第9章-液位测量

第九章液位测量从本质上讲，液位测量是一门检测液体-液体、气体-液体或者固体-液体之间分界面的技术。二、差压式液位计1、工作原理差压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原理，所测压力与液位的关系为：实际应用时，有不同的形式，除与各种差压测量方法有关外，还因为被测液体及其容器的性质不同，形成了不同的差压信号引出方式。一般而言，对于开口容器，可以通过测量容器内变动液位的静压力与大气压力之差来测量液位；对于密闭容器，可以通过测量容器内变动液位的静压力与其蒸汽压力之差来测量液位。必须指出，上述密闭容器液位测量时采用的差压引出方式，仅适用于密度ρ和ρs变化不大的场合，否则液位与差压的关系也是变化不定的，即差压的变化并不仅仅代表液位的变化。锅炉汽包水位的测量就是一个非常典型的例子。2、用差压式液位计测量锅炉汽包水位差压式液位计是目前电厂锅炉汽包、除氧器等容水设备中用得最普遍的一种水位测量仪表。汽包水位测量时，受汽、水密度变化等许多因素的影响，容易引起较大的测量误差，因此，必须采取一些特别的补偿措施。“水位一差压”转换原理关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器实现的。在平衡容器中，宽容器(正压室)的水面高度是恒定的。当其水位增高时，水可以通过汽侧连通管送入汽包；而水位降低时，通过蒸汽冷凝得以补充。差压计的正压头从宽容器引出，因此，当宽容器中水的密度一定时，差压计的正压头为定值。平衡容器的负压管(负压室)与汽包连通，输出的压头为差压计的负压头、其大小反映汽包水位的变化。双室平衡容器的基本工作原理，也是以相应液位计的分度为依据，差压通常与液位计零水位刻度相对应。由于特定的结构，水位--差压转换关系受密度这一状态参数的影响，因而在实际使用时会引起汽包水位的测量误差。1)由于向外散热的影响，平衡容器正、负压室中的水温从上至下逐渐降低，且不易确定，因而密度ρ1ρ2的数值难以准确确定。所以差压式液位计用于现场测量时，随着水温的变化，密度的数值发生改变，致使液位计的读数出现误差。为了改变这种密度变化因素对液位计分度基准的影响，一般都采用蒸汽套对平衡容器进行保温，使ρ1ρ2都等于汽包压力下饱和水的密度ρw。当汽包工作压力稳定时，这种转换关系是确定不变的。2)用于汽包水位测量的差压式液位计，通常是在汽包额定工作压力下分度的，因此只有在相应工况下运行时仪表读数才是正确的。一旦汽包压力发生变化，密度也随之变化，致使差压式液位计的指示读数产生很大误差。为了消除或减小因汽包压力变动而造成的水位测量误差，可以采用具有压力补偿作用的中间抽头平衡容器。三、电容式液位测量法1、测量导电液体的液位传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化这种关系进行液位测量。可见，液位升高时，两电极极板的覆盖面积增大，可变电容传感器的电容量就成比例地增加；反之，电容量就减小。因此，通过测量传感器的电容量大小就可获知被测被测液位的高低。只要参数c、D和d的数值稳定，不受压力、温度等因素的影响，那么传感器的电容变化量与液位的变化量之间就有着良好的线性关系。另外绝缘材料的介电常数较大和绝缘层厚度较薄(D／d较小)时，传感器的灵敏度较高。以上介绍适用于电导率＞10-2s／m“西门子/米”的液体，但被测液体的粘度不能大，否则，当液位下降时，被测液体会在电极的套管上产生粘附层，该粘附层将继续起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位，使仪表指示液位高于实际液位。另外，还应该再次指出，这种液位传感器的底部约有10mm的非测量区。2、非导电液体的液位传感器测量非导电液体的电容式液位计主要利用被测液体液位变化时，可变电容传感器两电极之间充填介质的介电常数发生变化，从而引起电容量变化这一特性进行液位测量。适合的测量对象包括：电导率＜10-9s／m的液体(如轻油类)、部分有机溶剂和液态气体。当电极给定后、D、d均为定值，故传感器的电容变化量只是液位的单值函数，亦即测取传感器的电容量就可确定被测液位。四、电阻式液位测量法电阻式液位测量法主要分为两类，根据液体与其蒸汽之间导电特性(电阻值)的差异进行液位测量的――电接点液位计；利用液体与其蒸汽之间的不同传热特性，以之影响热敏材料的散热条件，从而引起热敏材料电阻值变化这种现象进行液位测量的――热电阻液位计。1、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。如饱和蒸汽的电阻率要比水的电阻率大数万乃至数十万倍，比饱和蒸汽凝结水电阻率也要大100倍以上。电接点液位计就是通过测量物质汽、液电阻的大小来分辨和指示液位高低的。由上述工作原理可知，无法准确指示位于两相邻电接点之间的液位，即存在指示信号的不连续性，这也就是电接点液位计固有的不灵敏区，或称作测量的固有误差。显然，这种误差的大小取决于电接点的安装间距。这种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。测量结果受汽包压力影响很小，适用于变参数运行工况的液位测量。2、热电阻液位计利用通电的金属丝(以下简称热丝)与液、汽之间传热系数的不同及其电阻值随温度变化的特点进行液位测量。液体的传热系数要比其蒸汽的传热系数大1~2个数量级，因此，对于通以恒定电流的热丝而言，其在液体和蒸汽环境中所受到的冷却效果是不同的，即浸于液体时的温度要比暴露于蒸汽中的温度低。如果该热丝(如钨丝)的电阻值还是温度的敏感函数，那么传热条件变化所致的热丝温度变化，将引起热丝电阻值的改变。所以，通过测定热丝电阻值的变化可以判断液位的高低。五、光纤传感技术在液位测量中的应用1、全反射型光纤液位计全反射型光纤液位计由液位敏感元件、传输光信号的光纤、光源和光电检测单元等组成。棱镜作为液位的敏感元件，它被烧结或粘接在两根大芯径石英光纤的端部。这两根光纤中的一根光纤与光源结合，称为发射光纤；另一根光纤与光电元件结合，称为接收光纤。棱镜的角度设计必须满足以下条件：当棱镜位于气体(如空气)中时，由光源经发射光纤传到棱镜与气体界面上的光线满足全反射条件，即入射光线被全部反射到接收光纤上、并经接收光纤传送到光电检测单元中；而当棱镜位于液体中时，由于液体的折射率比空气大，入射光线在棱镜中的全反射条件被破坏，其中的一部分光线将透过界面而泄漏到液体中去、致使光电检测单元接收到的光强减弱。这样的信号变化相当于一个开关量变化，只要棱镜一侧为液体，传感器的输出光强马上变弱。因此，根据传感器的光强信号即可判断液位的高度。由上述工作原理可以看出，这是一种定点式的光纤液位传感器，适用于液位的测量与报警，也可用于不同折射率介质(如水和油)之间分界面的测定。另外，根据溶液折射率随浓度变化的性质，还可以用来测量溶液的浓度或液体中小气泡的含量等。但应注意，如果被测液体对敏感元件(玻璃)材料具有粘附性，则不宜采用这类光纤液位传感器，否则敏感元件露出液面后，由于液体粘附层的存在，将出现虚假液位，从而造成明显的测量误差。2、浮沉式光纤液位计机械转换部分这一部分由浮子4、重锤3、钢索2及计数齿盘1组成，其作用是将浮子随液位上下变动的位移转换成计数齿盘的转动齿数。当液位上升时，浮子上升而重锤下降，经钢索带动计数齿盘顺时针方向转动相应的齿数；反之，若液位下降．则计数齿盘逆时针方向转动相应的齿数。通常，总是将这种对应关系设计成液位变化一个单位高度时，齿盘转过一个齿。光纤光路部分两组光纤分别安装在齿盘上下两边，每当齿盘转过一个齿，上下光纤光路就被切断一次，各自产生一个相应的光脉冲信号。由于对两组光纤的相对位置作了特别的安排，从而使得两组光纤光路产生的光脉冲信号在时间上有一很小的相位差。通常，导先的脉冲信号用作可逆计数器的加、减指令信号，而另一光纤光路的脉冲信号用作计数信号，从而实现了计数齿盘转动齿数与光电脉冲信号之间的转换。电子电路部分这一部分由光电转换及放大电路、逻辑控制电路、可逆计数器及显示电路等组成。光电转换及放大电路主要是将光脉冲信号转换为电脉冲信号，再对信号加以放大。逻辑控制电路的功能是对两路脉冲信号进行判别，将先输入的一路脉冲信号转换成相应的“高电位”或“低电位”，并输出送至可逆计数器的加减法控制端，同时将另一路脉冲信号转换成计数器的计数脉冲。每当可逆计数器加1(或减1)显示电路则显示液位升高(或降低)1个单位(1cm或1mm)高度。