《制冷與低溫測(cè)試技術(shù)》課件chapter5-液位

1、第五章 液位的測(cè)量低溫液體與一般液體的區(qū)別 一般液面測(cè)量常在敞口的大氣下進(jìn)行 低溫液體一般都貯存在各類的低溫容器中，如貯槽容 器，因?yàn)椋海╝）某些低溫液體（如氦）比較缺乏，液體蒸發(fā)后的蒸汽需要回收；（b）某些低溫液體（液氧、液氫、甲烷）產(chǎn)生易燃、易炸的氣體；（c）某些低溫液體（液氯、液氟）是有害氣體。 低溫液體的液面測(cè)量原理與一般液體的液面測(cè)量是相似的。其原理：利用低溫液體和蒸氣之間物理性質(zhì)差異來測(cè)量液面高低。低溫液體的液面測(cè)量原理實(shí)驗(yàn)室中低溫流體的儲(chǔ)存通常用玻璃杜瓦瓶來存放低溫液體 原因是：可以通過不鍍銀的狹縫（約5-10mm)來觀察液面。通常用手電筒或電燈泡的燈光放在容器的對(duì)面，就可以看到

2、其液面的高度，為了減少燈光的輻射熱，可用單色綠光或蘭光。對(duì)于液氦，由于液氦的折射率（相對(duì)于空氣為1.02）和氣氦的折射率（1.00）相差不大，氣液分界不明顯，觀察時(shí)必須小心仔細(xì)。 液面的測(cè)量方法差壓法電阻法電容法 注在這些液面計(jì)中，從類型上又可分為： 定點(diǎn)液面測(cè)量 連續(xù)液面測(cè)量第一節(jié) 差壓式液面計(jì)（漢普遜液面計(jì)）1.原理：利用貯槽中的液體和氣體密度不同而形成壓力差，這種差值與液體的高度成正比。3.結(jié)構(gòu)及計(jì)算公式結(jié)構(gòu)：用二根熱導(dǎo)率較低的細(xì)管（德銀管），一根與貯槽的氣相相連，連到差壓計(jì)的上端；另一根與貯槽的底部相連，連到差壓計(jì)的下端。2.應(yīng)用場(chǎng)合：液化器和大中型固定低溫液體貯槽中常用。放大計(jì)算公式

3、設(shè)：貯槽中低溫液體高度為H，液體密度為，氣相壓力P0，則在貯槽A處的壓力為：P=P0H 設(shè)：差壓計(jì)上指示液的高度為h，指示液的密度為，則在平衡時(shí)：P0 H = P0 h H h / 由此可知：低溫液體的液面高度H與差壓計(jì)中指示液的高度h成正比。若已知被測(cè)液體密度和指示液體的密度和高度h，就可以求出被測(cè)液體的液面高度H。3.注意點(diǎn)差壓液面計(jì)的垂直液相管內(nèi)不能積存液體，否則測(cè)量不準(zhǔn)，為此：液相管采用細(xì)的銅管，銅管傳熱性能好，把管內(nèi)液體蒸發(fā)掉；液相管的水平部分適當(dāng)延長(zhǎng)些；液相管內(nèi)插入一段導(dǎo)熱率大的紫銅絲，使液體汽化。測(cè)量密度較大的液體（液氬、液氧、液態(tài)空氣），由于密度大，指示液可用密度較大的變壓器油

4、；測(cè)量密度較小的液體（液氦、液氫），由于密度小，指示液可用密度較小和蒸汽壓小的指示液，以提高靈敏度。 4.優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；連續(xù)指示液面高度；采用不同密度的指示液，改變指示液高度。缺點(diǎn)：漏熱較大，有時(shí)氣液兩細(xì)管會(huì)凍結(jié)；貯液槽壓力過高會(huì)使壓力計(jì)中指示液沖出，只適合液化和分離設(shè)備或低溫貯槽。（在靜止設(shè)備中使用）測(cè)量動(dòng)態(tài)液面變化，誤差較大。第二節(jié) 電阻式液面計(jì) 原理：通過測(cè)量浸在被測(cè)流體中加熱絲電阻值的大小，來決定液位的高度。詳細(xì)來說即：用一小電流對(duì)電阻液位計(jì)進(jìn)行加熱，則電阻絲溫度升高；T電阻絲T流體，則電阻絲要放熱；由于液體的換熱系數(shù)蒸汽的換熱系數(shù)，所以，同一電阻絲在汽相部分和在液相部分的溫度

5、不同，從而電阻絲在汽液中的電阻也不同，則容器中的液面與電阻存在函數(shù)關(guān)系。 液位高h(yuǎn) R 電阻值小液位低h R 電阻值大h電阻液面計(jì)種類固定式電阻液面計(jì)定點(diǎn)式電阻液面計(jì)用溫度系數(shù)大的鎢絲作為敏感元件R，安放在不銹鋼管內(nèi)，作為液面計(jì)探頭。兩根引線從不銹鋼管內(nèi)引出，并聯(lián)一個(gè)小燈泡 ,合上電源開關(guān)。分析：探頭在液面之上，敏感元件R的阻值較大(R ),通過 電流較大，燈泡明亮。探頭浸在液里，敏感元件阻值較小，通過 的電流較小，燈變黑。 根據(jù)探頭高低和升降，燈的明亮和黑暗 來決定液面的位置。說明：用碳電阻做敏感元件R，效果更好。但碳電阻是負(fù)的溫度分?jǐn)?shù)，溫度高，阻值小，探頭在液面上時(shí)，燈黑；液體里面，燈亮。

6、橋式電阻探頭（測(cè)量靈敏度更高）將4個(gè)阻值相同的碳電阻，把電阻外面絕緣層去除，做成橋式測(cè)量線路。制作：在絕緣桿上安裝四個(gè)碳電阻探頭，二個(gè)（R3,R4）在上部（氣相）二個(gè)（R1,R2）在下部（浸液相）。放大調(diào)試首先將橋式電阻探頭放液氦蒸氣中，調(diào)節(jié)電阻R，使橋路輸出為零。此時(shí)：R1*R2=R3*R4測(cè)量液面時(shí)，一旦R2或R1、R2浸入液體，阻值變小，電橋不平衡，指示計(jì)（G）值變化。從絕緣桿插入深度就可以知道液位的高低。超導(dǎo)式液面計(jì)(電阻式液面計(jì)的一種）原理 利用超導(dǎo)材料的性質(zhì)來指示液面的變化。電阻液面計(jì)的同類。 根據(jù)超導(dǎo)材料在低于臨界溫度時(shí)其阻值為零，在高于臨界溫度時(shí)其電阻值恢復(fù)正常這一原理制成液面

7、計(jì)。結(jié)構(gòu)超導(dǎo)線上繞上加熱電阻線；超導(dǎo)線與加熱電阻線串聯(lián)接在電源E上；必須選擇工作電流；靈敏度較高。制作 根據(jù)超導(dǎo)線在液體和蒸汽中的傳熱效果不同，選擇超導(dǎo)線的線徑和工作電流大小，當(dāng)電流通過時(shí)，電阻絲上產(chǎn)生的焦耳熱，使超導(dǎo)線升溫。經(jīng)調(diào)試后，使液體上面的超導(dǎo)線為正常態(tài)，浸在液體里的超導(dǎo)線為超導(dǎo)態(tài)，然后測(cè)量導(dǎo)線上的電壓變化，由此來決定液面的高度。注意點(diǎn) 超導(dǎo)線的選擇：選擇超導(dǎo)線的臨界溫度力求做到遠(yuǎn)離被測(cè)液體溫度（依變與被測(cè)液體來選擇超導(dǎo)線材料）。避免液面波動(dòng)影響測(cè)量誤差。第四節(jié) 電容式液面計(jì)原理 電容式液位計(jì)是采用測(cè)量電容量的變化來檢測(cè)液位的高低。即利用傳感元件（同心圓柱）在液體與蒸汽中介電常數(shù)不同的

8、原理。 如果平板電容器，電容量C，電容兩極板的面積S，兩極板的距離d，兩極板的介電常數(shù)C： 如果S和d恒定，則電容量C隨兩極板間的介電常數(shù) 而變化。電容式液面計(jì)剖面圖兩同軸圓筒形金屬導(dǎo)體極板組成的電容器液位檢測(cè)兩圓筒形間充滿介電常數(shù)為 的介質(zhì)時(shí)，則兩圓筒間的電容量C0（法拉）液體高度為 H 時(shí)的電容量 如果D0d，而0，則可以忽略，于是當(dāng)H=0當(dāng)有液體時(shí)，液體相當(dāng)于電極的一極。第五節(jié) 熱力學(xué)液面計(jì)原理 當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，其體積發(fā)生很大的變化，從而產(chǎn)生壓力的變化。構(gòu)造探測(cè)桿：薄壁毛細(xì)管制作，內(nèi)有電加熱絲;室溫貯氣室：容積V0，內(nèi)充以被測(cè)液體相同的氣體;壓力表：與室溫貯氣室相連.液面計(jì)壓力指示的方程式

9、氣體的總質(zhì)量m也可以寫成：式中：毛細(xì)管的總長(zhǎng),為液面高度液面計(jì)內(nèi)氣體體積（質(zhì)量）保持不變毛細(xì)管內(nèi)液相和氣相的狀態(tài)方程式：超壓縮性系數(shù)將壓力P代入上式可得：上式中，液體溫度已知，壓力P由壓力計(jì)讀取已知，超壓縮系數(shù)也能查到,故液面高度可求得。測(cè)量過程管內(nèi)高度變化毛細(xì)管內(nèi)氣體體積變化液體高度變化毛細(xì)管和貯氣室內(nèi)壓力變化壓力表指示改變毛細(xì)管貯氣室 注意點(diǎn)充氣壓力選擇制作的液面計(jì)要進(jìn)行標(biāo)定工作 壓力表內(nèi)的壓力不能低于貯槽內(nèi)液體沸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的飽和壓力，否則毛細(xì)管氣體不能冷凝，液面計(jì)不能正常工作。第六節(jié) 其他低溫液體液面測(cè)量方法1.重量法：稱重法 如果已知低溫杜瓦的結(jié)構(gòu)及內(nèi)杜瓦的尺寸，對(duì)于容量較小的低溫容器（1

10、00立升以下）可以稱重的辦法來決定容器中存留的液體量，已知內(nèi)膽的尺寸，液面高度不難確定。 對(duì)于大型貯槽，用重力應(yīng)變儀代替磅稱，同樣能決定貯槽中的液體位置。然而，由于氫、氦的密度較小，在稱重中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。測(cè)量方法2.浮力法：測(cè)量元件為浮子 同樣能適用于低溫液體的液面測(cè)量，由于低溫液體密度小，溫度低，對(duì)浮球要嚴(yán)格選擇，一般采用薄壁不銹鋼管充以液化溫度比被測(cè)液體更低的氣體，如測(cè)量液氫，充以氦氣，也可密閉泡沫塑料作浮子。3. 熱傳導(dǎo)法 對(duì)敞口杜瓦容器中的液氮液面測(cè)量，?？捎靡桓鶎?dǎo)熱較差的塑料桿（如塑料焊條）插入頸管內(nèi)，由于液體的熱導(dǎo)率大于氣體熱導(dǎo)率，浸在液體中的塑料桿溫度很快降低，而在汽相中桿子溫度下降不多，使桿在液體和氣體中溫度不同，等幾分鐘把桿子暴露在空氣中，由于桿子冷，空氣中水汽在桿子上冷凝結(jié)霜并有明顯的分界面，浸在液體中的桿子霜層厚度未浸入液體中的桿子霜層很薄甚至無霜，由此可非常直觀和方便地決定液面的高度