蒸汽锅炉水位探测方法

电容器 平板
电容器 平板
非导电液体
图3.16.9 基本的在液体中的电容
蒸汽和冷凝水系统手册
3.16.7
第3章
锅炉房
蒸汽锅炉水位探测方法
章节3.16
电容 �����������
浸入深度 ���������������
图3.16.10 电容的输出
随着更多的平板面积浸入液体电容增加（见图3.16.10）。 在两个平行导电金属平板之间插入非导电材料（有一点或无导电性的物质如空气或PTFE）就作成了一 个简单的电容器（见图3.16.8）。 在平板浸入导电液体时情况有一点不同，如在锅炉水中，因为水不再作为绝缘体而是导电平板的延 伸。 电容水位探头因此有一个导电的圆形探头，它作为第一个电容平板。探头被适当的绝缘材料覆盖，典 型的是PTFE。第二块电容平板由导电容器壁（对锅炉来说就是锅壳）和盛在容器内的水构成。因此，改变 水位，第二块电容板的浸入面积改变，就影响整个系统的电容（见公式3.16.2）。 探头 非导电材料(PTFE)
开关单元 开关头 磁铁 开关单元
锅炉侧面连接 水筒 浮球杆
浮球
典型的美国型
锅炉接口 锅炉底部连接
磁力开关
连杆支点 连杆
浮球
锅炉接口
图3.16.16 水筒中的磁力水位控制器
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3.16.11
第3章
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蒸汽锅炉水位探测方法
章节3.16
差压传送器
差压传送器安装的一侧有恒定的水头。另一侧的水头随着锅炉水位的变化而变化。 可变的电容、张力表或电感技术被用于测量膜片的偏差，从这个测量值就产生了一个电子水位信号。 差压传送器一般用于下列场合： 高压水管锅炉，炉内是高质量的除盐水。 使用纯水的地方，或许在制药过程。 在这些应用中，水的导电率非常低，意味着导电率和电容探头都不能可靠的运行。
第3章
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蒸汽锅炉水位探测方法
章节3.16
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3.16.1
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蒸汽锅炉水位探测方法
章节3.16
蒸汽锅炉水位探测方法
在蒸汽锅炉上，一般有三种水位检测装置的应用： 水位控制 - 确保在正确的时间向锅炉内加入正确的水量。 低水位报警 - 为了锅炉安全运行，低水位报警保证当锅炉内水位下降到，或低于一个预先设定的水位 时停止锅炉燃烧。对于自动控制的蒸汽锅炉，国家标准通常要求两个独立的低水位报警，目的是确保安 全。在英国，较低的水位报警将切断燃烧器，并要求人工重新复位才能再启动锅炉。 高水位报警 - 如果水位上升太高将发出报警，通知锅炉操作人员切断给水供应。尽管不是强制的，采 用高水位报警是明智的，因为这样可减少炉水携带和蒸汽输送系统中发生水锤现象的概率。
高水位报警 阀调节控制 水位在一定范围内
探头 长度
低水位报警 死区 长度
图3.16.14 电容探头 (包括头部)
图3.16.13 在水箱上使用电容探头的典型控制 (无刻度)
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3.16.9
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章节3.16
浮球控制
这是一种液位测量的简单形式。每天常见的浮球水位控制例子是抽水马桶的蓄水箱。当马桶冲水，蓄 水池的水位下降，浮球随着水位降低并且打开进水阀门。随着新鲜水的进入，水位上升，浮球也上升并逐 步关小进水阀直到到达要求的水位，最终水箱进水阀关闭。 这个系统与在蒸汽锅炉内非常类似。一个浮球安装在锅炉内，也可以安装在外部水筒，或者直接安装 在锅壳内。锅炉内的水位变化时浮球跟着上下浮动。接着是检测它的动作并用于控制： 一台给水泵 (开关水位控制系统) 或者 给水控制阀 (连续调节控制系统) 因为浮球的浮力，浮球跟随水位上下动作。 浮球杆的另一端是一块磁铁，在一个不锈钢帽内移动。 由于帽是不锈钢，它实际上没有磁性并允许磁力线穿过。 最简单的形式，磁力操作磁力开关： 底部开关使给水泵开启。 顶部开关使给水泵关闭。 但是，实际上单一开关通常提供开关水泵控制，第二个开关用于报警。 同样的形式可用于水位报警。 更复杂的系统可提供调节控制，它是用一个线圈缠绕在帽内的轭上。随着磁体的上下运动，线圈的电 感改变，这将提供一个模拟信号到控制器，然后就可以控制给水调节阀了。
高水位报警
正常水位
泵开或给水阀全开 第1低水位报警 第2低水位报警
图3.16.1 水位控制和报警的运行液位
自动水位探测方法
本章下面部分讨论应用于蒸汽锅炉的水位探测装置的原理。 基本的导电理论 电子流动的方式可与液体相比较。电子流过一个电阻与液体流过管道是类似的(见图3.16.2)。 导体是金属，如金属导线，它允许电流流动。（导体的反面是绝缘体，它能阻碍电子流动，如玻璃或 塑料）。电流是一种电荷流动，电荷被微粒携带称为电子或离子。电荷用库仑测量。6.24 x 1018 个电子称 为一库仑电量，按照国际标准单位（SI），相当于1A·s。 当电子或离子移动，测量的电流是库仑每秒而不是电子或离子每秒。但是，安培（A）是电流测量的 单位。
3.16.6
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章节3.16
电容探头Байду номын сангаас
在两个平行导电金属平板之间插入非导电材料（有一点或无导电性的物质如空气或PTFE）就作成了一 个简单的电容器（见图3.16.8）。 非导电体(空气)
电流量线 金属平板 金属平板面积 = A
距离(D)
电压
+
_
图3.16.8 电容器
磁力开关 不锈钢帽 磁力开关 大气压力 锅壳 锅炉压力 浮球杆 浮球 水位 磁铁
图3.16.15 浮球控制
3.16.10
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浮球控制应用
对垂直或者水平安装，水位信号输出通常是通过一个磁力开关（水银型或空气断路型），或者作为从 电感线圈由于附在浮球上的磁体的运动产生的调节信号。这两种情况，磁力都要穿过无磁性的不锈钢管起 作用。 典型的开/关型-英国
3.16.8
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章节3.16
腔壁(锅壳) 探头 PTFE表面
CA
注： 电容式探头不能切割
CB
水
头部
图3.16.12 电容器信号的成分 (不是量程)
在水面以上两个电容板（容器壁与探头之间）之间的距离很大， 所以电容CA 很小（见公式3.16.2）。相反，水面以下的电容板（探头 和水）之间的距离很小，因此电容CB 与CA相比很大。得到的结果是水 面的上升将引起用适当的装置测量出的电容也上升。 但是电容的变化依然很小（一般以法拉测量，例如10-12F），所 以探头与一个放大器电路相连。放大以后的电容变化这时就可以输送 到合适的控制器了。 当电容探头使用在，例如一个水箱，（见图3.16.13），水位可以 通过电容探头连续检测。相连的控制器可设置用于调节控制阀，而且能 提供指示功能如一个高位报警或低位报警。 控制器也可以设置用于开关控制。这里，“开”和“关”的转换 点在一个探头上实现，而不需要切断探头。因为电容探头完全被绝缘 材料包容，所以不能切断。 本体
所以系统的电容有两个成分（如图3.16.12所示）： CA, 液体表面上的电容 - 在容器壁与探头之间的电容。绝缘体包括容器壁与探头之间的空气和探头 表面的PTFE涂层。 CB, 液体表面以下的电容 - 与探头接触的水面和探头之间的电容，而绝缘体仅是PTFE涂层。
水位的改变
图3.16.11 在水中的电容
电容的基本的等式，如图3.16.8所示的电容器，见公式3.16.2:
公式3.16.2
式中: C = 电容 (F)，K = 绝缘常数 (平板间绝缘体的作用)，A = 平板面积 (m2)， D = 平板之间的距离 (m) 因此： 平板面积越大，电容越高。 平板越近，电容越高。 绝缘常数越高，电容越高。 因此当 A、D 或 K 改变了，电容也改变! 用两个平行导电板浸入非导电液体就构成了基本的电容器（见图3.16.9）。随着平板的逐渐浸入测量 电容，可以看到电容的改变与平板浸入非导电液体的深度成比例。 电容测量
导电探头总结
导电探头，如图3.16.7所示，是： 一般是垂直安装。 适用于开关水位的控制。 通常是在一个腔体内安装一组3个或4个探头，尽管也提供其它配置。 在安装时可截断到需要的长度。 因为探头是根据导电性的原理来工作的，因此不适用于纯水（导电率小于5µS/cm）的应用。
图3.16.7 典型的导电探头 (图示4根探头) 和控制器
低电压源
安培表
B
泵关 顶部封闭的 金属水箱 泵开 绝缘体
A
水
图3.16.4 双导电探头控制水泵开关
探头
水
图3.16.5 在密闭容器内的导电探头
3.16.4
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第3章
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蒸汽锅炉水位探测方法
章节3.16
但是一个探头仅能提供一个单一的作用点。因此，为了在预定的水位开关水泵就需要两个探头（图 3.16.4）。 当水位下降使A点脱离水面，水泵开始运转。水位上升直到接触第二个探头点B，这时水泵停 止运转。 探头能安装在密闭的容器上，例如一台锅炉。图3.16.5显示了一个密闭的金属水箱—注意，在探头穿 过水箱顶部的地方要求绝缘。 这样： 探头浸入水中，电流流动。 探头脱离水面，电流消失。 注意: 应使用交流电以避免在探头上发生极化和电解（使水分解为氢和氧）。必须用一个标准的导电 探头提供锅炉的低水位报警。 英国标准要求必须每天测试。 对一个简单的探头存在可能发生的问题 - 如果在绝缘处聚集了污垢，在探头和金属箱体之间产生电流 通道而且即使探头顶部脱离了水面电流还将继续。这个问题可以在设计和制造导电探头时加长绝缘体并用 光滑的绝缘材料如PTFE/ Teflon®铠装探头的大部分长度来克服。这样就最大程度减少污垢聚集在绝缘体 上的危险，见图3.16.6。 低压电 电流表
3.16.2
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章节3.16
电流 流向
水流 流向
+ 电池
_
电阻
泵
阀门
流向 电压(V) = 泵压(m 扬程) 电流(A) = 流率(L/s) 电阻(Ω) = 阀门流阻(kPa)
图3.16.2 水循环和电路的类比
流向
1 A = 每秒6.24 x 1018 个电子的流动。 1 A = 1 c/s。 引起电流流动的力被称为电动势EMF。电池、发电机或电站可提供电动势。电池有正负两极。如果在 两极之间连接导线，则有电流流动。电池类似于水系统的泵作为压力源。在电动势（EMF）源的两极测量 电动势差为电压，电压高（压力）则电流（流量）大。电流流过的电路代表电阻（类似于水系统中管道和 阀门产生的阻力）。 电阻单位是欧姆（符号W），欧姆定律与电流、电压和电阻有关，见公式3.16.1：
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3.16.3
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章节3.16
电压源
安培表
电压源
安培表
探头
探头
水
图3.16.3 单导电探头工作原理
水
这是导电探头的基本原理。导电的原理是给出一个测量点。当水位接触了探头尖部，就通过相连的控 制器触发了一个动作。 这个动作可以是： 启动或停止水泵。 打开或关闭阀门。 触发报警警铃。 打开或关闭继电器。
绝缘体
可能的 导电通 道
杂质
存在问题 探头 水 密闭容器内的水 低压电 电流表
绝缘体
解决方案
可能的 导电通 道
PTFE外表 探头 暴露的探头
密闭容器内的水
水
图3.16.6 绝缘体上的污垢: 问题和解决
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3.16.5
第3章
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章节3.16
解决问题的方法: 在蒸汽空间使用绝缘体。 沿着整个金属探头的长度使用长且光滑的 PTFE 外套。 在控制器上可调节灵敏度。 有特殊的导电探头用于低水位报警，称为‘自检测型’。几种自检测功能合成一体，包括： 一个比较探头，可连续测量和比较通过绝缘体和通过探头顶部的对地电阻。 检查探头和绝缘之间的漏电。 其它自检测程序。 按英国的规定，使用这些特殊系统允许每周测试一次而不是每天测试。这是由于在这些装置的设计中 固有更高的安全水平。 导电探头必须截断到合适的长度以便准确的代表想得到的开关点。
公式3.16.1
式中: I = 电流 (A)； V = 电压 (V)； R = 电阻 (Ω)。 另一个重要的电概念是“电容”。它是测量两个导体之间的电荷容量（基本与容器容积类似），根据 所需要的电荷可提高电势到一伏特电压。 如果一对导体需要很多电荷才能升高其两端的电压到一伏特，则表示电容很大。就像一个大的容器需 要大量的气体填充才能到一定的压力一样。 电容的单位1c/v，定义为1F。 导电率探头 考虑一个盛水的开式水箱。一个探头（金属棒）悬吊在水箱上（见图3.16.3），如果加载电压而且电 路上串联电流表，则可以看到： 探头浸入水中，电路有电流通过。 探头脱离水面，电流消失。