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第9章 液位测量


第九章 液位测量
第1节
液位测量的目的:
确定容器内物质的储量;计量物质消耗;保证连续生产和设备安全。 液位测量在热能动力机械中的应用:

概述

监测锅炉汽包水位、储罐中液化气的液位、燃油和润滑油的油面高度 等。
液位测量主要方法:

浮力式,

差压式,

电容式,

电阻式,

电感式,

热感式,

射线式(激光,红外线,超声波,微波等) 液位测量方法的选用:

根据液体性质、容器特性、使用条件和要求确定

第2节
一.基本原理
流体静力学平衡方程

差压式液位测量法

1. 开口容器: ?p ? p ? p0 ? ? ? g ? H
H ? ?p

? ?g

2.闭口容器:
? p ? [ ? ? g ? H ? ? s ? g ? ( H s ? H )] ? ? s ? g ? H s ? (? ? ? s ) ? g ? H H ? ?p (? ? ? s ) ? g

可见:1.液位高度H与差压Δ p成正比; 2.密度对差压式液位测量有较大影响。

二.用差压式液位计测量锅炉汽包水位
差压式液位计测量受水、汽密度变化影响,需要采取补偿措施。 双室平衡容器结构:汽包,宽容器(水位高度L恒定),差压计。 1. 水位—压差转换原理
?p ? ( ?1 ? g ? L ? ps ) ? [ ? 2 ? g ? H ? ? s ? g ( L ? H ) ? ps ] ? ( ?1 ? ? s ) ? g ? L ? ( ? 2 ? ? s ) ? g ? H

采用保温措施后,ρ 1=ρ 2=ρ

w

?p ? (? w ? ? s ) ? g (L ? H ) H ? L? 1 (? w ? ? s ) ? g ? ?p

2. 误差分析 ① 汽包压力p的影响
p ?? ( ? w ? ? s ) ?? ? p ?

同样的水位H产生的Δp↘,液位计指示的液位 高于实际液位 液位计在锅炉额定压力下进行刻度。 当锅炉运行压力高于额定压力时,液位 计指示的液位高于实际液位; 当锅炉运行压力低于额定压力时,液位 计指示的液位低于实际液位。锅炉起停 时,指示液位将低40----150mm ② 水位高度的影响
H ?? L ? H ?? ?p (? w ? ? s ) ?

?p ? (? w ? ? s ) ? g (L ? H ) H ? L? 1 (? w ? ? s ) ? g ? ?p

上式说明:低水位时,上述汽包压力对指示液 位的影响更大 。

3. 具有压力补偿作用的中间抽头平衡容器
? p ? [ ? w ? g ( L ? l ) ? ? a ? g ? l ] ? [ ? s ? g ( L ? H ) ? ? w ? gH ] ? (? w ? ? s ) ? g ? L ? (? a ? ? w ) ? g ?l ? (? w ? ? s ) ? g ? H

L,l的取值应使: ① 在设计水位H0时,锅炉处于额定 压力和最低工作压力时的液位计 差压Δ p相等; ② 水位最低(H=0),锅炉工作压力也 最低时, Δp= Δpmax

Δpmax--液位计的满量程。
? p max ? gH 0 (1 ? L ? ?? s ?? w )( ? a ? ? w min ) ?? s ?? w )

g ( ? a ? ? w min )( 1 ? l ? ( L ? H 0 )( 1 ? ?? s ?? w )

式中: ? ? s ? ? se ? ? s min ? ? w ? ? we ? ? w min

具有压力补偿作用的中间抽头平衡容器与双室平 衡容器相比: ① 在设计水位H0时,锅炉压力对液位计指示差压 的影响可以大大地减小; ② 在非设计水位H,锅炉压力对液位计指示差压 仍有影响,但测量准确度已有很大的提高。

第3节 电容式液位测量法
一. 测量导电液体的电容式液位传感器
结构:不锈钢棒(带聚四氟乙烯绝缘套)电极, 导电液体,容器 工作原理:不锈钢棒和导电液体构成电容器的两极,

电容与液体高度成正比。
当 H ? 0时,分布电容: 当 H ? 0时,电容量: ?C ? C H ? C0 ? ? D 0 ?? D , C0 ? CH ? 2 ? ? ? '? L ln( D 0 / d ) ? 2? ? ? ' ( L ? H ) ln( D 0 / d )

2? ? ? ? H ln( D / d ) ?

2? ? ? ? H ln( D / d )

2 ? ? ? '? H ln( D 0 / d ) 2? ? ? ln( D / d ) ?H ? K ?H

? '? ?

? ?C ?

式中:ε -绝缘套介电常数, 适用范围:电导率大于0.01S/m且粘度不大的液体 。

二、测量非导电液体的电容式液位传感器
结构:互相绝缘的内外不锈钢电极,不导电液体在电 极间起绝缘作用。外电极上有孔便于液体进出。
工作原理:液位变化,电极间充填液体的介电常数发 生变化,引起电容变化。
当 H ? 0时,分布电容: 当 H ? 0时,电容量: ?C ? C H ? C0 ? C0 ? CH ? 2? ? ? 0 ? L ln( D / d ) ? 2? ? ? 0 ( L ? H ) ln( D / d )

2? ? ? ? H ln( D / d )

2? (? ? ? 0 ) ln( D / d )

?H ? K ?H

式中:ε,ε0—液体,空气的介电常数,

适用范围:电导率小于10 -9 S/m且粘度不大的液体 。

第4节 电阻式液位测量方法
一、电接点液位计
原理: 利用物质液态和气态的电阻率 相差悬殊的特性指示液位。 结构: 测量筒,电接点,指示灯, 电源。 特点: ? 不受被测液体的压力、温度、 密度的影响;

? 非连续测量
应用: 锅炉、太阳能热水器等

二、热电阻液位计
原理: 利用热电阻丝在液体和气体中的 换热系数不同温度不同导致电阻 改变来指示液位。 结构: 用途:液位指示,报警。 定点式热电阻液位饱经原理: 热电阻丝1置于H0处,液位高度H H<H0时, RS>>R0, 灯亮 H>H0时, RS<<R0, 灯暗

第5节 光纤传感器在液位测量中的应用
一、全反射型光纤液位计
结构:棱镜,光纤,光源,光电检测器 两根光纤一端烧结棱镜,另一端分别光源和光 电检测器耦合构成发射光纤和接受光纤。 棱镜的角度设计: 在空气中符合全反射条件,接受光强大; 在液体中不符合全反射条件。棱镜一浸入液体, 大部分入射光进入液体,接受光强骤减。 特点: 灵敏度高;

电绝缘性好,防爆。
用途:易燃易爆液体的定点液位报警器 适用范围:对棱镜无粘附性的液体

二、 浮沉式光纤液位计
1. 机械转换部分:浮子,重锤,钢索,计数齿盘。齿盘转过的齿数与液位成正比。

2. 光纤光路部分:光源,等强度分束器,光纤和光电检测器。
功能:判定齿盘转动方向,通过A,B两组光纤头 错开一个小角度实现; 计测齿盘转数。

3. 电子电路部分: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。

A B

其他液位计: 磁翻转式液位计

浮球式液位计



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