第5章水位測(cè)量

第5章水位測(cè)量學(xué)習(xí)要求

掌握液體液面測(cè)量的基本原理、幾種液面計(jì)的形式及構(gòu)成，常溫及高溫液面測(cè)量的的原理、基本結(jié)構(gòu)；測(cè)量產(chǎn)生誤差的原因及如何消除。5.1水位測(cè)量的意義液面：在恒定容積容器中，液體與其上層蒸汽或其它氣體的分界面。液位：容器中液體介質(zhì)的高低。水位：容器中液體介質(zhì)為水時(shí)的對(duì)應(yīng)概念。電廠中水位測(cè)量的意義：汽包水位加熱器水位凝汽器水位

按工作原理可分為靜壓式水位計(jì)、就地式水位計(jì)、差壓式水位計(jì)、浮力式水位計(jì)、電容式水位計(jì)，電接點(diǎn)水位計(jì)，吹氣式水位計(jì)，光電式水位計(jì)、壓阻式水位計(jì)

按安裝位置可分為就地水位計(jì)，遠(yuǎn)傳水位計(jì)（對(duì)汽包水位計(jì)也可稱低置水位計(jì)）

按顯示方式可分為模擬式水位計(jì)和數(shù)字式水位計(jì)

水位測(cè)量?jī)x器分類：火力發(fā)電廠常用水位計(jì)（1）靜壓式水位計(jì)。利用液柱高度與液體靜壓的比例關(guān)系顯示水位。（2）就地式水位計(jì)。利用連通管原理顯示水位，如玻璃管式、玻璃（云母）板式水位計(jì)和雙色玻璃水位計(jì)等。（3）差壓式水位計(jì)。利用液體靜力學(xué)原理將水位轉(zhuǎn)換成差壓，再通過測(cè)量差壓來(lái)顯示水位。儀表由平衡容器、差壓計(jì)和二次儀表等組成。如雙波紋管差壓計(jì)、膜片式差壓計(jì)，力平衡式電動(dòng)變送器和電容式差壓變送器等。（4）電接點(diǎn)水位計(jì)。利用鍋爐飽和蒸汽及其凝結(jié)水的電導(dǎo)率有較大差異的原理測(cè)量水位。分為數(shù)字式和模擬式兩類。（5）浮力式水位計(jì)。利用漂浮于液面上或沉沒入液體中的浮子，其位置隨液位變化而變化的原理測(cè)量水位。分為浮子帶鋼絲繩或鋼帶的、浮球帶杠桿的和沉筒式等。（6）電容式水位計(jì)。（7）光電式水位計(jì)。靜壓式水位計(jì)（1）敞口容器測(cè)量注意：壓力計(jì)的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)與最低液面一致，否則必須對(duì)這段液位差進(jìn)行補(bǔ)償。（2）閉口容器測(cè)量工作原理：不可壓縮液體的液柱高度與液體的靜壓成比例測(cè)量容器內(nèi)液面底部與液面上部的壓差Δp：注意：為消除容器內(nèi)密封氣體壓力的影響，可在容器上部設(shè)置取壓導(dǎo)管。5.2

連通式就地水位計(jì)又稱直讀式液面計(jì)，適用于低粘度液體測(cè)量。玻璃管液位計(jì)：適用于無(wú)壓或極低壓力容器玻璃板液位計(jì)：適用于中低壓鍋爐汽包水位測(cè)量云母片液位計(jì)：適用于中高壓鍋爐汽包水位測(cè)量雙色水位計(jì)：適用于中高壓鍋爐汽包水位測(cè)量電接點(diǎn)液位計(jì)：適用于各種壓力鍋爐汽包水位測(cè) 量，也可用于凝汽器和工業(yè)水箱5.2.1玻璃管式水位計(jì)玻璃管式玻璃板式適用于無(wú)壓或極低壓液位測(cè)量5.2.2云母水位計(jì)將玻璃板換為云母片，即為云母水位計(jì)。適用于中高壓水位測(cè)量。水位計(jì)處于汽包外發(fā)生散熱；水位計(jì)內(nèi)水溫低于汽包壓力下水的飽和溫度；上部飽和蒸汽不斷凝結(jié)，水溫接近飽和溫度；水溫沿高度逐步降低；水的密度隨溫度變化而變化；設(shè)水位計(jì)內(nèi)水的平均溫度為ta，則其平均密度為ρa(bǔ)，汽包內(nèi)飽和水密度為ρw；由于密度ρa(bǔ)≠ρw；造成水位計(jì)顯示水位H’≠汽包實(shí)際重量水位H。根據(jù)電廠的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，額定工況下?。篐—汽包內(nèi)實(shí)際水位；H’—水位計(jì)顯示水位；L—汽水連通管高度；ρs—汽包壓力下飽和蒸汽密度；ρw—汽包壓力下飽和水密度；ρa(bǔ)—水位計(jì)內(nèi)水柱平均密度；（2）汽包工作壓力一定時(shí)，與汽包內(nèi)水位H有關(guān)。汽包實(shí)際水位H越大，則指示誤差ΔH也越大。

鍋爐高水位運(yùn)行時(shí)，ΔH高達(dá)100~150mm。（1）汽包內(nèi)水位H一定時(shí)，與汽包工作壓力有關(guān)。壓力越高，對(duì)應(yīng)的飽和水的密度ρw越小，飽和蒸汽的密度ρs越大，水位誤差ΔH越大。誤差分析（3）與云母水位計(jì)環(huán)境溫度有關(guān)。環(huán)境溫度越低，水位計(jì)散熱越多，水位計(jì)中水的密度ρa(bǔ)越大，測(cè)量誤差ΔH也就越大。保護(hù)措施（1）縮短云母水位計(jì)的汽水連通管高度L；

（2）對(duì)云母水位計(jì)的汽水連通管加保溫；（3）將云母水位計(jì)中心線的安裝位置偏低于汽包中心線約值，盡量接近實(shí)際水位。5.2.3雙色水位計(jì)1．雙色水位計(jì)利用光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)顯示方式，使得汽柱顯紅色，水柱顯綠色。光源8發(fā)光；經(jīng)過紅色和綠色濾光玻璃10和11，形成紅綠雙色光；雙色光經(jīng)組合透鏡12射入水位計(jì)本體3中的測(cè)量室5；測(cè)量室5截面為梯形，其內(nèi)的水或蒸汽分別形成水棱鏡或汽棱鏡；水棱鏡和汽棱鏡對(duì)紅光和綠光的折射效果不同：

紅光在汽棱鏡中折射到達(dá)觀察窗口17，汽柱顯紅色；

綠光在水棱鏡中折射到達(dá)觀察窗口17，水柱顯綠色。

加熱室4通入蒸汽加熱保溫2．無(wú)盲區(qū)低偏差雙色水位計(jì)在雙色水位計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。雙排交錯(cuò)顯示消除顯示盲區(qū)；凝汽罐19內(nèi)凝結(jié)的飽和水，置換雙色水位計(jì)11內(nèi)的水，加速水循環(huán)；凝結(jié)飽和水含鹽低，減少云母片結(jié)垢；飽和蒸汽進(jìn)入伴熱管15，對(duì)表體4進(jìn)行加熱保溫；伴熱管15的排水管17接至汽包下15m處，保證伴熱管15內(nèi)始終充滿飽和蒸汽。3．工業(yè)電視監(jiān)視汽包水位通過工業(yè)電視實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離觀察水位計(jì)水位指示。5.3差壓式水位計(jì)主要由水位－差壓轉(zhuǎn)換容器（又稱平衡容器）、壓力信號(hào)導(dǎo)管及差壓計(jì)三部分組成。由平衡容器把水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)，經(jīng)差壓信號(hào)導(dǎo)管傳送至差壓計(jì)，通過差壓計(jì)顯示水位的高低。

工作原理：流體靜力學(xué)原理。平衡容器分為：?jiǎn)问移胶馊萜骱碗p室平衡容器；壓力等級(jí)分為：中壓、高壓、超高壓、亞臨界和超臨界等。平衡容器：能造成一個(gè)恒定的水靜壓力，并將之與被測(cè)水位的靜壓力比較，輸出二者之差。（一）簡(jiǎn)單的平衡容器平衡容器恒定水靜壓：汽包水位水靜壓：蒸汽凝結(jié)水溢流形成恒定水靜壓力使用中，通常設(shè)汽包正常水位H0為零刻度。對(duì)于帶加熱套的平衡容器產(chǎn)生誤差的原因：1、由于平衡容器內(nèi)溫度變化造成的密度誤差；2、由于汽包壓力變化造成的密度差(ρ’-ρ”)變化誤差。如何消除或減小誤差:1、改進(jìn)平衡容器，力圖得到僅與水位有關(guān)的差壓值；2、對(duì)平衡容器輸出的有誤差的信號(hào)引入壓力校正。（二）平衡容器的改進(jìn)對(duì)于帶加熱套的平衡容器：額定壓力pN時(shí)的壓差ΔpN和任意壓力p時(shí)的壓差Δp：誤差：密度變化引起的平衡容器輸出誤差曲線圖結(jié)論：正壓室靜壓力變化大于負(fù)壓室靜壓力變化。改進(jìn)的平衡容器之一：正壓室分兩段，l段為補(bǔ)償段。如果只考慮正常水位，令ΔH=0若壓力在p~pN范圍內(nèi)能使誤差得到補(bǔ)償，即：則補(bǔ)償段長(zhǎng)度：補(bǔ)償器假定一：水位處于上限時(shí)，平衡容器的輸出差壓等于零；假定二：水位處于下限時(shí)，平衡容器的輸出差壓等于差壓計(jì)的上限。設(shè)：p=pN，ΔH=-H0，輸出差壓為Δpmax，則：上面兩式聯(lián)立，求出L和l，二者一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系在正常水位（零水位）附近有較好的補(bǔ)償效果不能消除平衡容器內(nèi)冷凝水密度ρ1隨溫度變化帶來(lái)的誤差改進(jìn)的平衡容器之二在加熱套中多加了個(gè)補(bǔ)償器補(bǔ)償器補(bǔ)償器補(bǔ)償器將兩式相除，得：測(cè)量壓差Δp和補(bǔ)償壓差Δp’分別為：以Y為輸出，Y僅與水位有關(guān)，補(bǔ)償了密度變化的影響。（三）汽包水位信號(hào)的壓力校正在差壓信號(hào)輸出回路中，利用壓力校正電路，對(duì)差壓信號(hào)進(jìn)行校正。對(duì)密度可按精度要求，采用多段直線擬合。式中的系數(shù)ai，Ki，aj，Kj，可依據(jù)水和水蒸氣密度表，按需要的精度來(lái)擬合。有加熱套無(wú)加熱套5.4電接點(diǎn)水位計(jì)臨界參數(shù)以下，爐水電阻率小于蒸汽電阻率。測(cè)量筒長(zhǎng)度由水位測(cè)量范圍決定；直徑由電接點(diǎn)數(shù)目決定；電接點(diǎn)數(shù)目15，17，19;與筒殼良好絕緣；絕緣材料：超純?nèi)趸X(高壓、超高壓)，聚四氟乙烯(中、低壓)；電接點(diǎn)位于爐水中，處于導(dǎo)通狀態(tài)；電接點(diǎn)位于蒸汽中，處于開路狀態(tài)；（1）散熱引起的誤差（連通式共有）。由于熱損失，水位容器內(nèi)的溫度低于飽和溫度，故容器內(nèi)的水位較汽包實(shí)際水位低。為了減小此項(xiàng)偏差，應(yīng)對(duì)水位容器加以保溫。（2）不連續(xù)指示引起的誤差（盲區(qū)）。由于電接點(diǎn)之間有一定的間距，當(dāng)水位處于兩電極之間時(shí)，儀表沒有顯示變化而造成指示誤差，此誤差等于兩電極之間距。

不宜作調(diào)節(jié)信號(hào)。電接點(diǎn)水位傳感器的主要誤差來(lái)源主要有以下兩個(gè)方面：b雙色水位顯示a氖燈顯示模擬式水位顯示和數(shù)字式水位顯示兩類。1、模擬式水位顯示電接點(diǎn)位于水側(cè)，電觸點(diǎn)接通：R1產(chǎn)生電壓降，VD1整流，C1和R2濾波；R3產(chǎn)生較大正偏壓，導(dǎo)致V1導(dǎo)通；V2偏流增大，隨即導(dǎo)通，綠燈亮；V3偏壓小于閥電壓而截止，紅燈滅。電接點(diǎn)位于汽側(cè)，電觸點(diǎn)斷開：R1無(wú)電壓降R3無(wú)正偏壓，導(dǎo)致V1斷開；V2無(wú)偏流，隨即斷開，綠燈滅；R6產(chǎn)生正偏壓，導(dǎo)致V3導(dǎo)通，紅燈亮。2、數(shù)字電接點(diǎn)顯示儀表DYS—19數(shù)字式水位計(jì)原理方框圖水面下最近電接點(diǎn)輸出“1”，水面上最近電接點(diǎn)輸出“0”；全部電接點(diǎn)中，僅水面上下相鄰兩電接點(diǎn)的輸出組合具有（1，0）特性；將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量度。①顯示三位數(shù)字和＋、－號(hào)（顯示器件為輝光數(shù)字管）；②報(bào)警50mm水位報(bào)警顯示并有接點(diǎn)信號(hào)輸出；③保護(hù)200mm水位保護(hù)接點(diǎn)信號(hào)輸出；④輸出模擬信號(hào)：0~10mA（對(duì)應(yīng)-300~+300mm）。

3.汽包水位內(nèi)置式電極傳感器圖

汽包水位內(nèi)置式電極測(cè)量裝置示意圖1—固定支架；2—電極傳感器；3—傳感器的延長(zhǎng)電纜；4—水側(cè)取樣管；5—汽側(cè)取樣管；6—顯示儀表；7—電纜；8—引出箱；9—固定座；10—密封墊（環(huán)）11—壓蓋秦皇島華電測(cè)控設(shè)備有限公司研發(fā)（專利號(hào)ZL200420073417.2）5.5其它水位計(jì)磁翻板水位計(jì)屬于浮力式水位計(jì)。薄導(dǎo)磁金屬片制成翻版片，兩面涂上不同顏色，如紅、綠色；翻版片排列組成翻版列，安裝在浮子旁；浮子上裝有磁鋼；浮子位置隨液位變化而變化；磁性浮子升降時(shí)，帶動(dòng)翻版片繞軸翻轉(zhuǎn)；浮子以上翻版片是同一面顏色；浮子以下翻版片是另一面顏色；特點(diǎn)：顯示與介質(zhì)分開。利用通電金屬絲與液、氣之間傳熱系數(shù)差異，及其電阻值隨溫度變化的特點(diǎn)進(jìn)行液位測(cè)量。液體傳熱系數(shù)比其蒸氣傳熱系數(shù)大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。通過恒定電流的熱絲，其在液體和蒸氣環(huán)境中受冷卻效果不同，浸沒于液體時(shí)的溫度比暴露于蒸氣的溫度低。液面的變動(dòng)，引起熱絲電阻的變化，通過測(cè)量電阻值來(lái)判斷液面的位置。一、熱電阻液位計(jì)5.6低溫液體液面的測(cè)量測(cè)量過程中應(yīng)盡量減少傳向低溫液體的熱量。工作原理：在低溫容器多個(gè)不同位置處(如底部、中部和下部等)，分別安裝液面?zhèn)鞲衅?，通過測(cè)量電阻值大小，大概判斷出液面的位置。（1）定點(diǎn)式液面計(jì)電阻（碳）47Ω，22Ω加熱絲（錳銅絲）0.05mm,200Ω工作電流:40mA

處于低溫液面下的電阻，液體導(dǎo)熱性好，電阻溫度低，電阻值大；處于低溫液面上的電阻，蒸氣導(dǎo)熱性差，電阻溫度高，電阻值小。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量電路要求不高，適用范圍廣，靈敏度較高。廣泛用于各種低溫液體液面的測(cè)量。（2）連續(xù)式液面計(jì)顯示液面高度工作原理：在低溫容器中插入液面?zhèn)鞲衅?，傳感器位于液面上、下兩部分長(zhǎng)度，隨液面的變動(dòng)而改變，故傳感器的平均電阻隨液面的變化而變化，通過測(cè)量傳感器的平均電阻值來(lái)測(cè)量出液面的位置。調(diào)整加熱絲(錳銅絲)工作電流傳感器鉑電阻二、超導(dǎo)式低溫液面計(jì)工作原理：某些金屬或合金在低溫下具有超導(dǎo)性能，浸入液體時(shí)呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，電阻為零；未浸入液體時(shí)呈現(xiàn)正常狀態(tài)，電阻為某一值。（1）定點(diǎn)式液面計(jì)探頭電阻：鈮鈦線繞制，直徑<0.1mm，長(zhǎng)度<300mm，正常態(tài)阻值>40Ω加熱絲：康銅絲繞制，直徑0.08mm，長(zhǎng)度50mm探頭浸沒在液體中，指示燈亮；探頭處于液面之上，指示燈變暗甚至熄滅。調(diào)整指示燈亮度（2）連續(xù)式液面計(jì)工作原理：液面高度變化，導(dǎo)致總電阻變化，進(jìn)而導(dǎo)致電路兩端電壓變化(電流不變時(shí))。超導(dǎo)式低溫液面計(jì)標(biāo)定：在帶有觀察縫的玻璃杜瓦中，直接觀察液面的高度，來(lái)標(biāo)定電壓表的刻度(連續(xù)式)，或指示燈顯示正常與否(定點(diǎn)式)。標(biāo)定結(jié)果：

定點(diǎn)式準(zhǔn)確度達(dá)到：±1mm連續(xù)式準(zhǔn)確度達(dá)到：±5mm