第5章水位测量

1、第第5章章 水位测量水位测量学习要求学习要求5.1 水位测量的意义水位测量的意义液面：液面： 按工作原理可分为按工作原理可分为 按安装位置可分为按安装位置可分为 按显示方式可分为按显示方式可分为 水位测量仪器分类：水位测量仪器分类：火力发电厂常用水位计火力发电厂常用水位计 （1）静压式水位计静压式水位计。利用。利用液柱高度与液体静压的比例关系液柱高度与液体静压的比例关系显示水位。显示水位。（2）就地式水位计就地式水位计。利用连通管原理显示水位，如玻璃管。利用连通管原理显示水位，如玻璃管式、玻璃（云母）板式水位计和双色玻璃水位计等。式、玻璃（云母）板式水位计和双色玻璃水位计等。（3）差压式水位计

2、差压式水位计。利用液体静力学原理将水位转换成差。利用液体静力学原理将水位转换成差压，再通过测量差压来显示水位。仪表由平衡容器、差压压，再通过测量差压来显示水位。仪表由平衡容器、差压计和二次仪表等组成。如双波纹管差压计、膜片式差压计，计和二次仪表等组成。如双波纹管差压计、膜片式差压计，力平衡式电动变送器和电容式差压变送器等。力平衡式电动变送器和电容式差压变送器等。 （4）电接点水位计电接点水位计。利用锅炉饱和蒸汽及其凝结水的电导。利用锅炉饱和蒸汽及其凝结水的电导率有较大差异的原理测量水位。分为数字式和模拟式两类。率有较大差异的原理测量水位。分为数字式和模拟式两类。 （5）浮力式水位计浮力式水位计

3、。利用漂浮于液面上或沉没入液体中的。利用漂浮于液面上或沉没入液体中的浮子，其位置随液位变化而变化的原理测量水位。分为浮浮子，其位置随液位变化而变化的原理测量水位。分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式等。子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式等。（6）电容式水位计电容式水位计。 （7）光电式水位计光电式水位计。 静压式水位计静压式水位计)/(gpH （1）敞口容器测量敞口容器测量注意：压力计的测量基准点应与最注意：压力计的测量基准点应与最低液面一致，否则必须对这段液位低液面一致，否则必须对这段液位差进行补偿。差进行补偿。（2）闭口容器测量闭口容器测量)/(gpH工作原理：工作原理：

4、不可压缩液体的液柱高度与不可压缩液体的液柱高度与液体的静压成比例液体的静压成比例测量容器内液面底部与液面上部的压差测量容器内液面底部与液面上部的压差pp：注意：为消除容器内密封气体压力的影响，可在容器注意：为消除容器内密封气体压力的影响，可在容器上部设置取压导管。上部设置取压导管。又称直读式液面计，适用于低粘度液体测量。又称直读式液面计，适用于低粘度液体测量。 玻璃管液位计：适用于无压或极低压力容器玻璃管液位计：适用于无压或极低压力容器 玻璃板液位计：适用于中低压锅炉汽包水位测量玻璃板液位计：适用于中低压锅炉汽包水位测量 云母片液位计：适用于中高压锅炉汽包水位测量云母片液位计：适用于中高压锅炉

5、汽包水位测量 双色水位计：双色水位计： 适用于中高压锅炉汽包水位测量适用于中高压锅炉汽包水位测量 电接点液位计：适用于各种压力锅炉汽包水位测电接点液位计：适用于各种压力锅炉汽包水位测 量，也可用于凝汽器和工业水箱量，也可用于凝汽器和工业水箱5.2.1 玻璃管式水位计玻璃管式水位计玻璃管式玻璃管式玻璃板式玻璃板式适用于无压或极低压液位测量适用于无压或极低压液位测量5.2.2 云母水位计云母水位计将玻璃板换为云母片，即为云母水位计。将玻璃板换为云母片，即为云母水位计。适用于中高压水位测量。适用于中高压水位测量。水位计处于汽包外发生散热；水位计处于汽包外发生散热；水位计内水温低于汽包压力下水位计内水

6、温低于汽包压力下水的饱和温度；水的饱和温度；l上部饱和蒸汽不断凝结，水上部饱和蒸汽不断凝结，水温接近饱和温度；温接近饱和温度；l水温沿高度逐步降低；水温沿高度逐步降低；水的密度随温度变化而变化；水的密度随温度变化而变化；设水位计内水的平均温度为设水位计内水的平均温度为t ta a，则其平均密度为，则其平均密度为a a，汽，汽包内饱和水密度为包内饱和水密度为w w；由于密度由于密度 a a w w；造成水位计显示水位造成水位计显示水位H H 汽包实际重量水位汽包实际重量水位H H。gHgHLgH)(LgHasswsaswswsaHHHHHHHHsaawswa0Hmm :mm :60403525H

7、HHH高压锅炉中压锅炉根据电厂的实际运行根据电厂的实际运行经验，额定工况下取：经验，额定工况下取：HH汽包内实际水位；汽包内实际水位；HH水位计显示水位；水位计显示水位；LL汽水连通管高度；汽水连通管高度；s s汽包压力下饱和蒸汽密度；汽包压力下饱和蒸汽密度；w w汽包压力下饱和水密度；汽包压力下饱和水密度；a a水位计内水柱平均密度；水位计内水柱平均密度；（2）汽包工作压力一定时，与汽包内水位汽包工作压力一定时，与汽包内水位 H 有关。汽包有关。汽包实际水位实际水位H 越越大，则指示误差大，则指示误差 H H 也越大也越大 。 锅炉高水位运行时，锅炉高水位运行时，H H 高达高达100150

8、mm100150mm。（1）汽包内水位汽包内水位 H 一定时，与汽包工作压力有关。压力一定时，与汽包工作压力有关。压力越高，对应的饱和水的密度越高，对应的饱和水的密度 w w 越小，饱和蒸汽的密度越小，饱和蒸汽的密度 s s 越大，水位误差越大，水位误差 H H 越大。越大。误差分析误差分析HHHHsaaw（3）与云母水位计环境温度有关。环境温度越低，水位与云母水位计环境温度有关。环境温度越低，水位计散热越多，水位计中水的密度计散热越多，水位计中水的密度 a a 越大，测量误差越大，测量误差 H H 也就越大。也就越大。 swa保护措施保护措施（1 1）缩短云母水位计的汽水连通管高度）缩短云母

9、水位计的汽水连通管高度 L； （2 2）对云母水位计的汽水连通管加保温；）对云母水位计的汽水连通管加保温； （3 3）将云母水位计中心线的安装位置偏低于汽包中心线）将云母水位计中心线的安装位置偏低于汽包中心线约约 值，尽量接近实际水位。值，尽量接近实际水位。H5.2.3 双色水位计双色水位计1双色水位计双色水位计 利用光学系统改进显示方式，利用光学系统改进显示方式，使得汽柱显红色，水柱显绿色。使得汽柱显红色，水柱显绿色。光源光源8 8发光；发光；经过红色和绿色滤光玻璃经过红色和绿色滤光玻璃1010和和1111，形成红绿双色光；形成红绿双色光；双色光经组合透镜双色光经组合透镜1212射入水位计射

10、入水位计本体本体3 3中的测量室中的测量室5 5；测量室测量室5 5截面为梯形，其内的水截面为梯形，其内的水或蒸汽分别形成水棱镜或汽棱镜；或蒸汽分别形成水棱镜或汽棱镜；水棱镜和汽棱镜对红光和绿光的水棱镜和汽棱镜对红光和绿光的折射效果不同：折射效果不同：l 红光在汽棱镜中折射到达观红光在汽棱镜中折射到达观察窗口察窗口1717，汽柱显红色；，汽柱显红色；l 绿光在水棱镜中折射到达观绿光在水棱镜中折射到达观察窗口察窗口1717，水柱显绿色。，水柱显绿色。 加热室加热室4通入通入蒸汽加热保温蒸汽加热保温2无盲区低偏差双色水位计无盲区低偏差双色水位计 在双色水位计基在双色水位计基础上改进而来。础上改进而

11、来。双排交错显示消除双排交错显示消除显示盲区；显示盲区；凝汽罐凝汽罐1919内凝结的内凝结的饱和水，置换双色水饱和水，置换双色水位计位计1111内的水，加速内的水，加速水循环；凝结饱和水水循环；凝结饱和水含盐低，减少云母片含盐低，减少云母片结垢；结垢；饱和蒸汽进入伴热饱和蒸汽进入伴热管管1515，对表体，对表体4 4进行进行加热保温；加热保温；伴热管伴热管1515的排水管的排水管1717接至汽包下接至汽包下15m15m处，处，保证伴热管保证伴热管1515内始终内始终充满饱和蒸汽。充满饱和蒸汽。3工业电视监视汽包水位工业电视监视汽包水位通过工业电视实现远距离观察水位计水位指示。通过工业电视实现远

12、距离观察水位计水位指示。gHppp0主要由水位主要由水位差压转换容器（又称差压转换容器（又称平衡容器平衡容器）、压力信号）、压力信号导管及差压计三部分组成。导管及差压计三部分组成。由平衡容器把水位信号转换成差压信号，经差压信号导管由平衡容器把水位信号转换成差压信号，经差压信号导管传送至差压计，通过差压计显示水位的高低。传送至差压计，通过差压计显示水位的高低。 工作原理：流体静力学原理。工作原理：流体静力学原理。平衡容器分为：单平衡容器分为：单室平衡容器和双室平室平衡容器和双室平衡容器；衡容器；压力等级分为：中压力等级分为：中压、高压、超高压、压、高压、超高压、亚临界和超临界等。亚临界和超临界等

13、。平衡容器平衡容器：能造成一个恒定的水静压力，并将之与被测：能造成一个恒定的水静压力，并将之与被测水位的静压力比较，输出二者之差。水位的静压力比较，输出二者之差。（一）简单的平衡容器（一）简单的平衡容器gLpp1pp 平衡容器恒定水静压：平衡容器恒定水静压：汽包水位水静压：汽包水位水静压：gHHL 0gHH0蒸汽凝结水溢流形成恒定水静压力蒸汽凝结水溢流形成恒定水静压力使用中，通常设汽包正常水位使用中，通常设汽包正常水位H0为零刻度。为零刻度。gHgHgLppp 01对于带加热套的平衡容器对于带加热套的平衡容器gHHLp 0产生误差的原因：产生误差的原因：1 1、由于平衡容器内温度变化造、由于平

14、衡容器内温度变化造成的密度误差；成的密度误差；2 2、由于汽包压力变化造成的密、由于汽包压力变化造成的密度差度差(-”) )变化误差。变化误差。如何消除或减小误差如何消除或减小误差: :1 1、改进平衡容器，力图得到仅与水位有关的差压值；、改进平衡容器，力图得到仅与水位有关的差压值；2 2、对平衡容器输出的有误差的信号引入压力校正。、对平衡容器输出的有误差的信号引入压力校正。1（二）平衡容器的改进平衡容器的改进gHgHgLpNNNNNNN 01gHgHgLp 01对于带加热套的平衡容器：对于带加热套的平衡容器：gHHLp 0gHHLpNNN 0NPPP额定压力额定压力pN时的压差时的压差 pN

15、和任意压力和任意压力p时的压差时的压差 p：1NN1误差：误差： gHHLNNP0Mpa10,mm300,mm6000NPHL密度变化引起的平衡容器输出误差曲线图结论：正压室静压力变化大结论：正压室静压力变化大于负压室静压力变化。于负压室静压力变化。改进的平衡容器之一：正压室分两段，改进的平衡容器之一：正压室分两段，l l 段为补偿段。段为补偿段。gHlgHgHLglLppp 001如果只考虑正常水位，令如果只考虑正常水位，令H H =0=0gHlgHLglLp 001gHlgHLglLpNNNN 001若压力在若压力在ppN范围内能使误差得到范围内能使误差得到补偿，即：补偿，即： 则补偿则补

16、偿段长度：段长度：Npp补偿器假定一：水位处于上限时，平衡容器的输出差压等于零；假定一：水位处于上限时，平衡容器的输出差压等于零；假定二：水位处于下限时，平衡容器的输出差压等于差压假定二：水位处于下限时，平衡容器的输出差压等于差压计的上限。计的上限。设：设：p=pN，H=-H0，输出差压为，输出差压为pmax，则：，则：上面两式联立，求出上面两式联立，求出L和和l，二者一一对应的关系二者一一对应的关系l在正常水位（零水位）附近有较好的补偿效果在正常水位（零水位）附近有较好的补偿效果l不能消除平衡容器内冷凝水密度不能消除平衡容器内冷凝水密度1 1随温度变化带来的误差随温度变化带来的误差改进的平衡

17、容器之二改进的平衡容器之二在加热套中多加了个补偿器在加热套中多加了个补偿器补偿器补偿器补偿器将两式相除，得：将两式相除，得：测量压差测量压差p和补偿压差和补偿压差p分别为：分别为：以以Y为输出，为输出， Y仅与水位有仅与水位有关，补偿了密关，补偿了密度变化的影响。度变化的影响。（三）汽包水位信号的压力校正汽包水位信号的压力校正pKaiiti 1pKajj 在差压信号输出回路中，利用压力校正电路，对差压信号在差压信号输出回路中，利用压力校正电路，对差压信号进行校正。进行校正。对密度可按精度要求，采用多段对密度可按精度要求，采用多段直线拟合。直线拟合。式中的系数式中的系数ai，Ki，aj，Kj，可

18、依据水和水蒸气密度表，可依据水和水蒸气密度表，按需要的精度来拟合。按需要的精度来拟合。有有加加热热套套无加热套无加热套gpkapgpkaLHHjjii0gpkapLHHjj0临界参数以下，炉水电临界参数以下，炉水电阻率小于蒸汽电阻率。阻率小于蒸汽电阻率。测量筒长度由水位测测量筒长度由水位测量范围决定；量范围决定；直径由电接点数目决定；直径由电接点数目决定；电接点数目电接点数目15，17，19;与筒壳良好绝缘；与筒壳良好绝缘；绝缘材料：超纯三氧化绝缘材料：超纯三氧化二铝二铝( (高压、超高压高压、超高压) )，聚四氟乙烯聚四氟乙烯( (中、低压中、低压) )；电接点位于炉水中，电接点位于炉水中，

19、处于导通状态；处于导通状态；电接点位于蒸汽中，电接点位于蒸汽中，处于开路状态；处于开路状态；（1）散热引起的误差（连通式共有）。由于热损失，水位容器内的温度低于饱和温度，故容器内的水位较汽包实际水位低。为了减小此项偏差，应对水位容器加以保温。（2）不连续指示引起的误差（盲区）。由于电接点之间有一定的间距，当水位处于两电极之间时，仪表没有显示变化而造成指示误差，此误差等于两电极之间距。 不宜作调节信号。电接点水位传感器的主要误差来源主要有以下两个方面：电接点水位传感器的主要误差来源主要有以下两个方面：b b 双色水位显示双色水位显示a a 氖灯显示氖灯显示模拟式水位显示和数字式水位显示两类。模拟

20、式水位显示和数字式水位显示两类。1 1、模拟式水位显示、模拟式水位显示电接点位于水侧，电触点接通：电接点位于水侧，电触点接通：R R1 1产生电压降，产生电压降，VDVD1 1整流，整流，C C1 1和和R R2 2滤滤波；波；R R3 3产生较大正偏压，导致产生较大正偏压，导致V V1 1导通；导通；V V2 2偏流增大，随即导通，绿灯亮；偏流增大，随即导通，绿灯亮；V V3 3偏压小于阀电压而截止，红灯灭。偏压小于阀电压而截止，红灯灭。电接点位于汽侧，电触点断开：电接点位于汽侧，电触点断开：R R1 1无电压降无电压降R R3 3无正偏压，导致无正偏压，导致V V1 1断开；断开；V V2

21、 2无偏流，随即断开，绿灯灭；无偏流，随即断开，绿灯灭；R R6 6产生正偏压，导致产生正偏压，导致V V3 3导通，导通，红灯亮。红灯亮。2 2、数字电接点显示仪表、数字电接点显示仪表DYS19数字式水位计原理方框图数字式水位计原理方框图水面下最近电接点输出水面下最近电接点输出“1”，水面上最近电接点输出，水面上最近电接点输出“0”；全部电接点中，仅水面上下相邻两电接点的输出组合具有全部电接点中，仅水面上下相邻两电接点的输出组合具有（1，0）特性；特性；将其转换为数字量度。将其转换为数字量度。显示 三位数字和、号（显示器件为辉光数字管）；报警 50mm水位报警显示并有接点信号输出；保护 20

22、0mm水位保护接点信号输出；输出模拟信号：010mA（对应-300+300mm）。 3. .汽包水位内置式电极传感器汽包水位内置式电极传感器图 汽包水位内置式电极测量装置示意图1固定支架；2电极传感器；3传感器的延长电缆；4水侧取样管；5汽侧取样管；6显示仪表；7电缆；8引出箱；9固定座；10密封垫（环）11压盖秦皇岛华电测控设备有限公司研发（专利号秦皇岛华电测控设备有限公司研发（专利号ZL 200420073417.2）n磁翻板水位计磁翻板水位计 属于浮力式水位计。属于浮力式水位计。薄导磁金属片制成翻版片，两薄导磁金属片制成翻版片，两面涂上不同颜色，如面涂上不同颜色，如红红、绿绿色；色；翻版

23、片排列组成翻版列，安装翻版片排列组成翻版列，安装在浮子旁；在浮子旁；浮子上装有磁钢；浮子上装有磁钢；浮子位置随液位变化而变化；浮子位置随液位变化而变化；磁性浮子升降时，带动翻版片磁性浮子升降时，带动翻版片绕轴翻转；绕轴翻转；浮子以上翻版片是浮子以上翻版片是同一面颜色同一面颜色；浮子以下翻版片是浮子以下翻版片是另一面颜色另一面颜色；特点：显示与介质分开。特点：显示与介质分开。一、热电阻液位计一、热电阻液位计RT测量过程中应尽量减少传向低温液体的热量。测量过程中应尽量减少传向低温液体的热量。工作原理：在低温容器多个不同位置工作原理：在低温容器多个不同位置处处(如底部、中部和下部等如底部、中部和下部

24、等)，分别安，分别安装液面传感器，通过测量电阻值大小，装液面传感器，通过测量电阻值大小，大概判断出液面的位置。大概判断出液面的位置。（1 1）定点式液面计）定点式液面计电阻（碳）电阻（碳）47，22加热丝（锰铜丝）加热丝（锰铜丝）0.05mm,200工作电流工作电流:40mAl 处于低温液面下的电阻，液体导热性处于低温液面下的电阻，液体导热性好，电阻温度低，电阻值大；好，电阻温度低，电阻值大；l 处于低温液面上的电阻，蒸气导热性处于低温液面上的电阻，蒸气导热性差，电阻温度高，电阻值小。差，电阻温度高，电阻值小。特点：结构简单，测量电路要求不特点：结构简单，测量电路要求不高，适用范围广，灵敏度较

25、高。广高，适用范围广，灵敏度较高。广泛用于各种低温液体液面的测量。泛用于各种低温液体液面的测量。 （2 2）连续式液面计）连续式液面计显示液面高度显示液面高度工作原理：在低温容器中插入液面传感器，传感器位于液工作原理：在低温容器中插入液面传感器，传感器位于液面上、下两部分长度，随液面的变动而改变，故传感器的面上、下两部分长度，随液面的变动而改变，故传感器的平均电阻随液面的变化而变化，通过测量传感器的平均电平均电阻随液面的变化而变化，通过测量传感器的平均电阻值来测量出液面的位置。阻值来测量出液面的位置。调整加热丝调整加热丝(锰锰铜丝铜丝)工作电流工作电流传感传感器铂器铂电阻电阻二、超导式低温液面计二、超导式低温液面计工作原理：某些金属或合金在低温工作原理：某些金属或合金在低温下具有超导性能，浸入液体时呈现下具有超导性能，浸入液体时呈现超导态，电阻为零；未浸入液体时超导态，电阻为零；未浸入液体时呈现正常状态，电阻为某一值。呈现正常状态，电阻为某一值。（1 1）定点式液面计）定点式液面计l探头电阻：铌钛线绕制，直探头电阻：铌钛线绕制，直径径0.1mm，长度，长度40l加热丝：康铜丝绕制，直径加热丝：康铜丝绕制，直径0.08mm，长度，长度50mm l探头浸没在液体中，指示灯亮；探头浸没在液体中，指示灯亮；l探