前言

浮筒液位計是根據(jù)阿基米德定律和霍爾原理或磁耦合原理設(shè)計而成的液位測量儀表，可用來測量液位、密度和界位，輸出液位和限位報警信號。專用于測量容器內(nèi)液位，廣泛用于石油、化工、煤炭、冶金、生物和制藥行業(yè)的自動檢測，是過程工業(yè)不可缺少的技術(shù)工具之一[1]。核電廠疏水箱采用浮筒液位計，具有在閃蒸工況液位可測的優(yōu)點。但在被測介質(zhì)溫度（升高或降低）變化工況，液位測量值會產(chǎn)生誤差，其偏差非常大可以達到50%，引起液位超差，導(dǎo)致汽輪機跳機。因此，需要找出影響測量誤差的原因，并減小測量誤差。通過對浮子的受力分析，測量介質(zhì)溫度變化是產(chǎn)生測量誤差的主要原因，本文推導(dǎo)出液位與溫度的函數(shù)關(guān)系，并通過電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）對測量誤差進行修正，對于核電廠疏水箱液位計選型具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

 

1、浮筒液位計的結(jié)構(gòu)和原理

目前國產(chǎn)浮筒液位計主要應(yīng)用在低壓領(lǐng)域，其中純國產(chǎn)的占有一部分，另有一部分以中外合資的形式生產(chǎn)。在高壓和核電廠等重要領(lǐng)域還是依賴于純進口浮筒液位計，對核電廠應(yīng)用的其中2種型號浮筒液位計進行結(jié)構(gòu)和原理分析。

 

1.1、浮筒液位計的結(jié)構(gòu)

MagnetrolE3系列浮筒液位計由浮子、浮子腔、彈簧、變送器等構(gòu)件組成，其結(jié)構(gòu)見圖1，為采用彈簧支持浮子結(jié)構(gòu)的浮筒液位計。浮子腔通過連接管與被測容器形成平衡容器，使被測容器中的水導(dǎo)入浮子腔進行水位測量；浮子通過彈簧支持在浮子腔內(nèi)并浸沒在浮子腔內(nèi)的液體中，變送器內(nèi)的磁芯通過撐杠與浮子連接。頂部布置的變送器內(nèi)還有線性可變差動變換器LVDT（LinearVariableDifferentialTransformer）、電路板、儀表盤等電器元件。

Masoneilan12400系統(tǒng)浮筒液位計由浮子、浮子腔、扭力管、變送器等構(gòu)件組成，其結(jié)構(gòu)見圖2，為采用浮子和扭力管結(jié)構(gòu)的浮筒液位計。浮子腔通過連接管與被測容器連接形成平衡容器，使被測容器中的水導(dǎo)入浮子腔進行水位測量；浮子垂直懸掛在扭力臂上并浸沒在浮子腔內(nèi)的液體中，扭力臂與扭力管機構(gòu)剛性連接。側(cè)位布置的變送器內(nèi)有霍爾效應(yīng)傳感器、磁鐵、電路板、儀表盤等電器元件。

1.2浮筒液位計的工作原理

浮筒液位計基于阿基米德定律和電磁感應(yīng)原理設(shè)計，浮子是根據(jù)介質(zhì)密度和耐壓、耐溫等特定條件而制作的。在介質(zhì)的密度、溫度、壓力發(fā)生變化時，測量精度降低。采用彈簧支持浮子結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，當(dāng)浮子處于干燥狀態(tài)時，浮子接觸浮子腔下部。當(dāng)液位發(fā)生變化時，浮子所受浮力相應(yīng)改變，平衡狀態(tài)被打破，從而引起彈力變化即彈簧的伸縮，以達到新的平衡。彈簧的伸縮使其與剛性連接的磁鋼產(chǎn)生位移。這樣，通過指示器內(nèi)磁感應(yīng)元件和傳動裝置使其指示出液位。液位變化引起浮力的變化作用到量程彈簧支持的浮子上，從而使得位于頂部的線性可變差動變換器（LVDT）內(nèi)的檢測磁芯做垂直運動。當(dāng)檢測磁芯的位置隨著液位變化而變化時，LVDT的次級線圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，產(chǎn)生的電壓與液位成線性關(guān)系。這些信號經(jīng)電路處理并轉(zhuǎn)為4~20mA的電流信號輸出。

 

另一種采用浮子和扭力管結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，當(dāng)浮子處于干燥狀態(tài)時，扭力管的彈力與浮子的自身重力相平衡，浮子處于懸空狀態(tài)。當(dāng)液位上升時引起浮力變大，扭力管的彈力相應(yīng)減小，扭力管形成角度變化，芯軸與扭力管同步旋轉(zhuǎn)，將浮力的變化即液位變化轉(zhuǎn)換成扭力管芯軸的角位移輸出。轉(zhuǎn)角輸出到表頭里的搖架組件上，帶動固定在搖架上的磁鋼組件發(fā)生位移變化，改變了

霍爾效應(yīng)傳感器檢測到的磁場，霍爾傳感器作相應(yīng)電壓輸出，產(chǎn)生的電壓與液位成比例關(guān)系。通過電子線路部分轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號輸出[2]。

 

2浮筒液位計測量誤差

 

為了得到疏水箱內(nèi)準(zhǔn)確液位，當(dāng)采用浮筒液位計測量時，浮子的位移需精確反映浮力的變化，并能消除凝結(jié)水密度變化的影響。

 

2.1浮子的受力分析

采用彈簧支持浮子結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，浸在液體中的浮子受到向下的重力，向上的浮力和彈簧彈力的復(fù)合作用。當(dāng)這3個力達到平衡時，浮子就靜止在某一位置，浮子位移和受力見圖3。

 

根據(jù)液位計結(jié)構(gòu)可得：G＝F1+F2（1）式中：G為浮子重力；F1為浮力；F2為彈簧力。浮子重力向下，浮子的質(zhì)量不變，因此浮子重力G不變。

 

根據(jù)阿基米德定律和彈性定律可得：F1＝ρL2·Ag（2）F2＝KΔx＝K（Lx-L0）（3）

式中：ρ為液體密度；L2為被淹沒的浮子高度；A為浮子截面積；g為重力加速度；K為彈簧剛度；Δx為浮筒位移量；Lx為彈簧長度；L0為彈簧自由長度。

 

初始狀態(tài)下，浮子接觸浮子腔下部，浮子受到彈簧拉力和重力平衡。

 

當(dāng)彈簧長度Lx大于自由長度L0時，彈簧受拉；當(dāng)彈簧長度Lx小于自由L0時，彈簧受壓。因此，當(dāng)Lx-L0＞0時，F(xiàn)1＞0，彈簧

力向上，受拉力；當(dāng)Lx-L0＜0時，F(xiàn)1＜0，彈簧力向下，受壓力。

 

根據(jù)式（1~3）可得：L2＝（G-KΔx）/（ρAg）（4）

如圖3所示，浮子腔的總高度不變?yōu)長x+L+Δx，熱膨脹除外；浮子的長度L不變?yōu)長1+L2，熱膨脹除外；浮筒內(nèi)的真實液位H為Δx+L2。要求得液位值H，需要得到彈簧變形量Δx和浮筒淹沒高度L2。彈簧變形量Δx由頂部位移傳感器LVDT測量得出。被淹沒的浮子高度L2根據(jù)式（4）求得，關(guān)鍵是求出浮筒淹沒高度L2。

 

采用浮子和扭力管結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，浸在液體中的浮子受到向下的重力、向上的浮力和懸臂桿拉力的復(fù)合作用。當(dāng)這3個力達到平衡時，浮子就靜止在某一位置。懸臂桿拉力來至于扭力管的彈力。初始狀態(tài)下，浮子處于懸空狀態(tài)，扭力管的彈力與浮子的自身重力相平衡。扭力管外置布置，溫度變化小，彈力基本不變。浮子的受力只考慮向下的重力和向上的浮力。

 

2.2介質(zhì)溫度對測量的影響

核電廠疏水箱內(nèi)凝結(jié)水為飽和水，疏水溫度的變化，與液位測量相關(guān)的參數(shù)也會隨著發(fā)生變化。其一，溫度影響凝結(jié)水密度。其二，采用彈簧支持浮子結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，溫度影響浮子支持彈簧的剛度，彈簧剛度與材料特性有關(guān)。水的密度隨溫度變化較大。如液位計在冷態(tài)（按20℃）進行標(biāo)定，其飽和水密度為998kg/m3，在熱態(tài)（300℃）時，其飽和水密度為712kg/m3，兩者密度之比約為1.4，熱態(tài)測量值會有較大誤差，其偏差非常大可以達到50%。

 

采用浮子和扭力管結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，其懸臂桿受溫度的影響比彈簧小。浮子、彈簧、懸臂桿等與介質(zhì)接觸的部件受到熱膨脹的影響，熱膨脹量與溫度變化成線性關(guān)系，根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)可計算出產(chǎn)生的誤差，非常大可達10mm。另外，由于各元件之間有導(dǎo)熱，溫度將影響變送器內(nèi)的電路特性，從而產(chǎn)生信號誤差。

 

3浮筒液位計測量誤差的修正

采用彈簧支持浮子結(jié)構(gòu)的浮筒液位計，溫度對彈簧剛度的影響，其函數(shù)關(guān)系為K=f1（T）。溫度對疏水密度的影響，其函數(shù)關(guān)系為ρ=f2（T）。部件熱膨脹導(dǎo)致的誤差和信號誤差一般較小，是可接受的。

因此，浮子腔內(nèi)液位高度為：

式中：H為液位高度；T為介質(zhì)溫度；f1（）為彈簧

剛度與溫度關(guān)系函數(shù)；f2（）為介質(zhì)密度與溫度關(guān)系函數(shù)。函數(shù)f1（T）根據(jù)彈簧材料特性確定，容易得到。函數(shù)f2（T）需要根據(jù)浮筒液位計結(jié)構(gòu)計算得出， 是影響測量精度的主要因素。 實際工程中， 一般采用常用溫度或中間溫度作為設(shè)置基準(zhǔn)。 某 電廠 1 只浮筒液位計的測量誤差及修正函數(shù) f1（T） 部分?jǐn)?shù)據(jù)見表 1。

函數(shù) K=f1（T）和 ρ=f2（T）都是已知的特性， 將 其分點做成插值函數(shù)， 通過 DCS 進行修正， 可以消除測量介質(zhì)溫度變化帶來的誤差。

 

采用浮子和扭力管結(jié)構(gòu)的浮筒液位計， 修正 密度隨溫度變化函數(shù) ρ=f2（T）即可。 部件熱膨脹導(dǎo) 致的誤差和信號誤差一般較小， 在允許范圍內(nèi)。

 

4 結(jié)語

浮筒液位計的測量精度與介質(zhì)密度和溫度有 關(guān)， 標(biāo)定狀態(tài)介質(zhì)密度和溫度與被測介質(zhì)密度和溫度存在一定關(guān)系， 即密度變小或溫度升高所測 量輸出液位比實際高。 對介質(zhì)密度和彈簧剛度采 用溫度進行補償， 通過 DCS 對測量誤差進行修正，滿足各工況測量精度要求。 也可根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對修正函數(shù)進行優(yōu)化。 如將浮子、 彈簧、 懸臂桿等 與介質(zhì)接觸的部件的熱膨脹值與溫度變化之間的關(guān)系一并考慮， 可以進一步提高浮筒液位計的測 量精度。