第五章 水位测量

第五章液位测量第一节液位测量概述一、概述在工业生产过程中，液位往往是很重要的控制参数。对于一般储液装置内所储存液体的多少对生产过程的影响是不可忽视的。比如火电生产过程中的锅炉汽包内的水位就直接影响汽水系统循环的效果以及送出蒸汽的质量。二、液位测量的方法1.浮力式2.静压式静压式液位传感器是基于流体静力学中一定液柱高度的液体产生一定压力的原理。液位—压力转换的方式主要有压力式和差压式。3.电气式电气式液位测量是直接将液位转换为电阻、电容、电感等量值的变化。4.声波式三、锅炉汽包水位测量火电生产过程中一般都是采用云母水位计、差压水位计和电接点式水位计等测量汽包水位。由于汽包内汽水界面不像一般储水容器中那样分明，所以汽包水位的测量目前都是测量汽包内的重量水位。所谓重量水位，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。此时，在汽包水位测量基准线开一导压口所引出的压力与假想前运行状态时在该导压口处引出的压力是相同的。所引出压力的变化代表了水位的变化，第二节云母水位计及双色水位计一、云母水位计云母水位计是锅炉汽包一般都装设的就地显示水位表。它是一连通器，结构简单，显示直观，如图所示。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。式中——汽包内饱和蒸汽密度；——汽包内饱和水密度；——云母水位计测量管内水柱的平均密度；——汽包内重量水位;——显示值。二、双色水位计双色水位计是采用把普通光经滤光玻璃(红、绿两种)使红光、绿光透过，再经被测液体或气体折射，在光路上设置窗口予以显现，可测知光路上是液体或气体，'HHswsaswaH'H双色水位计原理示意1一汽测连通管；2一加热用蒸汽进汽管；3一水位计本体；4一加热室；5一测量室；6一加热蒸汽出口管；7一水侧连通管；8一光源；9一毛玻璃；10一红色滤光玻藏，11一绿色滤光玻璃；12一组合透镜；13一光学玻璃板；14一垫片；15一云母片(高压以上锅炉用)；16一保护罩；17一观察窗第三节差压水位计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。1.简单平衡容器对图(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=pppgHHLgHHgLpswa)()(00HggHgLswswsa)()()(0由上式容易看出：输出的差压信号受汽包压力和侧水柱温度的影响。固定水柱温度和汽包压力的影响都是不可忽视的。2.双室平衡容器在图(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。其输出差压为=由上式易看出：(1)输出的信号差压与成负线性关系(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HggHgLswswsap)()()(0pgHHLgHHgLppsww)()(00gHHLsw))((0gHHLswp))((03.结构补偿式双室平衡容器图(c)中所示的结构补偿式双室平衡容器是一种从结构上进行汽包压力补偿的水位—差压转换装置。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。按照流体静力学原理，补偿式双室平衡容器的输出为在不变的情况下，汽包压力的变化所产生的输出误差为从输出表达式的形式上看，结构补偿式平衡容器并没有消除汽包压力对输出的影响。由前述知，的长度是经过设计确定的，只要适当选择的长度就可以在一定水位上使得压力的影响减小到最低程度。的长度是经过设计确定的，在确定时是按条件进行的。当时：gHHglLglpppwaw)()(0gHHLs)(0glLgHHLgHHlasw)()()(00HgHHLgHHlpsw)()(00ll0HgHlgHlpsw)()(00如果在时使压力的影响所产生的输出的误差为零，则有按上式计算的的长度就是在条件下(正常水位)完全消除工作压力影响时补偿管的尺寸。式中，、是汽包工作压力与额定工作压力时的饱和水、汽的密度差，。由前述知，的计算还取决于值。值的不同将影响差压信号的大小。当与平衡容器配套的差压计量程上限一定或要求平衡容器输出上限一定时，则要根据差压计的量程上限来确定值。在和工作压力为补偿范围下限压力时，平衡容器输出最大，故有gHlgHlsw)()(0000000)()(HHLHHLlws0HwswrwsrslLLLmaxpmaxp0HHxp00max)()(HHLlglLgLglpssxwx解上述方程组，得4.双差压平衡容器为了进一步改善结构补偿式平衡容器的特性，近年来已研制出了双差压结构补偿式平衡容器，其中一种结构形式如图所示。图中的平衡容器输出的差压为信号差压，为补偿差压。可看出，两差压信号经过处理计算后得到的信号Y只与平衡容器的结构尺寸和水位有关，而与汽包工作压力无关，达完全消除了工作压力的影响。000max)()()())(1(HHLlgggHpLwxasxawxa''ppp''pppgHHLsw))((0ppppppgLsw)(111010'LHLHLLHHLppY二、差压水位的压力校正1.校正原理差压水位的压力校正是指对简单平衡容器或双室平衡容器输出的差压信号，通过引入汽包压力信号进行一定的校正计算，从而消除压力对测量影响的一种补偿方法。对于双室平衡容器，输出对于式中()因子可采用如下近似公式：上述压力补偿的准确性首要的是()～的近似公式。如果近似公式的误差大，那么这种补偿的误差自然要大。如果把()～的关系用多段直线(折线)迫近，在每段直线对应的压力范围内用直线代替，则()～的关系的准确性可达到较高的程度。pgHHLsw))((0swgp/)715.28.908(swLHH0pp715.28.908)(0HLHpp715.28.908swswswppp2.校正计算的实施方法校正计算式可以采用模拟仪表计算实现，也可以采用智能化压力校正计算系统。实现具有压力校正计算的差压水位测量系统框图如图。三、差压水位系统与零点迁移在火力发电厂，差压水位系统一般有三种组成形式：就地显示、信号远传显示记录、信号远传输出。差压水位测量系统如图所示。对于平衡容器式水位—差压转换，其输出的差压与水位呈负线性关系。为使显示或输出的电气信号适合人们的正常习惯(水位升高、显示的数值增大),则需要进行零点迁移。第四节电接点水位计电接点水位计是一种电气式水位测量仪表，它将水位直接转换成不连续的相应数目的电接点信号。这种水位计组成的测量系统结构简单，工作原理简单，电接点信号可以远传，时延很小，不存在仪表的机械变差及分度误差，不存在仪表复杂的校验和调整，显示直观，可靠性高，是火电厂锅炉汽包、高压加热器、除氧器水位测量中普遍应用的一种水位计。电接点水位计是由水位测量筒(水位传感器)和显示仪表组成的。一、水位转换原理与水位测量筒的结构水位测量筒通过连通方式形成相应水柱高度，该水柱的压力平衡压力容器内的被测量水位的压力。在水位测量筒的筒壁上安装了数个电接点。由于锅炉炉水，其电阻串一般在103Ω·cm以下，蒸汽的电阻率一般在106Ω·cm以上，筒内的水浸没的电接点和未被浸没而处于汽(气)中的电接点的状态(低阻、高阻)相差甚远。水位的转换就是利用了上述的特性。电接点水位测量筒的结构组成如图所示。水位测量筒一般用20号钢无缝钢管制成。电接点在水位方向上单个安装，在测量筒圆周方向，上下电接点呈120°的布置，如图(b)所示。电接点的结构及电接点固定座如图(c)、(d)所示。电接点的绝缘材料有超纯氧化铝(适用于高压)和聚四乙烯(适用于中压)，相邻电接点之间的距离按统—设计，在零水位附近电接点间距要小一些。对于火力发电厂锅炉汽包水位的测量一般采用19点的测量筒。15点：0，15，30，50，100，。150，200，250(单位：mm)17点：0，15，30，50，100，150，200，250，300(单位：mm)19点：0，15，30，50，75，100，150，200，250，300(单位：mm)在使用时，电接点的极芯与筒壁之间的高阻或低阻状态反映了该电接点是否被水浸没。电接点水位测量筒(a)外形；(b)A—A视图；(c)高压炉电接点；(d)电接点固定座1一汽包；．2一测量筒壳，3一排污管；4一电接点；5、6一瓷封件；7一瓷管；8一固定螺丝；9一紫铜垫圆；10一接点芯；11一固定座二、显示仪表水位显示采用灯光电路显示较为方便。每个电接点对应一套灯光显示电路。目前显示仪表种类较多，有红绿灯显示仪表、发光二极管显示仪表、电子发光屏显示仪表、氖灯显示仪表。如果用数字电路对电接点状态进行逻辑判断，其水位用数字显示也较为容易。目前也有相应的电接点数字水位显示仪表与水位测量筒配套。1.红绿灯光显示仪表与电接点水位测量筒配套的红绿灯光显示仪表包括了与电接点数目相同、电路结构一样的灯光电路。由于水位测量有报警或保护输出，其中相应的显示电路略有不同。目前国产的与电接点水位测量筒配套的各种红绿灯光显示仪表，其电路是大同小异。一种红绿灯光显示电路如图所示。2.发光二极管显示仪表近年来已有与电接点配套使用的发光二极管显示仪表，UDZ型就是其中的一种。UDZ电接点水位表与19点水位测量筒配套使用实现水位显示。它能实现土50mm水位报警显示。当水位低于一50mm时，或达到及高于十50mm时，仪表面板发光二极管给出报警显示，同时有报警继电器接点信号输出。它还能实现土200mm水位保护显示，当水位低于一200mm时，或达到及高于十200mm时，仪表面板发光二极管给出保护显示，同时有保护继电器接点信号输出。UDZ电接点水位表中共有19套电路。（1）不带报警、保护的电接点显示电路这种电路在仪表中共有15套。(2)高水位显示报警电路该电路对应的电接点为DJl3(十50mm)，只有一套。（3）高水位显示保护电路该电路对应的电接点为DJ17(200mm)，只有一套。（4）低水位显示报警电路该电路对应的电接点为DJ7(一50mm)，只有一套。（5）低水位显示保护电路该电路对应的电接点为DJ3(一200mm)，只有一套。3.数字电接点显示仪表与电接点水位测量筒配套的数字显示仪表不同于一般的工业数字显示仪表。由于水位测量筒输出的是数字信号(电接点状态)，因此显示仪表中没有A／D转换部件。又由于水位测量筒只有19个电接点，因此显示仪表只显示19个水位数字量。下面对火电厂普遍应用的DYS—19数字电接点水位表做一介绍。DYS—19适用于发电锅炉汽包水位测量，配套使用19电接点的水位测量筒。其功能为：（1)显示三位数字和十、一号(显示器件为辉光数字管)；（2)报警50mm水位报警显示并有接点信号输出；（3)保护200mm水位保护接点信号输出；（4)输出模拟信号：0～10mA(对应一300～十300mm)。仪表电路组成如图所示。电接点状态取样阻抗转换与整形电路、逻辑判断电路（a）状态取样及阻抗转换