第七章 液位测量.ppt

第七章液位测量 液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低 用来测量液位的仪表称为液位计 这里只介绍应用较为广泛的浮力式 差压式 电气式液位计的结构 原理及应用 第一节静压式液位计一 利用静压差测量液位的原理静压式液位检测方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的 其原理如图7 1所示 根据流体静力学原理可得 图7 1静压式液位计原理 当容器为敞口时 则P0为大气压 上式变为 二 压力表测量液位计当压力仪表与取压点 零液位 不在同一水平位置时 应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正 图7 2压力式液位计 a 压力表测液位 b 法兰式压力变送器测液位 三 法兰式压力变送器液位计由于对于粘稠液体或有凝结性的液体 为避免导压管堵塞 可采用法兰式压力变送器和容器直接相连 其在导压管处加有隔离膜片 导压管内充人硅油 借助硅油传递压力 容器与压力表之间用法兰将管路连接 故称 法兰液位计 四 压差式液位计如图7 3所示 差压液位计指示值除与液位高度有关外 还与液体密度和差压仪表的安装位置有关 实际安装时不一定能满足压力检测仪表安装在零液位处 采用法兰式差压变送器时 由于在从膜盒至变送器的毛细管中充以硅油 无论差压变送器在什么高度 一般均会产生附加静压 可通过计算进行校正 更多的是对压力 差压 变送器进行零点调整 使它在只受附加静压 静压差 时输出为 0 这种方法称为 量程迁移 一 无迁移当液位H在0 Hmax范围内变化时 对应的 P在0 Pmax范围内变化 变送器输出IP在量程上下限间相应变化 图7 3压差式液位计原理 a 无迁移 b 负迁移 c 正迁移 二 负迁移这样就破坏了变送器输出IP与液位之间的正常关系 调整变送器上的迁移弹簧 使变送器在H 0 输出IP为量程下限 在H Hmax时 为最大差压 变送器输出IP为量程上限 这样就实现了变送器输出与液位之间的正常关系 称为负迁移量 三 正迁移图7 3 c 所示的测量装置中 液位高度H与压差之间的关系为 五 高位水箱的液位测量在液位计系统中接入一个U形管压差计 便可将液位计接到比容器位置低得多的场所进行液位测量或监控 图7 5所示为锅炉中测量锅筒水位的水位计工作原理图 这种水位计可以安装到位置比锅筒低得多的运行人员操作台上进行锅筒水位监控 在正常工况下 化简上式可得 在锅筒水位降低h值条件下 设低地位水位计的横截面积为f1 膨胀室的横截面积为f2 则由式 7 6 7 7 7 8 可得 第二节电接触式液位计 一 电容式液位计电容式液位传感器是利用被测物的介电常数与空气 或真空 不同的特点进行检测的 电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的测量线路组成 图7 6导电液体的电容式液位测量1 导电液体 2 容器 3 不锈电极 4 绝缘套 一 测量导电液体的电容式液位传感器当液位高度为H 0时 圆筒电容器的电容量C0为 当液位高度为H时 圆筒电容器的电容量C为当容器内液位高度有零变化到H时 圆筒电容器的电容变化量 C为 通常 D0 D 0 则上式可简化为当电极确定后 D d为定值 上式可写为可见 当电极确定后 D d为定值 传感器的电容变化量与液位的变化量呈线性关系 测出电容变化量就可求出被测液位 且绝缘套管的介电常数 较大 D d较小时 传感器的灵敏度较高 二 测量非导电液体的电容式液位传感器图7 7非导电液体的电容式液位测量1 非导电液 2 容器 3 不锈钢外管 4 不锈钢内管 5 绝缘套 当被测液位H 0时介质是空气 电容器的电容量为当液位为H时上下介质分别是空气和液体 电容C为当容器液位高度有零变化到H时 电容变化量 C为可见 当电极确定后 D d为定值 传感器的电容变化量与液位的变化量呈线性关系 测出电容变化量就可求出被测液位 二 电接点液位计由于密度和所含导电介质的数量不同 液体与其蒸汽在导电性能上往往存在较大的差别 电接点液位计正是利用这一差别进行液位检测的 通过液体汽 液相电阻的不同指示液位高低 电接点液位计的基本组成和工作原理如图7 8所示 图7 8电接点液位计测量原理1 汽包 2 测量筒 3 电极 4 绝缘套 5 指示灯 电接点液位计得到了较为广泛的应用 尤其是在锅炉汽包水位的测量中 由于其测量结果受汽包压力变化的影响很小 故适用于锅炉变参数工况下的水位测量 但是 这种液位计的液位指示信号具有非连续的阶跃性 因此不宜作为液位连续调节的信号传感器 用电接点液位计测量锅炉汽包水位时 除了上述误差外 最主要的误差是测量筒内水柱温降所造成的测量筒水位与汽包重力水位之间的偏差 因而应该对测量筒采取保温措施 第三节浮力式液位计 浮力式液位检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子 也称浮标 随液面变化而产生的位移检测液位 或利用沉浸在被测液体中的浮筒 也称沉筒 所受的浮力与液位的关系检测液位 前者为恒浮力式检测 一般称浮子式液位计 后者为变浮力式检测 一般称浮筒式液位计 一 浮子式液位计浮子漂浮在液面上 其平衡关系为图7 9浮子式液位计测量原理1 浮子 2 绳索 3 重锤 4 刻度尺 当液位上升时 浮子所受浮力F增加 则W1 F W2 使原有平衡关系被破坏 浮子向上移动 但浮子向上移动的同时 浮力F减小 W1 F又增加 直到W1 F又重新等于W2时 浮子将停留在新的液位上 图7 9所示的浮子式液位计只能用于敞口容器 在密闭容器中的应用如图7 10所示 在密闭容器中设置一个测量液位的通道 通道的外侧装有导轮1 浮子2 磁铁3 通道内侧装有铁芯4 当浮子随液位上下移动时 铁芯被磁体吸引而同步移动 通过绳索带动指针指示液位的变化 图7 10浮子式液位计在密闭容器中的应用1 导轮 2 浮子 3 磁铁 4 铁芯 5 非导磁管 图7 11浮子式钢带液位计工作原理1 导向管 2 盘簧轮 3 钢带轮 4 钢带链轮 5 显示盘 6 齿轮 7 导轮 8 钢带 9 浮子 二 浮筒式液位计当液位高度H为零时 浮筒重力与弹簧力平衡图7 12浮筒式液位计检测原理 液位高度为H 浮筒由于向上移动实际浸没在液体中的高度为h 浮筒移动的距离即弹簧的位移改变量 X根据力平衡可知由式 7 18 7 20 得一般h X 由式 7 19 可得 H h H可表示为 变浮力物位检测方法实质上就是将液位转换成敏感元件浮筒的位移变化 可应用信号变换技术进一步将位移转换成电信号 配上显示仪表在现场或控制室进行液位指示和控制 图7 12是在浮筒的连杆上安装一铁芯 可随浮筒一起上下移动 通过差动变压器使输出电压与位移成正比关系 从而检测液位 第四节超声波液位计 一 声学法液位计工作原理声学法液位计利用声波传播过程中的一些物理特性如声速 声波反射或声波减弱等来测量液位的 声波式液位计是一种非接触式物位计 无可动部件 不受被测介质的导电率 导热系数或介电常数等的影响 因此应用面广 可用于有毒 有腐蚀性 高粘度液体的测量 但不宜用于含气泡 悬浮杂质和波浪较大的液体液位测量 否则会因乱反射而产生误差 此外 这种液位计因设备较复杂 价格较高 声波液位计可以采用频率较低的声频或频率较高的超声频发射声波 对气体介质一般用声频 因为超声频在气体中声能衰减较大 对液体或固体介质可用超声频 超声波是指频率高于20kHz的声波 超声波声束集中 不易扩散 可提高测量精度 图7 13声波反射式液位计工作原理 a 液体中反射 b 气体中反射 c 固体中反射 二 超声波液位计超声波液位计由超声波换能器和测量电路组成 超声波换能器作为传感器检测液位的变化 并把液位变化转换为电信号 通过测量电路的放大处理 由显示装置指示液位 超声波换能器是根据压电晶体的 压电效应 和 逆压电效应 原理实现电能一超声波能的相互转换 其原理如图7 14所示 图7 14压电效应原理图 a 正压电效应 b 逆压电效应