的光学性质相近，所以折射小，红光通过到影屏上显示，绿光不被显示。当红绿光以不同的角度进入到水空间，由于水棱镜的折射作用，绿光通过到影屏上显示，红光不被显示。结论：水位计中汽柱呈红色，水柱呈绿色。二、双色水位计超高压锅炉的双色水位计沿水位计高度开多个圆形窗口，减小玻璃板受力。缺点：盲区。小窗之间有一小段不透明，看不见水位分界面．3）多窗式双色水位计:8.3电接点水位计1工作原理：电接点水位计利用汽包内汽、水介质的电阻率相差极大的性质来测量汽包水位。2具体结构：电接点水位计由水位传感器和电气显示仪表组成。水位传感器就是一个带有若干个电接点的连通容器，利用其中汽、水导电性能的差别：被水淹没的电接点所在电路处于低电阻(相当于开关闭合)，因此被水接通的电接点位置可表示水位．显示电接点已被导通(即水位位置)的方法很多，最简单的如灯泡亮，也有用带放大器的发光二极管等．电接点15,17,19个，正常水位附近要安装密一些。共有3竖行夹角120°显示电路显示仪表：氖气显示仪表并联分流电阻限流电阻3、特点：散热引起的误差比云母水位计小。但指示不连续，两电极间的距离就是仪表的不灵敏区。接点之间在高度上的间距不是均匀的，在正常水位附近要密一些。它是静压式液位测量仪表，在汽包水位、高加水位、除氧器水位测量中都能得到应用。一、水位—差压转换原理水位—差压转换装置又称平衡容器，其结构形式如图所示，(a)为简单平衡容器，(b)为双室平衡容器，(c)为结构补偿式双室平衡容器。8.4差压式水位计一、单室平衡容器对图(a)中所示简单平衡容器输出的差压为，按照流体静力学原理，有pppHggHgLswswsa)()()(0由上式容易看出：输出的差压信号受汽包压力和平衡容器侧水柱温度的影响。误差原因:平衡容器水柱温度分布不均和汽包压力的变化导致密度不是标称值。1、公式2、误差gHHLgHHgLpswa)()(00平衡容器在图(b)所示的双室平衡容器中，给固定水柱增装了蒸汽保温室，使得固定水柱的温度达到了汽包内的汽水温度，因而消除了固定水柱非饱和状态时温度的影响。pgHHLgHHgLppsww)()(00g))(HHL(sw02、公式1、特点:温度补偿二、双室平衡容器由上式易看出：(1)输出的信号差压与高度差成负线性关系(压力不变时)。(2)汽包压力变化时，输出仍受压力的影响(水位不变时)。(3)不同水位时压力影响所产生的误差是不同的，在不变的情况下，汽包压力的变化所产生的输出误差为gHHLswp))((0误差原因:汽包压力的变化例8-13、误差原因0()()wspLHHg4、差压水位的压力校正1）、结构补偿原理：固定水柱的段管称为补偿管段，它的长度是经过精心设计而确定的。由于补偿管段的补偿，大大减小了压力变化对平衡容器的输出的影响。2）、公式校正原理：校正计算的实质就是对平衡容器的输出压差，在计算水位时使用实际压力下的汽水密度，而不是额定压力下的密度。5、零点迁移（量程迁移）对压力(差压)变送器进行零点调整，使它在只受附加静压时输出为“零”，这种方法称为“量程迁移”。无迁移负迁移正迁移1）无迁移P001ppHg0pp1pppHg当H＝0时，△P＝0，差压变送器未受任何附加静压，当H达到最大时，△P也达到最大值。2）负迁移P0h1h2H1210phgHgp220phgp1pppHgB212()Bhhg当H=0时，△p=－B0，差压变送器受到一个附加的差压作用，使差变的输出I4mA。例8-23）正迁移120pHghgp0pp121pppHghgpHgC当H=0时，△p=C，差压变送器受到一个附加正差压作用，使差变的输出I4mA。为使H=0时，I=4mA，就需设法消去C的作用。由于CO，故需要正迁移，迁移量为C。例8-3-60612CAB4I/mA20p103Pa正、负迁移特性8.5其他液位测量方法一、浮力式液位计恒浮力式检测：通过测量漂浮于被测液面上的浮子随液面变化而产生的位移；变浮力式检测：利用沉浸在被测液体中的浮筒被液体浸没高度不同所受浮力不同检测液位。1、恒浮力式液位计1）、浮子重锤液位计2）、浮子钢带液位计3、浮球式液位计4、翻板式液位计2、变浮力式液位检测一般情况下，h△x,H≈h0mgCxHhx0()mgAhgCxxAhgCxCHxAgA弹簧被压缩产生的位移量h弹簧(桶)的位移改变量当液位变化时，使浮简产生位移，其位移量△x与液位高度H成正比关系；通过差动变压器使输出电压与位移成正比关系。液位高度三、电气式液位检测把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数，如电阻、电容等，随物位的变化而改变。这种方法既可用于液位检测，也可用于料位检测。根据电气参数的不同，可分为电阻式、电容式和电感式等。目前电容式为最常见。电容式物位计102lnLCRr只充以气体：12122()2lnlnLHHCCCRRrr充以部分液体：0CCC整理得；其中212()lnCHRr灵敏度可用于非导电液体的液位检测，也可用于固体颗粒的料位检测。Riε1ε3若被测介质为导电性液体，对于这种介质的液位检测，电极要用绝缘物，介电常数为ε3(如聚乙烯)覆盖作为中间介质，液体和外圆筒一起作为外电极。四、声学式液位检测利用超声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位。声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振动频率在十余赫到万余赫时可以引起人的听觉，称为闻声波；更低频率的机械波称为次声波；20kHz以上频率的机械波称为超声波。作为物位检测，一般应用超声波。超声波特性1可以在气体、液体及固体中传播在常温下空气中的声速约为334m／s，在水中的声速约为1440m／s，而在钢铁中约为5000m／s。声速还与介质所处的状态(如温度)有关。例如理想气体的声速与绝对温度T的平方根成正比，对于空气来说影响声速的主要因素是温度，并可用下式计算声速的近似值20.067vT声波在介质中传播时会被吸收而衰减，衰减的程度与介质性质有关：气体中衰减最大，液体其次，固体中衰减最小，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。超声波特性2声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，几乎全部被反射。超声波特性3超声波液位计几种测量原理液介式单h=1/2Ct探头形式适用于有毒、有腐蚀性液体液位的测量，精度一般为0.1级。当测量含有气泡，悬浮物的液位及被测液面有很大波浪时，使用较困难。总结在液位检测中，静压式和浮力式检测方法是最常用的，优点：结构简单、工作可靠、精度较高等。缺点：不适用于高粘度介质或易燃、易爆等危险性较大的介质的液位检测。电容式物位计，优点：结构简单，缺点：电容量及电容随物位的变化量较小，对电子线路的要求较高，而且电容量易受介质的介电常数变化的影响；超声波物位计优点：使用范围较广，液位、粉末、块状的物位均可测量，实现非接触式测量。缺点：由于探头本身不能承受过高的温度，声速又与介质的温度等有关，并且有些介质对声波吸收能力很强，因而超声波物位计的应用受到一定限制，此外电路比较复杂，价格较高。