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核电站疏水箱浮筒液位计的测量误差及修正

更新时间  2021-07-07 08:29:22
核电站疏水箱浮筒液位计的测量误差及修正
 
文摘:浮筒液位计是一种常用的液位测量装置。核电站疏水箱中浮筒液位计的应用对测量精度有一定的影响。在分析浮子受力的基础上,找出温度对测量误差的影响,对比分析不同结构对测量精度的影响。采用温度补偿法修正了电厂分散控制系统(DCS)的测量误差,满足各工况下的测量精度要求。其结果可供核电站疏水箱液位计方案选择时参考。
引言
浮筒式液位计是根据阿基米德定律和霍尔原理或磁耦合原理设计而成的液位测量仪表,可用来测量液位、密度和边界位置,输出液位及限位报警信号。适用于测量容器内液位,**应用于石油、化工、煤炭、冶金、生物、制药等行业的自动化检测,是过程工业中必不可少的技术工具之一[1]。核电站疏水箱采用浮筒式液位计,在闪蒸条件下,液位可测量。而在被测介质温度(升或降)变化工况下,液位测量值会产生误差,其偏差可达50%,造成液位超差,造成汽轮机跳机。为此,有必要找出影响测量误差的原因,减少测量误差。针对造成测量误差的主要原因,通过对浮子的受力分析,推导了液位与温度之间的函数关系,并利用电厂分散控制系统(DCS)对电站疏水箱液位计的选型进行了修正,对实际应用中的实际应用有指导意义。
浮筒液面计的结构及工作原理。
我国目前的浮筒液位计主要应用于低压领域,只有纯国产的部分,其他部分采用中外合资方式生产。如高压、核电站等重要领域,还是依靠纯进口浮筒液位计,对核电站所使用的两种型号的浮筒液位计进行了结构和原理分析。
浮筒液面计的结构设计。
MagnetrolE3系列浮筒液位计由浮子、浮子、弹簧、变送器等部件组成,其结构见图1,是一种用弹簧支撑浮子结构的浮筒液位计。浮子腔通过连接管与被测容器形成平衡容器,使被测容器中的水导入浮子腔进行水位测量;浮子由弹簧支撑浮子腔内并浸入浮子腔内的液体中,将变送器内的磁芯通过支撑杆与浮子连接。在顶部安装的变送器中,LVDT线性可变差变换器电路板,仪表盘等电器元件。
浮筒液位计由浮子、浮子腔、扭力管、变送器等部件组成,其结构见图2,是一种采用浮子、扭力管结构的浮筒液位计。浮子腔通过连接管与被测容器连接形成平衡容器,使被测容器中的水导入浮子腔进行水位测量;浮子在浮子腔内垂直悬挂并浸入液体中,扭力臂与扭力管机构刚性连接。侧置变送器中有霍尔效应传感器、磁铁、电路板、仪表盘等电器元件。
1.2浮筒液面计工作原理。
根据阿基米德定律和电磁感应原理设计的浮筒液位计,浮子是在一定的介质密度条件下,根据耐压、耐高温等特殊条件制造的。当介质密度、温度、压力改变时,测量精度会下降。浮筒液位计采用弹簧支撑浮子结构,当浮子处于干燥状态时,浮子与浮子腔下部接触。在液位变化时,浮子所受浮力也随之改变,平衡状态被打破,从而导致浮体弹性变化即弹簧的伸缩,达到新的平衡。弹性的伸缩使它能和刚性连接的磁钢位移。如此,由磁感指示器内部的磁感元件及驱动装置指示液位。在量程弹簧支撑的浮子上,液位变化引起浮力的变化,使得一个位于顶部的线性可变差动变换器(LVDT)中的检测器磁芯做垂直移动。在LVDT液位变化时,在LVDT的次级线圈中产生感应电压,产生的电压与液位成线性关系。经过电路处理后,转换成4~20mA的电流信号输出。
另外一种采用浮子和扭力管结构的浮筒液位计,当浮子处于干燥状态时,浮子的弹力与自身重力相平衡,浮子处于悬空状态。液面上升使浮力变大,扭力管的弹力相应减小,扭力管形成角度变化,芯轴与扭力管同步旋转,使浮力的变化即液位变化转化为扭力管的角位移输出。转角输出至表头中的摇架组件,带动固定在摇架上的磁钢组件发生位移变化。
Hole效应传感器探测到的磁场,霍尔传感器输出相应的电压,产生的电压与液位成正比。将电流信号经过电子线路部分转换成4~20毫A输出[2]。
2浮筒液面计测量误差。
在采用浮筒液位计测量时,要准确地反映疏水箱内的液位,必须准确地反映出浮力的变化,并能消除冷凝水浓度的变化。
2.1浮子受力分析。
浮筒液位计采用弹簧支撑浮子结构,使浸在液体中的浮子受到重力向下、向上浮力和弹簧弹力的综合作用。三种力达到平衡时,浮子就处于一个固定的位置,浮子的位移和受力见图3。
依据液位计结构可得:G=F1+F2(1)式中:G是浮子重力,F1是浮力,F2是弹簧力。在重力下,浮子的质量不变,所以浮子重力不变。
从阿基米德定律和弹性定律可以得
在式中:ρ为液体密度;L2表示浮子的高度;A是浮子面积;g表示重力加速度;K表示弹簧刚度;Δx表示浮筒位移;Lx为弹簧长度;L0表示弹簧的长度。
*初情况下,浮子与浮子腔接触,浮子腔由弹簧拉和重力平衡。