核電廠疏水箱浮筒液位計測量誤差與修正

徐仕海 張增明 李林 熊艷

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 前言

浮筒液位計是根據阿基米德定律和霍爾原理或磁耦合原理設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。 專用于測量容器內液位， 廣泛用于石油、 化工、 煤炭、 冶金、 生物和制藥行業的自動檢測，是過程工業不可缺少的技術工具之一[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點。 但在被測介質溫度（升高或降低）變化工況， 液位測量值會產生誤差， 其偏差最大可以達到50%， 引起液位超差， 導致汽輪機跳機。 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， 測量介質溫度變化是產生測量誤差的主要原因， 本文推導出液位與溫度的函數關系， 并通過電廠分散控制系統（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實指導意義。

1 浮筒液位計的結構和原理

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

1.1 浮筒液位計的結構

Magnetrol E3 系列浮筒液位計由浮子、 浮子腔、 彈簧、 變送器等構件組成， 其結構見圖1， 為采用彈簧支持浮子結構的浮筒液位計。

圖1 Magnetrol E3 系列浮筒液位計

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入浮子腔進行水位測量； 浮子通過彈簧支持在浮子腔內并浸沒在浮子腔內的液體中， 變送器內的磁芯通過撐杠與浮子連接。頂部布置的變送器內還有線性可變差動變換器LVDT （Linear Variable Differential Transformer）、電路板、 儀表盤等電器元件。

Masoneilan 12400 系統浮筒液位計由浮子、 浮子腔、 扭力管、 變送器等構件組成， 其結構見圖2， 為采用浮子和扭力管結構的浮筒液位計。 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的液體中，扭力臂與扭力管機構剛性連接。 側位布置的變送器內有霍爾效應傳感器、 磁鐵、 電路板、 儀表盤等電器元件。

圖2 Masoneilan 12400 系列浮筒液位計

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原理設計， 浮子是根據介質密度和耐壓、 耐溫等特定條件而制作的。 在介質的密度、 溫度、 壓力發生變化時， 測量精度降低。

采用彈簧支持浮子結構的浮筒液位計， 當浮子處于干燥狀態時， 浮子接觸浮子腔下部。 當液位發生變化時， 浮子所受浮力相應改變， 平衡狀態被打破， 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生位移。 這樣， 通過指示器內磁感應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）內的檢測磁芯做垂直運動。 當檢測磁芯的位置隨著液位變化而變化時， LVDT 的次級線圈內產生了感應電壓，產生的電壓與液位成線性關系。 這些信號經電路處理并轉為4～20 mA 的電流信號輸出。

另一種采用浮子和扭力管結構的浮筒液位計，當浮子處于干燥狀態時， 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。 當液位上升時引起浮力變大， 扭力管的彈力相應減小， 扭力管形成角度變化， 芯軸與扭力管同步旋轉， 將浮力的變化即液位變化轉換成扭力管芯軸的角位移輸出。 轉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生位移變化， 改變了霍爾效應傳感器檢測到的磁場， 霍爾傳感器作相應電壓輸出， 產生的電壓與液位成比例關系。通過電子線路部分轉換成4～20 mA 的電流信號輸出[2]。

2 浮筒液位計測量誤差

為了得到疏水箱內準確液位， 當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構的浮筒液位計， 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合作用。 當這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。

根據液位計結構可得：

式中：G為浮子重力；F1為浮力；F2為彈簧力。

浮子重力向下， 浮子的質量不變， 因此浮子重力G不變。

根據阿基米德定律和彈性定律可得：

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。

初始狀態下， 浮子接觸浮子腔下部， 浮子受到彈簧拉力和重力平衡。 當彈簧長度Lx大于自由長度L0時， 彈簧受拉； 當彈簧長度Lx小于自由L0時， 彈簧受壓。 因此， 當Lx-L0＞0 時，F1＞0， 彈簧力向上， 受拉力； 當Lx-L0＜0 時，F1＜0， 彈簧力向下， 受壓力。

根據式（1～3）可得：

圖3 浮子位移和受力圖

如圖3 所示， 浮子腔的總高度不變為Lx+L+Δx， 熱膨脹除外； 浮子的長度L不變為L1+L2， 熱膨脹除外； 浮筒內的真實液位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根據式（4）求得， 關鍵是求出浮筒淹沒高度L2。

采用浮子和扭力管結構的浮筒液位計， 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合作用。 當這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。 初始狀態下， 浮子處于懸空狀態， 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 介質溫度對測量的影響

核電廠疏水箱內凝結水為飽和水， 疏水溫度的變化， 與液位測量相關的參數也會隨著發生變化。 其一， 溫度影響凝結水密度。 其二， 采用彈簧支持浮子結構的浮筒液位計， 溫度影響浮子支持彈簧的剛度， 彈簧剛度與材料特性有關。

水的密度隨溫度變化較大。 如液位計在冷態（按20 ℃） 進行標定， 其飽和水密度為998 kg/m3，在熱態（300 ℃） 時， 其飽和水密度為712 kg/m3，兩者密度之比約為1.4， 熱態測量值會有較大誤差， 其偏差最大可以達到50%。

采用浮子和扭力管結構的浮筒液位計， 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系， 根據材料的線膨脹系數可計算出產生的誤差， 最大可達10 mm。 另外， 由于各元件之間有導熱， 溫度將影響變送器內的電路特性， 從而產生信號誤差。

3 浮筒液位計測量誤差的修正

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

因此， 浮子腔內液位高度為：

式中：H為液位高度；T為介質溫度；f1（）為彈簧剛度與溫度關系函數；f2（）為介質密度與溫度關系函數。

函數f1（T） 根據彈簧材料特性確定， 容易得到。 函數f2（T） 需要根據浮筒液位計結構計算得出， 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置基準。 某電廠1 只浮筒液位計的測量誤差及修正函數f1（T）部分數據見表1。

表1 液位修正關系

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

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

4 結語

浮筒液位計的測量精度與介質密度和溫度有關， 標定狀態介質密度和溫度與被測介質密度和溫度存在一定關系， 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。 也可根據現場數據對修正函數進行優化。 如將浮子、 彈簧、 懸臂桿等與介質接觸的部件的熱膨脹值與溫度變化之間的關系一并考慮， 可以進一步提高浮筒液位計的測量精度。