靜壓式液位測量

1、靜壓式液位測量根據(jù)流體靜力學(xué)原理， 靜止液體內(nèi)某一點的靜壓力與其所在位置的深度有關(guān)，因此可以用靜壓力表示液位，如連通器式、壓差式和壓力式等。一、連通器式液位測量連通器式液位測量是最簡單的液位測量技術(shù)，根據(jù)連通器的原理，使用玻璃管直觀地顯示液位，但主要用于無壓或低壓力容器的液位測量。為了適應(yīng)高壓、腐蝕、遠(yuǎn)傳等要求和便于讀數(shù)，其變形結(jié)構(gòu)有玻璃板式、云母片式、雙色式、電接點式等。其中玻璃板式可用于中低壓鍋爐汽包水位的測量，云母式液位測量可用于高壓鍋爐的汽包水位測量。其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。但是上面兩種液位測量的觀察比較很困難的， 所以人們又將二者的結(jié)構(gòu)改進(jìn)， 輔以光學(xué)系統(tǒng)，觀測者看到的汽水分界面是紅綠

2、兩色的分界面， 非常清晰，并且有利于用電視等方式遠(yuǎn)傳， 這就是雙色水位測量。 另有磁翻轉(zhuǎn)雙色液位計是以磁性浮子為感測元件， 并通過磁性浮子與顯示色柱中的磁性體的磁耦合作用， 反映被測液位或界面的測量儀表。 下面以電廠中的電接點為例對其原理進(jìn)行簡單介紹。1、電接點水位測量電接點水位測量是利用與受壓容器相連通的測量筒上的電接點浸沒在水中與裸露在蒸汽中的電導(dǎo)率的差異，通過指示燈來顯示液位的。電接點水位傳感器如圖所示， 它是一個帶有若干個電接點的連通容器（測量筒殼）。連通容器的長度按水位測量范圍決定，其直徑主要考慮接點數(shù)目（保證開孔后有足夠的強(qiáng)度） ；電接點通過絕緣子與連通容器金屬壁絕緣，其數(shù)目應(yīng)以滿

3、足運行中監(jiān)視水位的要求確定，目前多為 15 個、 17 個和 19 個。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。電接點要能在高溫高壓下正常工作，溫度劇變時不泄露，耐腐蝕，與筒殼有很好的絕緣。常用超純氧化鋁（用于高壓爐）和聚四氟乙烯（用于中壓爐）作絕緣材料。電接點水位測量的原理： 連通容器通過汽水連通管將容器內(nèi)的重力水位信號引出，未被水淹沒的電接點因蒸汽電導(dǎo)率小而使所在電路處于高電阻（相當(dāng)于開關(guān)斷開） ，與它們相連的顯示器不亮；被水淹沒的電接點因水具有較大電導(dǎo)率而使所在電路處于低電阻 （相當(dāng)于開關(guān)閉合），與它們相連的顯示器發(fā)亮，因此被水接通的電接點位置可表示水位。顯示電接點已被

4、接通（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。電接點水位傳感器的特點是：傳感器輸出的是電信號，便于遠(yuǎn)傳，避免使用導(dǎo)壓管，可減小測量的遲延。傳感器沒有機(jī)械傳動所產(chǎn)生的變差和刻度誤差， 簡化了儀表的檢修和調(diào)校。電接點水位傳感器的輸出信號變化帶有階躍性，接點之間的水位變化不能反映，有盲區(qū)， 雖經(jīng)合理布置接點能有所改善，但始終不是一個連續(xù)變化信號，不宜用作自動調(diào)節(jié)信號。電接點水位傳感器主要用于中溫中壓、高溫高壓鍋爐汽包水位的監(jiān)視與控制，也適用于高、低壓加熱器、除氧器、凝汽器以及水箱等水位的測量。2、存在的問題連通器式液位傳感器存在以下問題：（ 1）當(dāng)液位測量傳感器與被測

5、容器的液體溫度有差別時，液位傳感器顯示的液位不同于容器中的液位， 此誤差還會隨著容器內(nèi)壓力的改變而變化。為了減少和消除該項誤差，常采用保溫、加熱、校正等手段。當(dāng)用于測量汽包水位時， 因散熱使水位傳感器中水溫低于飽和溫度，因而水密度大于飽和水的密度， 這就造成了顯示的水位低于汽包內(nèi)的實際水位。如果要校正必須知道水位傳感器中水的平均密度，但該密度與當(dāng)時的壓力和水溫、散熱情況有關(guān)，所以不易確定。電廠運行中總結(jié)的經(jīng)驗為，在額定工況時，對中壓爐，實際水位應(yīng)在水位傳感器顯示水位的基礎(chǔ)上加25 35 ( m m) ，高壓爐則加 40 60 ( mm) 。具體值取大些還是取小些，要看水位傳感器的保溫情況等條件

6、。（ 2）所有連通器式液位傳感器都會因散熱引起誤差。減少的辦法是適當(dāng)加粗汽側(cè)和水側(cè)的連通導(dǎo)管，筒殼頂部不保溫， 增加凝結(jié)水量， 筒殼其余部分保溫以減少散熱。當(dāng)然也可以加蒸汽加熱套。二、壓力式液位測量（敞口容器）壓力式物位測量是基于液位高度變化時， 由液柱產(chǎn)生的靜壓也隨之變化的原理。如圖所示， A 代表實際液面， B 代表零液位， H 代表液柱高度，根據(jù)流體靜力學(xué)原理可知， A 、 B 兩點的壓力差為：ppBp AH g其中， pA 容器中A 點的靜壓，也即液面上方氣體的壓力；當(dāng)被測對象為敞口容器， 則 p A 為大氣壓力； p B 容器中 B 點的靜壓，即 B 點的絕對壓力； p 容器中 A

7、點和 B 點的壓力差， 即 B 點的表壓力。由式可知，當(dāng)被測液體密度 為已知時， A 、B 兩點的壓力差 p ，即 B 點的表壓力與液位高度 H 成正比，這樣就把液位的測量轉(zhuǎn)化為壓力的測量。由于被測對象為敞口容器，可以直接用壓力儀表對液位進(jìn)行測量。方法是將壓力表通過引壓導(dǎo)管與容器底側(cè)零液位相連， 壓力指示值與液位高度滿足上式關(guān)系。應(yīng)注意的是，壓力儀表實際指示的壓力是液面至壓力儀表入口之間的靜壓力，當(dāng)壓力儀表與取壓點（零液位）不在同一水平位置時，應(yīng)對其位置高度差而引起的固定壓力進(jìn)行修正， 否則儀表指示值不能直接計算得到液位。上述所介紹的是就地式壓力液位測量方法。 此外，還可以利用靜壓式液位傳感器

8、把液位信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳。靜壓式液位傳感器是利用壓力傳感器，配用陶瓷或薄膜敏感元件作為探頭感受容器中 B 點的表壓力，從而實現(xiàn)將容器的液位變化經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號的變化， 通過測量電路對電信號進(jìn)行處理， 從而測量出液位。靜壓式液位傳感器的敏感元件種類很多。 如膜片型傳感器， 它是在感壓膜片上粘貼應(yīng)變片， 由應(yīng)變片組成惠斯登電橋， 將液位的變化引起的壓力變化以應(yīng)變片電阻值變化的形式表現(xiàn)出來。 測出應(yīng)變片的電阻值，就能得知液位的高度。也可采用半導(dǎo)體膜盒結(jié)構(gòu)，利用金屬片承受液體壓力，通過封入的硅油導(dǎo)壓給半導(dǎo)體應(yīng)變片進(jìn)行液位的測量。由于固態(tài)壓力傳感器 （壓阻電橋式） 性能的提高和微處理技術(shù)的

9、發(fā)展，壓力式物位傳感器的應(yīng)用愈來愈廣。近年來，已經(jīng)研制出了體積小、溫度范圍寬、可靠性好、精度高的壓力式物位傳感器，同時，其應(yīng)用范圍也不斷地拓寬。壓力式液位測量簡單， 但是要求液體密度為定值， 否則會引起誤差。三、差壓式液位測量（密閉容器）如果被測對象為密閉容器時， 容器下部的液體壓力除與液位高度有關(guān)外， 還與液面上部介質(zhì)壓力有關(guān)。此時， 應(yīng)該采用下面介紹的差壓測量方法來獲得液位。1、測量原理差壓式液位測量的原理同上面介紹的壓力式液位測量，只是把pA 理解為液面上方氣體的壓力不等于大氣壓力。差壓式液位測量最簡單的實現(xiàn)方法是在直接通過引壓導(dǎo)管與液位上方和容器底側(cè)零液位相連， 并把兩根引壓管道直接通

10、入差壓式儀表，如圖所示。差壓儀表的指示值與液位高度成線性關(guān)系。差壓式液位測量在電廠應(yīng)用廣泛，一般要測量汽包水位、 凝汽器熱水井水位、各種水箱水位、貯油罐和油箱油位等。但由于被測對象的復(fù)雜性常用的是平衡容器， 下面將對平衡容器作詳細(xì)介紹。利用平衡容器的差壓式液位傳感器的原理是， 在容器上安裝平衡容器，利用液體靜力學(xué)原理使液位轉(zhuǎn)換成差壓， 用導(dǎo)壓管將差壓信號傳至顯示儀表，顯示儀表指示出容器的液位。 受壓容器的液位測量，根據(jù)測量準(zhǔn)確度的要求不同，可選用下列幾種平衡容器：(1) 單室平衡容器單室平衡容器測量水位的原理如圖所示。受壓容器內(nèi)的蒸汽注入平衡容器內(nèi)凝結(jié)成水， 并由于溢流而保持一個恒定水位。差壓

11、傳感器的正壓頭從平衡容器引出， 由于平衡容器有恒定水柱而維持不變，負(fù)壓管與受壓容器水側(cè)連通， 輸出的負(fù)壓頭則隨受壓容器水位變化而變化。差壓傳感器的輸出也就隨著受壓容器水位的變化而變化。按照流體靜力學(xué)原理，當(dāng)水位在正常水位H 0 （即零水位）時，差壓傳感器的輸出為：p01 gH'gH 0' ' g ( HH 0 )1gHgH 0其中，p0 受壓容器正常水位時對應(yīng)的差壓， Pa ； H 受壓容器水位最大測量范圍，m； H 0 以最低水位為基準(zhǔn)的容器零水位，m ；'，"， 1 分別為受壓容器內(nèi)飽和水、飽和蒸汽和平衡容器內(nèi)水的密度， Kg / m3 ；g重力加

12、速度，m / s2 。當(dāng)受壓容器水位偏離正常水位H 時，差壓傳感器的差壓輸出p為：p( 1") gH( '" ) g( H 0H )即pp0( '") g HH 、 H 0 、g 為確定值，當(dāng)'， "， 1 為已知值時，正常水位時的差壓輸出p0 為常數(shù)。傳感器的輸出差壓值p 為容器水位變化的單值函數(shù)。水位增加，輸出差壓減?。凰唤档停敵霾顗杭哟?。單室平衡容器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，一般應(yīng)用于低溫低壓的貯水容器。但它的測量誤差較大。分析其原因，主要是：當(dāng)被測介質(zhì)參數(shù)， 如被測介質(zhì)壓力偏離額定值運行時，' 和 "發(fā)生變化

13、。此時，即使水位不變，其差壓也會發(fā)生變化。由于受壓容器內(nèi)的飽和水與平衡容器內(nèi)的凝結(jié)水的溫度不同，密度' 和 1 也不同，造成傳感器輸出誤差。為了減小此誤差， 通常使平衡容器的安裝標(biāo)高（正、負(fù)取壓管的垂直距離）與傳感器輸出的全量程相一致，并在差壓傳感器校驗時，按運行參數(shù)和環(huán)境平均溫度考慮密度影響的修正值。(2) 雙室平衡容器雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)如圖所示。 平衡容器的水面高度是定值。 當(dāng)水位增高時，水可溢流；水位降低時，由蒸汽冷凝來補充。正壓頭從平衡容器中引出，當(dāng)其中水的密度一定時， 正壓頭也為定值。負(fù)壓管置于平衡容器內(nèi)，上部比水平正取壓管下緣高10 左右，下部與受壓容器連通，其水柱隨著容器

14、水位變化而變化。它輸出的壓頭為負(fù)壓頭，反映容器水位的變化。雙室平衡容器中正負(fù)兩根管內(nèi)水的溫度比較接近，可以近似認(rèn)為正、負(fù)壓管中水的密度相同，皆為1 ，因此有：p0( 1'' )g( HH 0 )pp0( 1") g H雙室平衡容器可以解決單室平衡容器正、負(fù)壓頭水的密度不相等帶來的測量誤差。但是它仍然存在下面的問題：平衡容器的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被測受壓容器的溫度，負(fù)壓管的水面比受壓容器的水面低，所以仍然存在較大的測量誤差。當(dāng)運行參數(shù)或平衡容器環(huán)境溫度變化時，此誤差是個變數(shù)。雙室平衡容器在使用過程中，由于向外散熱，正、負(fù)壓管中的水溫由上至下逐步降低，且溫度不易確定。因此同樣造成

15、正、負(fù)壓頭水的密度難以確定，造成測量誤差。仍然存在受壓容器內(nèi)被測介質(zhì)參數(shù)變化時，對測量的影響。(3) 蒸汽罩補償式平衡容器針對上述平衡容器的缺點，測量中、小型鍋爐汽包水位時，廣泛采用蒸汽罩補償式平衡容器補償汽包壓力對輸出差壓的影響， 其結(jié)構(gòu)如圖所示。為了使正壓管中的水位恒定， 一方面加大正壓容器的截面積， 并在其上面裝一個凝結(jié)水漏盤， 使凝結(jié)水不斷流入正壓容器。 正壓容器相當(dāng)于一個溢出杯，其水位恒定不變。用蒸汽包圍正壓容器，使其中水的溫度等于飽和溫度。 蒸汽凝結(jié)水由疏水管流入下降管。 疏水管和下降管相接處的高度應(yīng)保證平衡容器內(nèi)無水， 而下降管又不抽空， 即在疏水管內(nèi)保持一定高度的水。 負(fù)壓管直

16、接從汽包水側(cè)引出。 為了保證壓力引出管的垂直部分中水的密度等于環(huán)境密度， 壓力引出管的水平長度段距離要足夠大。在正常水位H 0 時，平衡容器的輸出差壓p0 為：p0( Ll ) 1 g(LH 0 ) " g(lH 0 ) ' g在設(shè)計平衡容器時，通過確定適當(dāng)?shù)腖 和 l值，使汽包壓力從很小的值變到額定工作壓力時正常水位變化（H ）下平衡容器輸出的差壓不變，從而消除差壓傳感器的零位漂移。根據(jù)零水位差壓輸出從很小的汽包壓力變到額定工作壓力時得到完全補償，可以推導(dǎo)出l 的大小為：''''l ( L H 0 )12'''12考慮

17、平衡容器輸出差壓最大值應(yīng)和差壓傳感器測量上限值一致，即在水位最低（HH 0 ）和汽包額定工作壓力時，平衡容器輸出的最大差壓等于差壓傳感器的測量上限pmax ，可推導(dǎo)出 L 為：pmaxl ( 1')gL" )g( 1聯(lián)立求解兩式，即可求得L 和 l 。應(yīng)該指出，這種結(jié)構(gòu)只能使正常水位下的差壓p0 受汽包壓力變化的影響大大減小。當(dāng)水位偏離正常水位（ H 0 ），輸出差壓 p 還會受汽包壓力的影響。2、差壓水位測量的壓力校正如上所述，上述幾種平衡容器測量水位時由于正負(fù)壓管中水溫不同，以及汽包壓力變化影響正負(fù)壓管中水的密度、汽包的飽和水和飽和汽密度而產(chǎn)生附加誤差， 特別是測量高參數(shù)

18、鍋爐的汽包水位時因汽包壓力對輸出差壓的影響，已不能滿足要求。所以，目前已廣泛采用電氣壓力校正方法， 其校正公式與平衡容器的結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，下面以汽包水位測量為例介紹幾種壓力校正方法。(1) 單室平衡容器的壓力校正將單室平衡容器的汽包水位表達(dá)式列寫出來：(1" )gHpH 0H( '" ) g根據(jù)上式組成的壓力校正系統(tǒng)f1 ( p) 和 f 2 ( p) 為函數(shù)發(fā)生器，它們接受汽包壓力信號，其輸出量為( 1" ) gH 和 ( '" ) g ，二者能自動地跟隨汽包壓力變化而變化，達(dá)到校正的目的。然后將差壓信號（ p ）與反映密度變化的信號 (

19、 1 ") gH 代數(shù)相加，在除以密度變化信號 ( ' " )g ，則測量系統(tǒng)的輸出為汽包水位，即 H 0 H 。由于采用單室平衡容器，1 會隨環(huán)境溫度而變化，為一變值，因此，測量上仍存在一定的誤差。(2)雙室平衡容器的壓力校正蒸汽罩雙室平衡容器水位的表達(dá)式為：pH0HH( 1' ' ) g ）1函數(shù)轉(zhuǎn)換器 f ( p) 接受汽包壓力信號， 輸出為 ( 1" )g ，經(jīng)乘法器與差壓信號相乘，在送入加法器與代表H 的定值電壓相減，便得到Hp" ) gH 0H( 1，即為汽包水位。3、量程遷移在上面所介紹的各種靜壓式液位測量方法都要求

20、零液位（取壓口）與壓力傳感器的入口在同一水平高度，否則會產(chǎn)生附加靜壓誤差。但是，為了讀數(shù)和維護(hù)的方便， 在實際安裝時不一定能滿足這個要求。在這種情況下，就必須進(jìn)行量程遷移。所謂的量程遷移，就是通過計算進(jìn)行修正由于傳感器入口不在零液位時造成的附加靜壓誤差，常用的是對壓力傳感器進(jìn)行零點調(diào)整，使它在只受附加靜壓時輸出為“零”。量程遷移有正遷移、 負(fù)遷移和無遷移三種情況， 下面以差壓傳感器測量液位為例進(jìn)行介紹。差壓傳感器測量液位的示意圖見上圖，其正、負(fù)壓室分別與容器下部和上部的取壓點相連通， 連接負(fù)壓室與容器上部取壓點的引壓管中充滿與容器液位上方相同的氣體，由于氣體密度相對于液體小得多，則取壓點與負(fù)壓

21、室之間的靜壓差很小，可以忽略。(1) 無遷移當(dāng)差壓傳感器的正負(fù)壓室與零液位等高，如圖（a）所示。傳感器的輸出差壓p為：pgH當(dāng) H =0 時， p0 ，差壓傳感器未受任何附加靜壓；當(dāng)HH max 時，p pmax 。這說明差壓傳感器無需遷移。如果配接變送器轉(zhuǎn)換成420mA標(biāo)準(zhǔn)電信號，則輸出電信號為4mA，表示輸入差壓值p0 ，也即 H =0；差變輸出 20mA，表示輸入差壓值為pmax ，也即 H H max 。因此，變送器的輸出電流I 與液位 H 成線性關(guān)系。(2) 正遷移在實際安裝差壓傳感器時，如果傳感器的正壓室在零液位之下，如圖（ c）所示。傳感器的輸出差壓p 為：pgHgh當(dāng) H =0 時， pghB0 ，差壓傳感器受到一個附加正差壓作用，使差壓變送器的輸出I4mA 。為使 H =0 時，差壓變送器的輸出I 4mA ，就要設(shè)法消去 B 的作用。由于 B >