第四章液位檢測

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容 v4.1 4.1 液位測量概述液位測量概述 v4.24.2云母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計 v4.34.3電接點水位計電接點水位計 v4.44.4壓差式水位計壓差式水位計 v4.54.5其他液位測量方法其他液位測量方法 第4章 液位檢測及儀表 容器中液體介質(zhì)液面的高低(稱為液位) 兩種液體介質(zhì)的分界面的高低(稱為界面) 固體塊、散粒狀物質(zhì)的堆積高度(稱為料位) 用來檢測液位的儀表稱液位計 檢測分界面的儀表稱界面計 檢測固體料位的儀表稱料位計 物位物位物位計物位計 物位測量包括液位測量和料位測量。 一、液位測量的意義 問題：火電生產(chǎn)過程中的鍋爐汽包內(nèi)的水位。 水位過

2、高影響？： 水位過低影響？： 4.1 液位測量概述 汽包水位過高，造成汽水分離困難，蒸汽 帶水，造成汽機(jī)進(jìn)冷汽或水沖擊，后果將 是災(zāi)難性的；主要表現(xiàn)在對后面的過熱器 等會產(chǎn)生不利影響，具體表現(xiàn)在出力低或 加重過熱器的負(fù)荷，有可能過熱蒸汽溫度 低，輕則發(fā)不了電，重則損壞汽輪機(jī)等。 汽包水位過低，由水面到下降管的入口高 度減小，靜壓降低，下降管人口水可能自 行汽化，引起下降管帶汽，可能破壞正常 的水循環(huán)（下降管帶汽，使水循環(huán)停滯或 倒流），造成一部分水冷壁得不到鍋水循 環(huán)的冷卻而過熱燒壞，更嚴(yán)重的就是干鍋， 后果也還是災(zāi)難性的！ 圖1 火電廠生產(chǎn)流程 1.汽包水位測量的重要性 空氣 給水泵 去煙囪

3、 凝汽器 空預(yù)器 空氣 空氣 燃料 汽包 省煤器 再熱器 過熱器 水冷壁 汽輪機(jī) 鍋爐 灰斗 發(fā)電機(jī) 鍋爐水循環(huán) 效果變差 水冷壁超 溫被燒壞 爆管 水位過低水位過低 一、汽包水位測量的背景知識 液位檢測的主要方法 連通式液位檢測位檢測 靜壓式靜壓式液位檢測位檢測 浮力式浮力式液位檢測位檢測 電氣式電氣式液位檢測位檢測 聲學(xué)式聲學(xué)式液位檢測位檢測 射線式射線式液位檢測位檢測 鍋爐汽包水位測量種類：常用連通式云母水位計、 雙色水位計、平衡式差壓水位計、電接點水位 計。 連通式云母水位計就地安裝在汽包上，指示直 觀，可靠，但監(jiān)視不便。可采用閉路工藝電視 遠(yuǎn)距離監(jiān)視雙色水位計。 差壓式水位計受汽包壓

4、力影響大，需進(jìn)行汽包 壓力補償。 電接點水位計指示受汽包壓力變化影響小，并 方便遠(yuǎn)傳，缺點是指示不連續(xù)。 4.2 云母水位計與雙色水位計 一、云母水位計 問題：汽包內(nèi)汽水界面分明么？如果不 分明，如何測量？ 1 、重量水位，即假想某一瞬時汽包出口與 入口都封閉起來，汽側(cè)中的水回到水一側(cè)， 水側(cè)中的汽回到汽一側(cè)，而且汽、水平靜 下來時的水位。 0 HH sw sav w w, , s s為汽包飽和壓力下為汽包飽和壓力下 飽和蒸汽和水的密度飽和蒸汽和水的密度 2、云母水位計的結(jié)構(gòu)、云母水位計的結(jié)構(gòu) 1 1 ）原理）原理 云母水位計是一根連通 管，低壓鍋爐，用玻璃 做水位計觀察窗，高壓 鍋爐，爐水對

5、玻璃有腐 蝕性，故用云母片做觀 察窗。故稱云母水位計 2)汽包的重量水位H和云母水位計示值H0之間的誤差?： （1）云母水位計中的水的平均密度av不等于汽包內(nèi) 飽和水的密度時w ，使得液位計顯示的液位不同 于容器中的液位，影響因素主要在于：由于液位計 中與被測容器中的液溫有差別，另外與鍋爐汽包壓 力的變化有關(guān) 3）減小誤差措施：常采用保溫、加熱、校正等手段 由于云母水位計溫度低于汽包內(nèi)溫度，因此云母 水位計的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。 3、 云母水位計的特點： 最大優(yōu)點：直接反映汽包水位，直觀， 可靠， 缺點：但只能就地監(jiān)視，并且液位顯示 不夠清晰。 1 、工作原理 ： 改進(jìn)了云母水

6、位計結(jié)構(gòu)，輔以 光學(xué)系統(tǒng)，利用 光從空氣進(jìn)入蒸 汽或水產(chǎn)生不同 的折射，使汽水 分界面顯示成紅、 綠兩色的分界面， 顯示清晰，并有 利于用工業(yè)電視 等方式遠(yuǎn)傳顯示。 二、二、 雙色水位計雙色水位計 2、工作方式： 當(dāng)紅綠光以不同的角度進(jìn) 入到蒸汽空間，由于蒸汽 與空氣的光學(xué)性質(zhì)相近， 所以折射小，紅光通過到 影屏上顯示，綠光不被顯 示。 當(dāng)紅綠光以不同的角度進(jìn) 入到水空間，由于水棱鏡 的折射作用，綠光通過到 影屏上顯示，紅光不被顯 示。 結(jié)論：水位計中汽柱呈紅 色，水柱呈綠色。 優(yōu)點：超高壓鍋爐的雙色水位計沿水位計高 度 開多個圓形窗口，減小玻璃板受力。 缺點：盲區(qū)。小窗之間有一小段不透明，看

7、不 見水位分界面 3 3）多窗式雙色水位計多窗式雙色水位計: : 4.3 電接點水位計 1 工作原理：電 接點水位計利 用汽包內(nèi)汽、 水介質(zhì)的電阻 率相差極大的 性質(zhì)來測量汽 包水位。 共有3豎行夾 角120 2 具體結(jié)構(gòu)： 電接點水位計由水位傳感 器和電氣顯示儀表組成。 水位傳感器就是一個帶有 若干個電接點的連通容器， 利用其中汽、水導(dǎo)電性能 的差別：被水淹沒的電接 點所在電路處于低電阻(相 當(dāng)于開關(guān)閉合)，因此被水 接通的電接點位置可表示 水位顯示電接點已被導(dǎo) 通(即水位位置)的方法很 多，最簡單的如燈泡亮， 也有用帶放大器的發(fā)光二 極管等 電接點15,17,19個，正常 水位附近要安裝密

8、一些。 顯示儀表： 氖氣顯示儀表 顯示電路 并聯(lián)分 流電阻 限流電 阻 3、特點： 散熱引起的誤差比云母水位計小。 但指示不連續(xù)，兩電極間的距離就是儀表的不 靈敏區(qū)。 接點之間在高度上的間距不是均勻的，在正常 水位附近要密一些。 它是靜壓式液位測量儀表，在汽包水位、高加水位、除氧 器水位測量中都能得到應(yīng)用。 一、水位差壓轉(zhuǎn)換原理 水位差壓轉(zhuǎn)換裝置又稱平衡容器，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示， (a)為簡單平衡容器，(b)為雙室平衡容器，(c)為結(jié)構(gòu)補償 式雙室平衡容器。 4.4 差壓式水位計 一、單室平衡容器 對圖(a)中所示簡單平衡容器輸出的差壓 為 ，按照流體靜力學(xué)原理，有 ppp 由上式容易看出：輸

9、出的差壓信號受由上式容易看出：輸出的差壓信號受 汽包壓力和平衡容器側(cè)水柱溫度的影汽包壓力和平衡容器側(cè)水柱溫度的影 響。響。 誤差原因誤差原因: :平衡容器水柱溫度分布不均平衡容器水柱溫度分布不均 和汽包壓力的變化導(dǎo)致密度不是標(biāo)稱值和汽包壓力的變化導(dǎo)致密度不是標(biāo)稱值 。 2 2、誤差、誤差? ? HggHgL swswsa )()()( 0 1 1、公式、公式gHHLgHHgLp swa )()( 00 平衡平衡 容器容器 在圖(b)所示的雙室平衡容器 中，給固定水柱增裝了蒸汽保 溫室，使得固定水柱的溫度達(dá) 到了汽包內(nèi)的汽水溫度，因而 消除了固定水柱非飽和狀態(tài)時 溫度的影響。 pgHHLgHHg

10、Lpp sww )()( 00 g)(HHL( sw 0 2 2、公式、公式 1 1、特點、特點? ? 二、雙室平衡容器二、雙室平衡容器 由上式易看出：(1) 輸出的信號差壓與高度差 成負(fù)線性關(guān)系(壓力不變時)。(2) 汽包壓力變 化時，輸出仍受壓力的影響(水位不變時)。(3) 不同水位時壓力影響所產(chǎn)生的誤差是不同的， 在不變的情況下，汽包壓力的變化所產(chǎn)生的輸 出誤差為 gHHL swp )( 0 誤差原因誤差原因: :汽包壓力的變化汽包壓力的變化 3 3、誤差原因、誤差原因? ? 0 ()() ws pLHHg 4、差壓水位的壓力校正? 1）、結(jié)構(gòu)補償 原理：固定水柱的段管稱為補償管段 ，它

11、的長度是經(jīng)過精心設(shè)計而確定的。 由于補償管段的補償，大大減小了壓力 變化對平衡容器的輸出的影響。 w 實際 S實際 2）、公式校正 原理：校正計算的實質(zhì)就是對平衡容器 的輸出壓差，在計算水位時使用實際壓 力下的汽水密度，而不是額定壓力下的 密度。 5、零點遷移（量程遷移） 定義：對壓力定義：對壓力( (差壓差壓) )變送器進(jìn)行零點調(diào)整，使它變送器進(jìn)行零點調(diào)整，使它 在只受附加靜壓時輸出為在只受附加靜壓時輸出為“零零”，這種方法稱為，這種方法稱為 “量程遷移量程遷移”。 根據(jù)遷移量及方向又分為：無遷移、負(fù)遷移、正 遷移 1）無遷移 P0 01 ppHg 0 pp 1 pppHg 當(dāng)當(dāng)H H0 0

12、時，時，P P0 0，差壓變送器未受任何附加，差壓變送器未受任何附加 靜壓，當(dāng)靜壓，當(dāng)H H達(dá)到最大時，達(dá)到最大時， P P也達(dá)到最大值。也達(dá)到最大值。 2）負(fù)遷移 P0 h1 h2 H 1210 phgHgp 220 phgp 1 pppHgB 212 ()Bhhg 當(dāng)當(dāng)H=0H=0時，時，p=p=B0BOCO，故需要正，故需要正 遷移，遷移量為遷移，遷移量為C C。 4.5 其他液位測量方法 一、浮力式液位計 恒浮力式檢測：通過測量漂浮于被測液面上的 浮子隨液面變化而產(chǎn)生的位移； 變浮力式檢測：利用沉浸在被測液體中的浮筒 被液體浸沒高度不同所受浮力不同檢測液位。 1 1、恒浮力式、恒浮力式

13、液位計 1）、浮子重錘液位計 2）、浮子鋼帶液位計 3）、浮球式液位計 4）、翻板式液位計 2、變浮力式液位檢測 一般情況下，hx, Hh 0 mgCx Hhx 0 ()mgAh gC xx Ah gC x C Hx A g A:浮子截面面積 彈簧被壓縮彈簧被壓縮 產(chǎn)生的位移量產(chǎn)生的位移量 h 彈簧彈簧( (桶桶) )的位的位 移改變量移改變量 當(dāng)液位變化時，使浮簡產(chǎn)生位移，其位移量當(dāng)液位變化時，使浮簡產(chǎn)生位移，其位移量x x與液位高度與液位高度H H 成正比關(guān)系；通過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系。成正比關(guān)系；通過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系。 液位高度液位高度 二、電氣式液位

14、檢測 把敏感元件做成一定形狀的電極置于被測介質(zhì)中， 則電極之間的電氣參數(shù)，如電阻、電容等，隨物位 的變化而改變。這種方法既可用于液位檢測，也可 用于料位檢測。 根據(jù)電氣參數(shù)的不同，可分為電阻式、電容式和電 感式等。目前電容式為最常見。 1、電容式物位計 1 0 2 ln L C R r 只充以氣體： 12 12 2()2 lnln LHH CCC RR rr 充以部分液體： 0 CCC 整理得；其中 21 2 () ln CH R r 靈敏度靈敏度 可用于非導(dǎo)電液體的液位檢測，也可用于固體顆可用于非導(dǎo)電液體的液位檢測，也可用于固體顆 粒的料位檢測。粒的料位檢測。 Ri 1 3 若被測介質(zhì)為導(dǎo)電

15、性液體，若被測介質(zhì)為導(dǎo)電性液體， 對于這種介質(zhì)的液位檢測，對于這種介質(zhì)的液位檢測， 電極要用絕緣物，介電常電極要用絕緣物，介電常 數(shù)為數(shù)為3 3( (如聚乙烯如聚乙烯) )覆蓋作覆蓋作 為中間介質(zhì)，液體和外圓為中間介質(zhì)，液體和外圓 筒一起作為外電極。筒一起作為外電極。 三、聲學(xué)式液位檢測 利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及在不同相界面利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及在不同相界面 之間的反射特性來檢測物位。之間的反射特性來檢測物位。 超聲波？特點？超聲波？特點？ 聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播過聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播過 程，當(dāng)振動頻率在可以引起人的聽覺范圍的波，稱程，當(dāng)

16、振動頻率在可以引起人的聽覺范圍的波，稱 為聞聲波；更低頻率的機(jī)械波稱為次聲波；為聞聲波；更低頻率的機(jī)械波稱為次聲波；20kHz20kHz 以上頻率的機(jī)械波稱為超聲波。作為物位檢測，一以上頻率的機(jī)械波稱為超聲波。作為物位檢測，一 般應(yīng)用超聲波。般應(yīng)用超聲波。 超聲波特性1 可以在氣體、液體及固體中傳播可以在氣體、液體及固體中傳播 在常溫下空氣中的聲速約為在常溫下空氣中的聲速約為334m334ms s，在水中的，在水中的 聲速約為聲速約為1440m1440ms s，而在鋼鐵中約為，而在鋼鐵中約為5000m5000ms s。 聲速還與介質(zhì)所處的狀態(tài)聲速還與介質(zhì)所處的狀態(tài)( (如溫度如溫度) )有關(guān)。

17、例如理有關(guān)。例如理 想氣體的聲速與絕對溫度想氣體的聲速與絕對溫度T T的平方根成正比，對的平方根成正比，對 于空氣來說影響聲速的主要因素是溫度，并可用于空氣來說影響聲速的主要因素是溫度，并可用 下式計算聲速的近似值下式計算聲速的近似值 20.067vT 聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，衰減的程衰減的程 度與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)：度與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)：氣體中衰減最大，液體其次，氣體中衰減最大，液體其次， 固體中衰減最小，固體中衰減最小， 聲波在介質(zhì)中傳播時聲波在介質(zhì)中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率衰減的程度還與聲波的頻率 有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，有關(guān)，頻率越高，

18、聲波的衰減也越大，因此超聲因此超聲 波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。 超聲波特性2 聲波傳播時的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，聲波傳播時的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)， 發(fā)射的聲束也越尖銳，超聲波可近似為直線傳播，發(fā)射的聲束也越尖銳，超聲波可近似為直線傳播， 具有很好的方向性。具有很好的方向性。 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為兩當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為兩 種介質(zhì)的密度不同和聲波在其中傳播的速度不同，種介質(zhì)的密度不同和聲波在其中傳播的速度不同， 在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，聲波從液體在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，聲波從液體

19、或固體傳播到氣體，或相反的情況下，幾乎全部或固體傳播到氣體，或相反的情況下，幾乎全部 被反射。被反射。 超聲波特性3 超聲波液位計幾種測量原理 適用于有毒、有腐蝕性液體液位的測量，精度一 般為0.1級。當(dāng)測量含有氣泡，懸浮物的液位及被 測液面有很大波浪時，使用較困難。 四、四、 熱學(xué)法熱學(xué)法 在冶金行業(yè)中常遇到高溫熔融金屬液位 的測量。由于測量條件的特殊性，目前除使用 核幅射法外，還常用熱學(xué)方法進(jìn)行檢測。它利它利 用了高溫熔融液體本身的特性，即在空氣和高用了高溫熔融液體本身的特性，即在空氣和高 溫液體的分界面處溫度場出現(xiàn)突變的特點，用溫液體的分界面處溫度場出現(xiàn)突變的特點，用 測量溫度的方法間接

20、獲得高溫金屬熔液液位。測量溫度的方法間接獲得高溫金屬熔液液位。 熱學(xué)法按溫度測量轉(zhuǎn)換原理的不同，通常又分 為熱電法熱電法和熱磁感應(yīng)熱磁感應(yīng)法法。 5.1 5.1 熱電法熱電法 熱電法采用熱電偶 測量溫度場，右圖為 熱電偶測量高溫金屬 熔液液位原理圖。 圖中:a-容器壁；b- 凝固金屬 ；c-鋼水； d-熱電偶。 在容器壁上選定 一系列測量點，裝上 熱電偶，并將各測點 上熱電偶的輸出記錄 下來，得到如圖所示 的溫度-電勢分布曲 線，曲線上反映出第 7個和第8個測點之間 產(chǎn)生了溫度突變，因 此液面就在第7與第8 測點之間。 溫度-電勢分布圖 熱電偶測液位只是一個較為粗略的測量方 法，精度一般不高；

21、而且而且精度與熱電偶分布、精度與熱電偶分布、 安裝情況有關(guān)。安裝情況有關(guān)。適當(dāng)減小各熱電偶的間距、增 加測量點，則可提高金屬液位測量分辨力和測 量精度。 另外，熱電偶工作端與容器的接觸點要細(xì) 而牢固，為此可將熱電偶絲焊在容器壁上，由 容器壁充當(dāng)熱電偶的另一極。 這種測量方法雖然精度不高，但很可靠； 在連鑄機(jī)結(jié)晶過程等應(yīng)用場合中，仍是一種很 適用的液位檢測控制方法 5.2 5.2 熱磁感應(yīng)法熱磁感應(yīng)法 熱磁感應(yīng)法也稱熱磁敏法熱磁感應(yīng)法也稱熱磁敏法. . 前面熱電法測溫元件為一組耐高溫?zé)釤犭姺y溫元件為一組耐高溫?zé)?電偶電偶，它們把金屬熔液液面處溫度場出 現(xiàn)變化轉(zhuǎn)換為電勢大小的變化； 熱磁感應(yīng)法測

22、溫元件為一組熱磁感應(yīng)法測溫元件為一組熱敏磁性熱敏磁性 元件元件，把金屬熔液液面處溫度場出現(xiàn)變 化轉(zhuǎn)換為電抗（電感）大小的變化。 5.3微波法 在電磁波譜中將波長為1-1000mm的電磁波稱為微 波。微波的特點是在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的 反射，具有良好的定向輻射性能；在傳輸過程中 受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光的影響小，具有很 強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力 。 1、反射式微波液位計 利用微波反射的原理制作的液位計，可以實現(xiàn)連續(xù)檢測與 液位定點控制。通常微波發(fā)射天線傾斜一定的角度向液面 發(fā)射微波束，波束遇到液面即發(fā)生反射，反射微波束被微 波接收天線接收，從而測定液位，其原理如上圖 2. 調(diào)頻連續(xù)波式物位計 通常

23、只需將發(fā)射、接收天線裝在被測料倉（罐）上方，即 可對物位進(jìn)行連續(xù)測量。這種調(diào)頻連續(xù)波式微波物位計抗 機(jī)械噪聲、電磁噪聲能力強(qiáng)，在高溫、高壓、高粘度情況 下，可連續(xù)、快速而準(zhǔn)確地測出目標(biāo)物體的物位值。但價 格比較貴 磁電法磁電法 利用磁電轉(zhuǎn)換原理磁電轉(zhuǎn)換原理進(jìn) 行液位測量的磁致伸 縮液位計是近年來推 出的新產(chǎn)品。 磁致伸縮液位計 原理圖 B B 兩個磁場B和B相遇，磁致 伸縮線扭曲形成扭應(yīng)力波脈 沖，脈沖速度已知，計算脈 沖傳播時間即對應(yīng)液位精確 變化 優(yōu)點： 磁致伸縮液位精度較高，可測油水分 界面 缺點：由于其接觸的測量方式和較高的安裝、 維護(hù)要求導(dǎo)致市場普及不廣。 總結(jié) 在液位檢測中，靜壓式和浮力式檢測方法在液位檢測中，靜壓式和浮力式檢測方法 是最常用的是最常用的. . 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度較高等。結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度較高等。 缺點：缺點：不適用于高粘度介質(zhì)或易燃、易爆不適用于高粘度介質(zhì)或易燃、易爆 等危險性較大的介質(zhì)的液位檢測。等危險性較大的介質(zhì)的液位檢測。 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 缺點：缺點：電容量及電容隨物位的變化量較小，電容量及電容隨物位的變化量較小， 對電子線路的要求較高，而且電容量易受對電子線路的要求較高，而且電容量易受 介質(zhì)的介電常數(shù)變化的影響；