10 物位检测及仪表.ppt

华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师：朱红路,化工仪表及过程控制 第三章检测仪表与传感器 物位检测及仪表,内容提要,锅炉汽包水位检测实例 物位检测的意义及主要类型 压差式液位计 工作原理 零点迁移问题 用法兰式差压变送器测量液位 其他物位计 电容式物位计 核辐射物位计 雷达式液位计 称重式液罐计量仪,实例 汽包水位测量,第一节 液位测量概述 一、液位测量的重要性 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、液位测量的特点 （l）稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。 （2）大型容器中常会有各处液体的温度、密度和粘度等物理量分布不均匀的现象。 （3）容器中的液体呈高温、高压、高粘度或含有大量杂质、悬浮物等。 以汽包水位为例，汽包水位具有以下特点： 汽包内水汽无明显分界面。 汽包内水位忽上忽下剧烈周期波动。 炉水中含有盐碱，受汽水冲击形成泡沫，如水质严重恶化，会形成大量泡沫。 汽包水位横切面特点是中间凸起，水位在汽包壁成带状升高，并超过中间部位。 虚假水位的存在,一、锅炉汽包水位测量的重要性 由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。 水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成炉管大面积爆破。 锅炉运行中，通过水位测量系统来监视和控制汽包水位。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。 锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。,二、锅炉汽包水位测量的基本要求 根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求： (1)准确性好。 锅炉汽包水位相对主蒸汽压力、温度这类参数而言，并不是需要精确控制的参数，一般情况下，两个汽包水位计的测量示值偏差在30mm以内是可以接受的。而在正常条件下保持这样的精确度不是十分困难的。但是，由于汽包水位测量对象十分复杂，而汽包水位测量采用联通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比的条件在变化时会造成非常大的误差。,(2) 可靠性高 汽包水位测量系统从取样开始，到信号转换、控制和保护回路以及供电回路，均应十分可靠。此外，除了提高装置本身的可靠性外，还应提高系统的可靠性，包括对汽包水位测量、控制和保护系统的配置应采取严格的冗余要求，应采用两种或以上工作原理共存的配置原则；锅炉汽包水位控制和保护用的水位测量信号应采取三重冗余等。 (3) 维护性好 锅炉汽包水位测量系统的维护应简单，维护工作量应尽可能少，而且应便于进行在线实际水位信号的保护联动试验等。,云母水位计 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。 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。,电接点水位计 电接点水位测量装置是一种基于联通器式原理的测量装置，与普通就地云母水位计(或双色水位计)不同之处在于测量筒内有一系列组成测量标尺的电极，由于汽、水电导率的很大差别，造成处于汽和水中的电极电阻值有很大差别，以此来判断电极是处于水空间，还是处于汽空间。利用多个电极即可判断当前的水面位置。,优点：结构简单，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，显示直观，可靠性高。 应用：火电厂锅炉汽包、高压加热器、除氧器水位测量中普遍应用。 组成：由水位测量筒(水位传感器)和显示仪表组成。,一、水位转换原理 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极。 转换原理：锅炉炉水的电阻率一般在103·cm以下，蒸汽的电阻率一般在106·cm以上，筒内的水浸没的电接点处于低阻状态，未被浸没而处于汽(气)中的电接点处于高阻状态。,电接点水位传感器 (a)外形；(b)AA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、水位传感器的结构,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) 对于火力发电厂锅炉汽包水位的测量一般采用19点的水位传感器。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。 电源的一端接电极芯，另一端接测量简体的公共电极。为了防止电极的极化作用，电极需采用交流电源。炉水水质较好时，一般采用18V，炉水水质较差时，为了与二次仪表配合，可采用较低电压，例如9V。,三、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。 氖灯显示仪表 红绿灯显示仪表 发光二极管显示仪表 数字显示,氖灯显示仪表,一、 物位检测的意义及主要类型,几个概念,液位 料位 液位计 料位计 界面计,测量物位的两个目的,按其工作原理分为,直读式物位仪表 差压式物位仪表 浮力式物位仪表 电磁式物位仪表 核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表,二、 差压式液位计,因此,（一）工作原理,图4-1 差压式液位计原理图,（二）零点迁移问题,在使用差压变送器测量液位时，一般来说,实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为,则,图3-39 负迁移示意图,式3-49,迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。,迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。,迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。,举例,某差压变送器的测量范围为05000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。,一般型号后面加“A”的为正迁移；加“B”的为负迁移。,（三）用法兰式差压变送器测量液位,为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。,三、其他物位计,（一）电容式物位计,1.测量原理,两圆筒间的电容量C,当 D 和 d 一定时，电容量 C 的大小与极板的长度 L 和介质的介电常数的乘积成比例。,通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。,2.液位的检测,当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为,对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。,当液位上升为H时，电容量变为,电容量的变化为,3.料位的检测,用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。,左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。,电容量变化与料位升降的关系为,优点,电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。,缺点,需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。,（二）核辐射物位计,特点,适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。 可在高温、烟雾等环境下工作。 由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。,三、雷达式液位计,雷达式液位计是一种采用微波技术的液位检测仪表。,可以用来连续测量腐蚀性液体、高黏度液体和有毒液体的液位。 它没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区,而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响,在易燃易爆等恶劣工况下仍能应用。,优点,图4-12 雷达式液位计示意图,雷达波由天线发出到接收由液面来的反射波的时间t由下式确定,由于,故,雷达探测器对时间的测量有微波脉冲法及连续波调频法两种方式。,（四）称重式液罐计量仪,（四）称重式液罐计量仪,既能将液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量储量。,称重仪根据天平原理设计。,由于,浮力式液位计,1 浮标液位计 工作原理是浮标在液面上并随液位变化而升高或降低，但是浮标所受的浮力不变。,直读式浮标液位计,浮球式液位计,2 浮筒式液位计 浮筒式液位计由四部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和输出指示。适合对各种密封容器内的液面测量。,例题分析 1,图4-15 法兰式差压变送器测液位,用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位,如图4-15所示。已知被测液位的变化范围为03m,被测介质密度=900kg/m3 ,毛细管内工作介质密度0=950kg/m3。变送器的安装尺寸为 h1=1m, h2=4m。求差压变送器测量范围的选择,并判断零点迁移方向,计算迁移量,当法兰式差压变送器的安装位置升高或降低时,问对测量有何影响?,解：当不考虑迁移量时,变送器的测量范围应根据液位的最大变化范围来计算。 液位为3m时,其压差为,所以液柱压力用Hg计算时,只要H用m,用kg/m3，g用m/s2为单位时,相乘结果的单位就是Pa。上述计算结果pmax为26.487kPa,经过圆整后,测量范围可选030kPa。,根据图示,当液位高度为H时,差压变送器正压室所受的压力p1为,负压室所受的压力p2为,因此，差压变送器所受的压差为,由上式可知,该差压变送器应进行负迁移,其迁移量为 h20g。 差压式液位计发生零点迁移时,只要两个取压法兰间的尺寸h2不变,其迁移量是不变的。,