东北电力大检测技术及仪表讲义05物位测量

5物位测量5.1概述5.1.1测量液位的意义在电厂生产中，经常要监测和控制各种容器中的介质分界面的位置例如汽包水位、凝汽器水位、粉仓粉位等等。以汽包水位为例：水位过高：蒸汽带水饱和水中的盐在管壁结垢，使得热效率降低，而且过热器管子易烧坏；水位过低：水冷壁管易爆管（有烧干锅的危险）随着锅炉容量的提高，使得水的容积相对的减小，气包水位变化很快，所以对于汽包水位的监测就更显得非常的重要。5.1.2液位测量的方法静压法原理：在容器中液面下的某一固定点的静压力与液面的高度成正比浮力（浮子）式：（图）电气式原理：把液位变化直接变成某种电气量的改变。例如，电容式（图）超声波法原理：气液分界面密度差很大，超声波在界面被反射，所以超声波从发射到接收的时间即可反映液面的位置（图）设从出到入的时间为△t，则H=1/2α△t，其中，α是超声波在液体中的传播速度。放射性同位素液面计（核辐射片）原理：放射性同位素所放出的射线（如γ），有很强的穿透能力，但是要被中间介质所吸收而减弱强度，测出最终穿透的辐射强度即可知液面。公式：I=Ie其中：I和I分别是原始辐射强度和经过液体后的辐射强度μ——液体的吸收系数l——液面高度称重式：原理：形状一定的容器，其中介质的高度和重量成正比，所以可以称出整体的重量来反映介质的堆积的高低。汽包水位的特点汽和水均处于同一压力下的饱和状态，其密度分别为饱和水ρ和饱和汽ρ。水中含有大量的气泡，由此造成：实际水位高于重量水位（重量水位：假定水侧的气泡全部排到汽侧的水位，即汽水分离后的水位）汽水分界面不明显，一般以湿度的拐点作为分界面。5.2连通器液位计又称为直读式液位计，普通用于低粘度的液体的测量。原理：利用连通器取样，在连通器上直接显示液面的高度。问题：当被测容器中的液体与连通器（液位计）中的液体有温差时，二者的液位高度不同（密度有变化）。例如：利用连通器测量汽包水位，水位计中水被环境冷却ρ增大，ρ>ρ,所以，它反映出水位的低于实际水位。办法：保温、加热、校正例如：在电厂中中压锅炉读出水位比实际水位低25~35mm；高压锅炉的读出水位比实际的低40~60mm。就地云母水位表玻璃管式：低压或极低压液位玻璃板式：中压、低压（水腐蚀玻璃，透明度下降）云母式：高压特点：简单可靠；不能远传，读数困难。双色水位计特点：双色水位计双色显示，读数清晰，结构简单，易远传（工业电视）；加入热装置可降低误差。结构（图）光学原理：光源→红光和绿光→分离成两光束→折射率（绿光>红光）汽充满测量室时，正如绿光折射到不透明的挡板上，而红光从窗口射出；当水充满到测量室时，则相反，红光折射到挡板上，而绿光从窗口射出。说明：由若干显示窗组成的光柱即可代表水位和汽位的分界（多窗式）。缺点是有一小段不透明的部分（盲区），若折射方位为水平方向即：挡板和显示口处于水平方向，则显示窗可以连续（中间没有不透明的部分），这种为单窗式。加热室：引入饱和蒸汽，使得测量室内水温与汽包内水温接近，可减小ρ不同而引起的误差。电接点水位计（自学）是一种日益广泛的应用的远传仪表。组成：电接点式水位传感器和电气显示部分电接点传感器的原理：汽与水导电性能的差别：它是电接点水位计工作依据的重要性质。汽的电阻率：10Ωcm水的电阻率：几十到几千Ωcm（一般金属ρ=n×10Ωcm）在同样的尺寸下，汽的电阻比水大得多。从电阻的绝对值上来看：汽——绝缘体；水——高电阻的导体。测量原理：结构：测量筒上下分别与汽包连通，所以测量筒内的水位反映了汽包水位，测量筒壁上沿高度排列若干的电接点，它们与测量筒绝缘，每个接点都连接一个指示灯，所有的指示灯组成显示屏。水面上部的电接点与公共接点之间隔着汽R→∞，所以所有的指示灯灭；水面下部的电解点以水为导体，形成了电回路，所以灯亮。由灯的亮灭，可以反映出水位的高低电接点水位传感器的主要误差来源散热引起的误差（连通式共有）不连续指示引起（盲区），不宜作调节信号。解决办法：保温加热，合理布置接点位置。电接点水位计的显示方法：模拟式：目前较多数字式：正在（）显示元件主要有：氖灯、代放大器的双色显示采用氖灯的显示电路：组成：电源、电接点、氖灯、限流电源氖灯特性：U>U，灯亮，否则不亮，工作电流≤0.5mA，否则寿命下降，所以需要加限流电源。工作情况：汽侧接点：因为R→∞，所以电源电压降全降在接点上，氖灯U很小，所以灯不亮。水侧特点：R减小，：U上升，满足U>U，灯亮加R的作用：汽侧灯本应不亮，但是由于导线很长，导线间的分布的电容较大，所以有漏电流流过分布电容，此电流虽然不大，但是流过氖灯，使得氖灯“暗亮”，导致显示不清（交流供电，所以电容导电），加R对于分布电容漏电流起分流作用，使得流过氖灯的漏电流下降，不致发光。注意：R不能太小，否则到水侧时，U也达不到U。带放大器的双色显示电路特点：利用普通灯泡，汽侧显示“红色”，水侧显示“绿色”显示线路：每个接点附一个放大器，驱动一对红绿灯。（图）原理：水侧时，电接点闭合，R上有电流通过，产生压降，经D整流，C滤波，R有直流压降，BG通，BG通，绿灯亮，此时，V很小（接地），所以BG止，红灯灭；汽侧，电接点断开，R上没有压降，BG止，BG止，BG通，所以，绿灯灭，红灯亮。显示屏中的红绿灯分布：（图）电接点水位计的特点：优点：能真实的反映水位（不受干扰因素的影响）缺点：不能反映水位的连续变化（阶梯式的），存在死区，容易泄漏，维护量大。5.3差压式低置水位计差压式低置水位计的引出：静压法：P→H时最容易接受的方法，但是汽包为有压容器，即液体中的某一点的压力P=f(H，P)不是单值函数，P变化频繁，所以H误差很大。为了解决上述问题，可以测出底部的静压和汽部压力，即P-P→H即为差压概念。问题：汽部压力取样点位置不好定（理论上应为液面处的压力值，而液面是变化的，所以点不好定）；取压管为有凝结水，带来误差（汽侧压力偏高）。3、为了解决差压中存在的上述问题，人们自然就想到了平衡容器配差压计的方法，也就是差压式低置水位计。这种水位计是目前应用最广的一种远距离水位计。组成：平衡室、差压计（就地显示）；平衡容器、差压计变送器，显示仪表（远传）测量原理简单平衡容器（图）结构：汽包水侧开一取压口，汽侧开一取压口，经过冷凝器的冷却，所以水位恒定。以水侧取压口的高度A——A为基准高度，O—O位零水位，高度H，工作水位高度为H+△H原理：（差压与水位之间的关系）设汽侧取压口高度汽压为PA——A：P=P+ρLgP=P+[L-(H+△H)]ρg+(H+△H)ρg得：△P=P-P=ρLg-[L-(H+△H)]ρg-(H+△H)ρg=(ρ-ρ)Lg-(H+△H)(ρ-ρ)g注意：A——A面以下，取压管路完全相同，差压计取得的差压=△P结论：a）L一定，ρ、ρ、ρ一定，则△P只取决于液面高度(H+△H)，所以测出的差压即可直接标定出水位，L、g、H可定为常数。b）实际上，ρ、ρ（饱和蒸汽重度）随工作压力改变，ρ随环境（平衡容器）温度而改变，从而影响△P数值，引起测量误差。双室平衡容器1）目的：用来消除ρ随环境温度改变引起的测量误差。由△P=(ρ-ρ)Lg-(H+△H)(ρ-ρ)g可知，当环境温度改变，ρ由ρ变成ρ而引起差压变化。δ=△P-△P=(ρ-ρ)Lg-(H+△H)（ρ-ρ）g=L(ρ-ρ)g2）结构：（图）平衡容器均由两个容器组成，与水侧连通的称为负压室；与汽侧连通的称为正压室（正压室水位恒定）图中负压室穿过正压室，以负压室中的饱和水，饱和汽加热正压室中的水，使之密度为r，但是由于正压室向外传热，所以ρ>ρ，但是比较稳定.图中负压室包在正压室的外边，正压室与外无接触。图中在（2）的基础上，正压室中间又通入了一根管子，管子的上端与汽侧相通，下端通入下降管（管中是饱和水，汽）所以可对正压室加热。ρ≈ρ图中用饱和汽同时加热，正压室和负压室效果最好。原理：由（1）：△P=(ρ-ρ)Lg-(H+△H)(ρ-ρ)g由（2）（3）：△P=（L-H-△H）(ρ-ρ)g可见（2）（3）中不含ρ，环境温度改变不会引起测量误差了。问题：当汽包工作压力改变时，ρ、ρ改变，也会引起误差，即同一液位输出的△P不同。解决办法：改进平衡容器；引入压力补偿。结构补偿式平衡容器结构：把正压室的信号管的L分成两段，上面一段l处于饱和水状态（ρ），其重度随工作压力的改变而改变，而下边一段处于环境温度之中（ρ），认为是温度恒定的,所以ρ不变。上边管段称为补偿管，选择l的适当的高度，可以达到一定的补偿效果。补偿管高度的计算：（l）由图可知，在任意的压力下，△P=[lρ+(L-l)ρg]-[(L-H-△H)ρ+(H+△H)ρ]g=L(ρ-ρ)g-l(ρ-ρ)g-(H+△H)(ρ-ρ)g在额定压力下，△P=L(ρ-ρ)g-l(ρ-ρ)g-(H+△H)(ρ-ρ)g先分析在正常水位下（零水位）（△H=0）△P-△P=L(ρ-ρ)g-l(ρ-ρ)g-H[(ρ-ρ)-（ρ-ρ）]g令△P-△P=0，则有l={L(ρ-ρ)g-H[(ρ-ρ)-（ρ-ρ）]g}/(ρ-ρ)g=L(ρ-ρ)/(ρ-ρ)+H（ρ-ρ）/(ρ-ρ)+H=(L-H)(ρ-ρ)/(ρ-ρ)+H令α=(ρ-ρ)/(ρ-ρ)，则l=α(L-H)+H可见，当L、H在一定时，l取决于α(α取决于P)补偿局限性的讨论：上述公式推导时，有两个关键的假设△H=0和P=P→△P-△P=0，此时为完全补偿。a)△H≠0时，△P-△P=0b)△H=0但是P≠P，△P-△P≠0所以完全补偿时，只有△H=0，P=P的条件下的一点，其余点有一定的补偿效果，但是不能达到完全补偿。c)推导公式时还没有考虑r随环境温度变化引起的误差。双差式平衡容器它是消除压力影响的一种综合性的补偿办法结构：（图）在蒸汽罩中有两个溢流环，高度不同，分别引出压力P、P，其中P作为侧两用，P作为补偿用。原理：△P=Lρg-[(L-H-△H)ρ+(H+△H)ρ]g=(L-H-△H)(ρ-ρ)g①△P=P-P=Lρg-Lρg=L(ρ-ρ)g②①/②得：△P/△P=(L-H-△H)/L=(L-H)/L-△H/L③由③可见，△P/△P与ρ、ρ无关（与压力无关），只取决于△H，所以看出△P/△P为输出信号即可消除压力的影响，任意水位均可完全补偿。实现方案：（图）特点：补偿效果好；复杂，很少用。平衡容器的输出压差的误差性能这里分析的是在一定水位时，由于压力P偏离设计（额定）压力P而引起的输出差压的误差与哪些因素有关，有何规律。不同的平衡容器，其分析方法基本相同，这里以双室平衡容器为例加以说明：前已经得出：在任意的压力P下：△P=(L-H-△H)(ρ-ρ)g而在额定的工作压力下，(H+△H)不变，则得到的差压△P=（L-H+△H）(ρ-ρ)g①-②得：δ=△P-△P=（L-H-△H）（△ρ-△ρ）g可见：影响误差的主要因素是：平衡容器的尺寸L，工作压力（r、r），水位(H+△H)。对于确定的平衡容器，显然，△P-△P=f(P，△H)结论：1）水位越低，误差越大，水位越高，误差越小；2）在同一水位下，P与P差别越大，δ越大，且P>P，δ<0；P<P，δ>0在水位差压关系中引入压力信号这是目前日益广泛采用一种方法思想：差压信号能够反映出水位的高低，但是由于工作压力的变化使重度改变，从而使得测量产生误差，前面讲道德平衡容器的改进方法是想办法使测出的差压不受或者少受重度的影响，而在这里要讲的是实际测出的压力的变化值，进入对差压信号进行运算补偿。用简单的平衡容器时的校正方法（不同的容器方法不同）∵△P=L(ρ-ρ)g-(H+△H)(ρ-ρ)g∴(H+△H)=[L(ρ-ρ)g-△P]/(ρ-ρ)g前边已经做过(ρ-ρ)～P和（ρ-ρ）～P的曲线（设环境温度一定）并且指出，在一定的范围内，可近似用线性关系表示，即可写成线性方程：（ρ-ρ）g=（a+bP）g(ρ-ρ)g=(c+dP)g这样就可以近似用压力信号的函数代替信号(ρ-ρ)和（ρ-ρ）即：(H+△H)=[L（a+bP）g-△P]/(c+dP)g=[f(P)-△