第四章液位检测

1、主要内容主要内容 v4.1 4.1 液位测量概述液位测量概述v4.24.2云母水位计与双色水位计云母水位计与双色水位计v4.34.3电接点水位计电接点水位计v4.44.4压差式水位计压差式水位计v4.54.5其他液位测量方法其他液位测量方法第4章 液位检测及仪表 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物位计物位计 物位测量包括液位测量和料位测量。 一、液位测量的意义问题：火电生产过程中的锅炉汽包内的水位。 水位过高影响？： 水

2、位过低影响？：4.1 液位测量概述 汽包水位过高，造成汽水分离困难，蒸汽带水，造成汽机进冷汽或水冲击，后果将是灾难性的；主要表现在对后面的过热器等会产生不利影响，具体表现在出力低或加重过热器的负荷，有可能过热蒸汽温度低，轻则发不了电，重则损坏汽轮机等。 汽包水位过低，由水面到下降管的入口高度减小，静压降低，下降管人口水可能自行汽化，引起下降管带汽，可能破坏正常的水循环（下降管带汽，使水循环停滞或倒流），造成一部分水冷壁得不到锅水循环的冷却而过热烧坏，更严重的就是干锅，后果也还是灾难性的！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

3、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水位过低一、汽包水位测量的背景知识液位检测的主要方法 连通式液位检测位检测 静压式静压式液位检测位检测 浮力式浮力式液位检测位检测 电气式电气式液位检测位检测 声学式声学式液位检测位检测 射线式射线式液位检测位检测锅炉汽包水位测量种类：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。4

4、.2 云母水位计与双色水位计一、云母水位计 问题：汽包内汽水界面分明么？如果不分明，如何测量？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。0HHswsavw w, , s s为汽包饱和压力下为汽包饱和压力下饱和蒸汽和水的密度饱和蒸汽和水的密度2、云母水位计的结构、云母水位计的结构1 1 ）原理）原理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2)汽包的重量水位H和云母水位计示值H0之间的误差?：（1）云母水位计中的水的平均密度av不等于

5、汽包内饱和水的密度时w ，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3）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。二、二、 双色水位计双色水位计2

6、、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。 优点：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 3）多窗式双色水位计多窗式双色水位计: :4.3 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。 共有3竖行夹角1202 具体结构：电接点水位计由水位传感

7、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。显示仪表： 氖气显示仪表显示电路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

8、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。4.4 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 ppp由上式容易看出：输出的差压信号受由上式容易看出：输出的差压信号受汽包压力和平衡容器侧水柱温度的影汽包压力和平衡容器侧水柱温度的影响。响。误差原因误差原因: :平衡容器水柱温度分布不均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和汽包压力的变化导致密度不是标称值。2 2、误差、误差? ?HggHgLswswsa)

9、()()(01 1、公式、公式gHHLgHHgLpswa)()(00平衡平衡容器容器在图(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)()(00g)(HHL(sw02 2、公式、公式1 1、特点、特点? ?二、双室平衡容器二、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gHHL

10、swp)(0误差原因误差原因: :汽包压力的变化汽包压力的变化3 3、误差原因、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。w实际S实际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） 定义：对压力定义：对压力( (差压差压) )变送器进行零点调整，使它变送器进行零点调整，使它在只受附加静压时输出为在只受附加静压时输出为“零零”，这种方

11、法称为，这种方法称为“量程迁移量程迁移”。 根据迁移量及方向又分为：无迁移、负迁移、正迁移1）无迁移P001ppHg0pp1pppHg 当当H H0 0时，时，P P0 0，差压变送器未受任何附加，差压变送器未受任何附加静压，当静压，当H H达到最大时，达到最大时， P P也达到最大值。也达到最大值。2）负迁移P0h1h2H1210phgHgp220phgp1pppHgB 212()Bhhg当当H=0H=0时，时，p=p=B0BOCO，故需要正，故需要正迁移，迁移量为迁移，迁移量为C C。4.5 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

12、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 1、恒浮力式、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，hx, Hh 0mgCxHhx 0()mgAh gC xxAh gC xCHxA gA:浮子截面面积弹簧被压缩弹簧被压缩产生的位移量产生的位移量h弹簧弹簧( (桶桶) )的位的位移改变量移改变量当液位变化时，使浮简产生位移，其位移量当液位变化时，使浮简产生位移，其位移量x x与液位高度与液位高度H 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。成正比关系；通过

13、差动变压器使输出电压与位移成正比关系。 液位高度液位高度二、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。 1、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 灵敏度灵敏度可用于非导电液体的液位检测，也可用于固体颗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。粒的料位检测。 Ri13 若被测介质为导

14、电性液体，若被测介质为导电性液体，对于这种介质的液位检测，对于这种介质的液位检测，电极要用绝缘物，介电常电极要用绝缘物，介电常数为数为3 3( (如聚乙烯如聚乙烯) )覆盖作覆盖作为中间介质，液体和外圆为中间介质，液体和外圆筒一起作为外电极。筒一起作为外电极。三、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。之间的反射特性来检测物位。 超声波？特点？超声波？特点？声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振动频率在可以引起人的听觉范围的波，称程，当振动频率在可以引

15、起人的听觉范围的波，称为闻声波；更低频率的机械波称为次声波；为闻声波；更低频率的机械波称为次声波；20kHz20kHz以上频率的机械波称为超声波。作为物位检测，一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。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在常温下空气中的声速约为334m334ms s，在水中的，在水中的声速约为声速约为1440m1440ms s，而在钢铁中约为，而在钢铁中约为5000m5000ms s。 声速还与介质所处的状态声速还与介质所处的状态( (如温度如温度) )有关。例如理有关。例如理想气体的

16、声速与绝对温度想气体的声速与绝对温度T T的平方根成正比，对的平方根成正比，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，声波在介质中传播时会被吸收而衰减，衰减的程衰减的程度与介质性质有关：度与介质性质有关：气体中衰减最大，液体其次，气体中衰减最大，液体其次，固体中衰减最小，固体中衰减最小， 声波在介质中传播时声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率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，有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声因此超声波比其

17、他声波在传播时的衰减更明显。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，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，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。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，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，几乎全部或固体传播

18、到气体，或相反的情况下，几乎全部被反射。被反射。 超声波特性3超声波液位计几种测量原理 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。四、四、 热学法热学法 在冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。由于测量条件的特殊性，目前除使用核幅射法外，还常用热学方法进行检测。它利它利用了高温熔融液体本身的特性，即在空气和高用了高温熔融液体本身的特性，即在空气和高温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。热学法按温

19、度测量转换原理的不同，通常又分为热电法热电法和热磁感应热磁感应法法。 5.1 5.1 热电法热电法 热电法采用热电偶测量温度场，右图为热电偶测量高温金属熔液液位原理图。 图中:a-容器壁；b-凝固金属 ；c-钢水；d-热电偶。 在容器壁上选定一系列测量点，装上热电偶，并将各测点上热电偶的输出记录下来，得到如图所示的温度-电势分布曲线，曲线上反映出第7个和第8个测点之间产生了温度突变，因此液面就在第7与第8测点之间。 温度-电势分布图 热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高；而且而且精度与热电偶分布、精度与热电偶分布、安装情况有关。安装情况有关。适当减小各热电偶的间距、增加测量点，

20、则可提高金属液位测量分辨力和测量精度。 另外，热电偶工作端与容器的接触点要细而牢固，为此可将热电偶丝焊在容器壁上，由容器壁充当热电偶的另一极。 这种测量方法虽然精度不高，但很可靠；在连铸机结晶过程等应用场合中，仍是一种很适用的液位检测控制方法 5.2 5.2 热磁感应法热磁感应法 热磁感应法也称热磁敏法热磁感应法也称热磁敏法. . 前面热电法测温元件为一组耐高温热热电法测温元件为一组耐高温热电偶电偶，它们把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电势大小的变化； 热磁感应法测温元件为一组热磁感应法测温元件为一组热敏磁性热敏磁性元件元件，把金属熔液液面处温度场出现变化转换为电抗（电感）大小的变化。 5

21、.3微波法 在电磁波谱中将波长为1-1000mm的电磁波称为微波。微波的特点是在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力 。 1、反射式微波液位计 利用微波反射的原理制作的液位计，可以实现连续检测与液位定点控制。通常微波发射天线倾斜一定的角度向液面发射微波束，波束遇到液面即发生反射，反射微波束被微波接收天线接收，从而测定液位，其原理如上图 2. 调频连续波式物位计 通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情

22、况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。但价格比较贵磁电法磁电法 利用磁电转换原理磁电转换原理进行液位测量的磁致伸缩液位计是近年来推出的新产品。 磁致伸缩液位计原理图 BB两个磁场B和B相遇，磁致伸缩线扭曲形成扭应力波脉冲，脉冲速度已知，计算脉冲传播时间即对应液位精确变化 优点： 磁致伸缩液位精度较高，可测油水分界面 缺点：由于其接触的测量方式和较高的安装、维护要求导致市场普及不广。总结 在液位检测中，静压式和浮力式检测方法在液位检测中，静压式和浮力式检测方法是最常用的是最常用的. . 优点：优点：结构简单、工作可靠、精度较高等。结构简单、工作可靠、精度较高等。 缺点：缺点：不适用于高粘度介质或易燃、易爆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。等危险性较大的介质的液位检测。 优点：优点：结构简单结构简单 缺点：缺点：电容量及电容随物位的变化量较小，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；介质的介电常数变化的影响； 电容式物位计电容式物位计超声波物位计超声波物位计 优点：优点：使用范围较广，液位、粉末、块状的使用范围较广，液位、粉末、块状的物位均可测量，实现非接触式测量。物位均可测量，实现非接触式测量。 缺点：缺点：由于探