第9章液位測量

1、從本質(zhì)上講，液位測量是一門檢測液從本質(zhì)上講，液位測量是一門檢測液體體- -液體、氣體液體、氣體- -液體或者固體液體或者固體- -液體之液體之間分界面的技術。間分界面的技術。二、二、差壓式液位計差壓式液位計1 1 、工作原理、工作原理差壓式液位計是根據(jù)液體在容器內(nèi)的液位與液柱高度差壓式液位計是根據(jù)液體在容器內(nèi)的液位與液柱高度產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理進行工作的。產(chǎn)生的靜壓力成正比的原理進行工作的。將壓力計與容器底部相連，根據(jù)流體靜力學原理，所將壓力計與容器底部相連，根據(jù)流體靜力學原理，所測壓力與液位的關系測壓力與液位的關系為： 實際應用時，有不同的形式，除與各種差壓測量方法有關實際應用時，有不同

2、的形式，除與各種差壓測量方法有關外，還因為被測液體及其容器的性質(zhì)不同，形成了不同的外，還因為被測液體及其容器的性質(zhì)不同，形成了不同的差壓信號引出方式。差壓信號引出方式。一般而言，對于開口容器，可以通過測量容器內(nèi)變動液位一般而言，對于開口容器，可以通過測量容器內(nèi)變動液位的靜壓力與大氣壓力之差來測量液位；的靜壓力與大氣壓力之差來測量液位；對于密閉容器，可以通過測量容器內(nèi)變動液位的靜壓力與對于密閉容器，可以通過測量容器內(nèi)變動液位的靜壓力與其蒸汽壓力之差來測量液位。其蒸汽壓力之差來測量液位。 必須指出，上述密閉容器液位測量時采用的差必須指出，上述密閉容器液位測量時采用的差壓引出方式，僅適用于密度壓引出

3、方式，僅適用于密度和和s變化不大的場變化不大的場合，否則液位與差壓的關系也是變化不定的，即合，否則液位與差壓的關系也是變化不定的，即差壓的變化并不僅僅代表液位的變化。鍋爐汽包差壓的變化并不僅僅代表液位的變化。鍋爐汽包水位的測量就是一個非常典型的例子。水位的測量就是一個非常典型的例子。2、用差壓式液位計測量鍋爐汽包水位、用差壓式液位計測量鍋爐汽包水位 差壓式液位計是目前電廠鍋爐汽包、除氧器等差壓式液位計是目前電廠鍋爐汽包、除氧器等容水設備中用得最普遍的一種水位測量儀表。汽容水設備中用得最普遍的一種水位測量儀表。汽包水位測量時，受汽、水密度變化等許多因素的包水位測量時，受汽、水密度變化等許多因素的

4、影響，容易引起較大的測量誤差，因此，必須采影響，容易引起較大的測量誤差，因此，必須采取一些特別的補償措施。取一些特別的補償措施。 “水位一差壓水位一差壓”轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理關鍵是水位與差壓之間的準確轉(zhuǎn)關鍵是水位與差壓之間的準確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器實換，這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器實現(xiàn)的?，F(xiàn)的。在平衡容器中，寬容器在平衡容器中，寬容器(正壓室正壓室)的水面高度是恒定的。當其水位的水面高度是恒定的。當其水位增高時，水可以通過汽側(cè)連通管增高時，水可以通過汽側(cè)連通管送入汽包；而水位降低時，通過送入汽包；而水位降低時，通過蒸汽冷凝得以補充。差壓計的正蒸汽冷凝得以補充。差壓計的正壓頭從寬容器引出，因此，當

5、寬壓頭從寬容器引出，因此，當寬容器中水的密度一定時，差壓計容器中水的密度一定時，差壓計的正壓頭為定值。平衡容器的負的正壓頭為定值。平衡容器的負壓管壓管(負壓室負壓室)與汽包連通，輸出與汽包連通，輸出的壓頭為差壓計的負壓頭、其大的壓頭為差壓計的負壓頭、其大小反映汽包水位的變化。小反映汽包水位的變化。雙室平衡容器的基本工作原理，也是以相應液位雙室平衡容器的基本工作原理，也是以相應液位計的分度為依據(jù)，差壓通常與液位計零水位刻度計的分度為依據(jù)，差壓通常與液位計零水位刻度相對應。由于特定的結(jié)構(gòu)，水位相對應。由于特定的結(jié)構(gòu)，水位-差壓轉(zhuǎn)換關系受差壓轉(zhuǎn)換關系受密度這一狀態(tài)參數(shù)的影響，因而在實際使用時會密度這

6、一狀態(tài)參數(shù)的影響，因而在實際使用時會引起汽包水位的測量誤差。引起汽包水位的測量誤差。 1)由于向外散熱的影響，平衡容器正、負壓室由于向外散熱的影響，平衡容器正、負壓室中的水溫從上至下逐漸降低，且不易確定，因而中的水溫從上至下逐漸降低，且不易確定，因而密度密度12的數(shù)值難以準確確定。所以差壓式液位的數(shù)值難以準確確定。所以差壓式液位計用于現(xiàn)場測量時，隨著水溫的變化，密度的數(shù)計用于現(xiàn)場測量時，隨著水溫的變化，密度的數(shù)值發(fā)生改變，致使液位計的讀數(shù)出現(xiàn)誤差。值發(fā)生改變，致使液位計的讀數(shù)出現(xiàn)誤差。為了改變這種密度變化因素對液位計分度基準的為了改變這種密度變化因素對液位計分度基準的影響，一般都采用蒸汽套對平

7、衡容器進行保溫，影響，一般都采用蒸汽套對平衡容器進行保溫，使使12 都等于汽包壓力下飽和水的密度都等于汽包壓力下飽和水的密度w。當汽包工作壓力穩(wěn)定時，這種轉(zhuǎn)換關系是確定不當汽包工作壓力穩(wěn)定時，這種轉(zhuǎn)換關系是確定不變的。變的。 2)用于汽包水位測量的差壓式液位計，通常是用于汽包水位測量的差壓式液位計，通常是在汽包額定工作壓力下分度的，因此只有在相應在汽包額定工作壓力下分度的，因此只有在相應工況下運行時儀表讀數(shù)才是正確的。一旦汽包壓工況下運行時儀表讀數(shù)才是正確的。一旦汽包壓力發(fā)生變化，密度也隨之變化，致使差壓式液位力發(fā)生變化，密度也隨之變化，致使差壓式液位計的指示讀數(shù)產(chǎn)生很大誤差。計的指示讀數(shù)產(chǎn)生

8、很大誤差。為了消除或減小因汽包壓力變動而造成的水位為了消除或減小因汽包壓力變動而造成的水位測量誤差，可以采用具有壓力補償作用的中間抽測量誤差，可以采用具有壓力補償作用的中間抽頭平衡容器。頭平衡容器。只要參數(shù)只要參數(shù)c、D和和d的數(shù)值穩(wěn)定，不受壓力、溫度的數(shù)值穩(wěn)定，不受壓力、溫度等因素的影響，那么傳感器的電容變化量與液位等因素的影響，那么傳感器的電容變化量與液位的變化量之間就有著良好的線性關系。另外絕緣的變化量之間就有著良好的線性關系。另外絕緣材料的介電常數(shù)較大和絕緣層厚度較薄材料的介電常數(shù)較大和絕緣層厚度較薄(Dd較較小小)時，傳感器的靈敏度較高。時，傳感器的靈敏度較高。 以上介紹適用于電導率

9、以上介紹適用于電導率10-2sm“西門子西門子/米米”的液體，但被測液體的粘度不能大，否則，當液的液體，但被測液體的粘度不能大，否則，當液位下降時，被測液體會在電極的套管上產(chǎn)生粘附位下降時，被測液體會在電極的套管上產(chǎn)生粘附層，該粘附層將繼續(xù)起著外電極的作用，從而產(chǎn)層，該粘附層將繼續(xù)起著外電極的作用，從而產(chǎn)生虛假電容信號，以致形成虛假液位，使儀表指生虛假電容信號，以致形成虛假液位，使儀表指示液位高于實際液位。另外，還應該再次指出，示液位高于實際液位。另外，還應該再次指出，這種液位傳感器的底部約有這種液位傳感器的底部約有10mm的非測量區(qū)。的非測量區(qū)。2、非導電液體的液位傳感器、非導電液體的液位傳

10、感器測量非導電液體的電容式液測量非導電液體的電容式液位計主要利用被測液體液位位計主要利用被測液體液位變化時，可變電容傳感器兩變化時，可變電容傳感器兩電極之間充填介質(zhì)的介電常電極之間充填介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量變化這一特性進行液位測量變化這一特性進行液位測量。適合的測量對象包括：量。適合的測量對象包括：電導率電導率10-9sm的液體的液體(如輕油類如輕油類)、部分有機溶劑、部分有機溶劑和液態(tài)氣體。和液態(tài)氣體。當電極給定后、當電極給定后、D、d均為定值，故傳感器的電容均為定值，故傳感器的電容變化量只是液位的單值函數(shù)，亦即測取傳感器的變化量只是液位的單值函數(shù)，亦

11、即測取傳感器的電容量就可確定被測液位。電容量就可確定被測液位。1、電接點液位計、電接點液位計由上述工作原理可知，由上述工作原理可知，無法準確指示位于兩無法準確指示位于兩相鄰電接點之間的液相鄰電接點之間的液位，即存在指示信號位，即存在指示信號的不連續(xù)性，這也就的不連續(xù)性，這也就是電接點液位計固有是電接點液位計固有的不靈敏區(qū)，或稱作的不靈敏區(qū)，或稱作測量的固有誤差。顯測量的固有誤差。顯然，這種誤差的大小然，這種誤差的大小取決于電接點的安裝取決于電接點的安裝間距。間距。這種液位指示信號具有非連續(xù)的階躍性，因此不這種液位指示信號具有非連續(xù)的階躍性，因此不宜作為液位連續(xù)調(diào)節(jié)的信號傳感器。宜作為液位連續(xù)調(diào)

12、節(jié)的信號傳感器。測量結(jié)果受汽包壓力影響很小，適用于變參數(shù)運測量結(jié)果受汽包壓力影響很小，適用于變參數(shù)運行工況的液位測量。行工況的液位測量。2、熱電阻液位計、熱電阻液位計利用通電的金屬絲利用通電的金屬絲(以下簡稱熱絲以下簡稱熱絲)與液、汽之間與液、汽之間傳熱系數(shù)的不同及其電阻值隨溫度變化的特點進傳熱系數(shù)的不同及其電阻值隨溫度變化的特點進行液位測量。液體的傳熱系數(shù)要比其蒸汽的傳熱行液位測量。液體的傳熱系數(shù)要比其蒸汽的傳熱系數(shù)大系數(shù)大12個數(shù)量級，因此，對于通以恒定電流個數(shù)量級，因此，對于通以恒定電流的熱絲而言，其在液體和蒸汽環(huán)境中所受到的冷的熱絲而言，其在液體和蒸汽環(huán)境中所受到的冷卻效果是不同的，即

13、浸于液體時的溫度要比暴露卻效果是不同的，即浸于液體時的溫度要比暴露于蒸汽中的溫度低。如果該熱絲于蒸汽中的溫度低。如果該熱絲(如鎢絲如鎢絲)的電阻的電阻值還是溫度的敏感函數(shù)，那么傳熱條件變化所致值還是溫度的敏感函數(shù)，那么傳熱條件變化所致的熱絲溫度變化，將引起熱絲電阻值的改變。所的熱絲溫度變化，將引起熱絲電阻值的改變。所以，通過測定熱絲電阻值的變化可以判斷液位的以，通過測定熱絲電阻值的變化可以判斷液位的高低。高低。 而當棱鏡位于液體中時，而當棱鏡位于液體中時，由于液體的折射率比空氣由于液體的折射率比空氣大，入射光線在棱鏡中的大，入射光線在棱鏡中的全反射條件被破壞，其中全反射條件被破壞，其中的一部分

14、光線將透過界面的一部分光線將透過界面而泄漏到液體中去、致使而泄漏到液體中去、致使光電檢測單元接收到的光光電檢測單元接收到的光強減弱。這樣的信號變化強減弱。這樣的信號變化相當于一個開關量變化，相當于一個開關量變化，只要棱鏡一側(cè)為液體，傳只要棱鏡一側(cè)為液體，傳感器的輸出光強馬上變?nèi)?。感器的輸出光強馬上變?nèi)?。因此，根?jù)傳感器的光強因此，根據(jù)傳感器的光強信號即可判斷液位的高度。信號即可判斷液位的高度。由上述工作原理可以看出，這是一種定點式的光由上述工作原理可以看出，這是一種定點式的光纖液位傳感器，適用于液位的測量與報警，也可纖液位傳感器，適用于液位的測量與報警，也可用于不同折射率介質(zhì)用于不同折射率介質(zhì)

15、(如水和油如水和油)之間分界面的測之間分界面的測定。另外，根據(jù)溶液折射率隨濃度變化的性質(zhì)，定。另外，根據(jù)溶液折射率隨濃度變化的性質(zhì)，還可以用來測量溶液的濃度或液體中小氣泡的含還可以用來測量溶液的濃度或液體中小氣泡的含量等。但應注意，如果被測液體對敏感元件量等。但應注意，如果被測液體對敏感元件(玻玻璃璃)材料具有粘附性，則不宜采用這類光纖液位材料具有粘附性，則不宜采用這類光纖液位傳感器，否則敏感元件露出液面后，由于液體粘傳感器，否則敏感元件露出液面后，由于液體粘附層的存在，將出現(xiàn)虛假液位，從而造成明顯的附層的存在，將出現(xiàn)虛假液位，從而造成明顯的測量誤差。測量誤差。2、浮沉式光纖液位計、浮沉式光纖

16、液位計機械轉(zhuǎn)換部分機械轉(zhuǎn)換部分這一部分由浮子這一部分由浮子4、重錘、重錘3、鋼索、鋼索2及計數(shù)齒盤及計數(shù)齒盤1組成，其作用是將浮子隨液位上下變動的位移轉(zhuǎn)組成，其作用是將浮子隨液位上下變動的位移轉(zhuǎn)換成計數(shù)齒盤的轉(zhuǎn)動齒數(shù)。當液位上升時，浮子換成計數(shù)齒盤的轉(zhuǎn)動齒數(shù)。當液位上升時，浮子上升而重錘下降，經(jīng)鋼索帶動計數(shù)齒盤順時針方上升而重錘下降，經(jīng)鋼索帶動計數(shù)齒盤順時針方向轉(zhuǎn)動相應的齒數(shù)；反之，若液位下降則計數(shù)向轉(zhuǎn)動相應的齒數(shù)；反之，若液位下降則計數(shù)齒盤逆時針方向轉(zhuǎn)動相應的齒數(shù)。通常，總是將齒盤逆時針方向轉(zhuǎn)動相應的齒數(shù)。通常，總是將這種對應關系設計成液位變化一個單位高度時，這種對應關系設計成液位變化一個單

17、位高度時，齒盤轉(zhuǎn)過一個齒。齒盤轉(zhuǎn)過一個齒。光纖光路部分光纖光路部分 兩組光纖分別安裝在齒盤上下兩邊，每當齒盤兩組光纖分別安裝在齒盤上下兩邊，每當齒盤轉(zhuǎn)過一個齒，上下光纖光路就被切斷一次，各自轉(zhuǎn)過一個齒，上下光纖光路就被切斷一次，各自產(chǎn)生一個相應的光脈沖信號。由于對兩組光纖的產(chǎn)生一個相應的光脈沖信號。由于對兩組光纖的相對位置作了特別的安排，從而使得兩組光纖光相對位置作了特別的安排，從而使得兩組光纖光路產(chǎn)生的光脈沖信號在時間上有一很小的相位差。路產(chǎn)生的光脈沖信號在時間上有一很小的相位差。通常，導先的脈沖信號用作可逆計數(shù)器的加、減通常，導先的脈沖信號用作可逆計數(shù)器的加、減指令信號，而另一光纖光路的脈沖信號用作計數(shù)指令信號，而另一光纖光路的脈沖信號用作計數(shù)信號，從而實現(xiàn)了計數(shù)齒盤轉(zhuǎn)動齒數(shù)與光電脈沖信號，從而實現(xiàn)了計數(shù)齒盤轉(zhuǎn)動齒數(shù)與光電脈沖信號之間的轉(zhuǎn)換。信號之間的轉(zhuǎn)換。電子電路部分電子電路部分 這一部分由光電轉(zhuǎn)換及放大電路、邏輯控制這一部分由光電轉(zhuǎn)換及放大電路、邏輯控制電路、可逆計數(shù)器及顯示電路等組成。光電轉(zhuǎn)電路、可逆計數(shù)器及顯示電路等組成。光電轉(zhuǎn)換及放大電路主要是將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電脈換及放大電路主要是將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信