核电厂疏水箱浮筒液位计测量误差与修正

徐仕海 张增明 李林 熊艳

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

0 前言

浮筒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、 密度和界位， 输出液位和限位报警信号。 专用于测量容器内液位， 广泛用于石油、 化工、 煤炭、 冶金、 生物和制药行业的自动检测，是过程工业不可缺少的技术工具之一[1]。 核电厂疏水箱采用浮筒液位计， 具有在闪蒸工况液位可测的优点。 但在被测介质温度（升高或降低）变化工况， 液位测量值会产生误差， 其偏差最大可以达到50%， 引起液位超差， 导致汽轮机跳机。 因此，需要找出影响测量误差的原因， 并减小测量误差。通过对浮子的受力分析， 测量介质温度变化是产生测量误差的主要原因， 本文推导出液位与温度的函数关系， 并通过电厂分散控制系统（DCS）对测量误差进行修正， 对于核电厂疏水箱液位计选型具有现实指导意义。

1 浮筒液位计的结构和原理

目前国产浮筒液位计主要应用在低压领域，其中纯国产的占有一部分， 另有一部分以中外合资的形式生产。 在高压和核电厂等重要领域还是依赖于纯进口浮筒液位计， 对核电厂应用的其中2种型号浮筒液位计进行结构和原理分析。

1.1 浮筒液位计的结构

Magnetrol E3 系列浮筒液位计由浮子、 浮子腔、 弹簧、 变送器等构件组成， 其结构见图1， 为采用弹簧支持浮子结构的浮筒液位计。

图1 Magnetrol E3 系列浮筒液位计

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； 浮子通过弹簧支持在浮子腔内并浸没在浮子腔内的液体中， 变送器内的磁芯通过撑杠与浮子连接。顶部布置的变送器内还有线性可变差动变换器LVDT （Linear Variable Differential Transformer）、电路板、 仪表盘等电器元件。

Masoneilan 12400 系统浮筒液位计由浮子、 浮子腔、 扭力管、 变送器等构件组成， 其结构见图2， 为采用浮子和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； 浮子垂直悬挂在扭力臂上并浸没在浮子腔内的液体中，扭力臂与扭力管机构刚性连接。 侧位布置的变送器内有霍尔效应传感器、 磁铁、 电路板、 仪表盘等电器元件。

图2 Masoneilan 12400 系列浮筒液位计

1.2 浮筒液位计的工作原理

浮筒液位计基于阿基米德定律和电磁感应原理设计， 浮子是根据介质密度和耐压、 耐温等特定条件而制作的。 在介质的密度、 温度、 压力发生变化时， 测量精度降低。

采用弹簧支持浮子结构的浮筒液位计， 当浮子处于干燥状态时， 浮子接触浮子腔下部。 当液位发生变化时， 浮子所受浮力相应改变， 平衡状态被打破， 从而引起弹力变化即弹簧的伸缩， 以达到新的平衡。 弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移。 这样， 通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。 液位变化引起浮力的变化作用到量程弹簧支持的浮子上， 从而使得位于顶部的线性可变差动变换器（LVDT）内的检测磁芯做垂直运动。 当检测磁芯的位置随着液位变化而变化时， LVDT 的次级线圈内产生了感应电压，产生的电压与液位成线性关系。 这些信号经电路处理并转为4～20 mA 的电流信号输出。

另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， 扭力管的弹力与浮子的自身重力相平衡， 浮子处于悬空状态。 当液位上升时引起浮力变大， 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， 将浮力的变化即液位变化转换成扭力管芯轴的角位移输出。 转角输出到表头里的摇架组件上， 带动固定在摇架上的磁钢组件发生位移变化， 改变了霍尔效应传感器检测到的磁场， 霍尔传感器作相应电压输出， 产生的电压与液位成比例关系。通过电子线路部分转换成4～20 mA 的电流信号输出[2]。

2 浮筒液位计测量误差

为了得到疏水箱内准确液位， 当采用浮筒液位计测量时， 浮子的位移需精确反映浮力的变化，并能消除凝结水密度变化的影响。

2.1 浮子的受力分析

采用弹簧支持浮子结构的浮筒液位计， 浸在液体中的浮子受到向下的重力， 向上的浮力和弹簧弹力的复合作用。 当这3 个力达到平衡时， 浮子就静止在某一位置， 浮子位移和受力见图3。

根据液位计结构可得：

式中：G为浮子重力；F1为浮力；F2为弹簧力。

浮子重力向下， 浮子的质量不变， 因此浮子重力G不变。

根据阿基米德定律和弹性定律可得：

式中：ρ为液体密度；L2为被淹没的浮子高度；A为浮子截面积；g为重力加速度；K为弹簧刚度；Δx为浮筒位移量；Lx为弹簧长度；L0为弹簧自由长度。

初始状态下， 浮子接触浮子腔下部， 浮子受到弹簧拉力和重力平衡。 当弹簧长度Lx大于自由长度L0时， 弹簧受拉； 当弹簧长度Lx小于自由L0时， 弹簧受压。 因此， 当Lx-L0＞0 时，F1＞0， 弹簧力向上， 受拉力； 当Lx-L0＜0 时，F1＜0， 弹簧力向下， 受压力。

根据式（1～3）可得：

图3 浮子位移和受力图

如图3 所示， 浮子腔的总高度不变为Lx+L+Δx， 热膨胀除外； 浮子的长度L不变为L1+L2， 热膨胀除外； 浮筒内的真实液位H为Δx+L2。

要求得液位值H， 需要得到弹簧变形量Δx和浮筒淹没高度L2。 弹簧变形量Δx由顶部位移传感器LVDT 测量得出。 被淹没的浮子高度L2根据式（4）求得， 关键是求出浮筒淹没高度L2。

采用浮子和扭力管结构的浮筒液位计， 浸在液体中的浮子受到向下的重力、 向上的浮力和悬臂杆拉力的复合作用。 当这3 个力达到平衡时，浮子就静止在某一位置。 悬臂杆拉力来至于扭力管的弹力。 初始状态下， 浮子处于悬空状态， 扭力管的弹力与浮子的自身重力相平衡。 扭力管外置布置， 温度变化小， 弹力基本不变。 浮子的受力只考虑向下的重力和向上的浮力。

2.2 介质温度对测量的影响

核电厂疏水箱内凝结水为饱和水， 疏水温度的变化， 与液位测量相关的参数也会随着发生变化。 其一， 温度影响凝结水密度。 其二， 采用弹簧支持浮子结构的浮筒液位计， 温度影响浮子支持弹簧的刚度， 弹簧刚度与材料特性有关。

水的密度随温度变化较大。 如液位计在冷态（按20 ℃） 进行标定， 其饱和水密度为998 kg/m3，在热态（300 ℃） 时， 其饱和水密度为712 kg/m3，两者密度之比约为1.4， 热态测量值会有较大误差， 其偏差最大可以达到50%。

采用浮子和扭力管结构的浮筒液位计， 其悬臂杆受温度的影响比弹簧小。 浮子、 弹簧、 悬臂杆等与介质接触的部件受到热膨胀的影响， 热膨胀量与温度变化成线性关系， 根据材料的线膨胀系数可计算出产生的误差， 最大可达10 mm。 另外， 由于各元件之间有导热， 温度将影响变送器内的电路特性， 从而产生信号误差。

3 浮筒液位计测量误差的修正

采用弹簧支持浮子结构的浮筒液位计， 温度对弹簧刚度的影响， 其函数关系为K=f1（T）。 温度对疏水密度的影响， 其函数关系为ρ=f2（T）。 部件热膨胀导致的误差和信号误差一般较小， 是可接受的。

因此， 浮子腔内液位高度为：

式中：H为液位高度；T为介质温度；f1（）为弹簧刚度与温度关系函数；f2（）为介质密度与温度关系函数。

函数f1（T） 根据弹簧材料特性确定， 容易得到。 函数f2（T） 需要根据浮筒液位计结构计算得出， 是影响测量精度的主要因素。 实际工程中，一般采用常用温度或中间温度作为设置基准。 某电厂1 只浮筒液位计的测量误差及修正函数f1（T）部分数据见表1。

表1 液位修正关系

函数K=f1（T）和ρ=f2（T）都是已知的特性， 将其分点做成插值函数， 通过DCS 进行修正， 可以消除测量介质温度变化带来的误差。

采用浮子和扭力管结构的浮筒液位计， 修正密度随温度变化函数ρ=f2（T）即可。 部件热膨胀导致的误差和信号误差一般较小， 在允许范围内。

4 结语

浮筒液位计的测量精度与介质密度和温度有关， 标定状态介质密度和温度与被测介质密度和温度存在一定关系， 即密度变小或温度升高所测量输出液位比实际高。 对介质密度和弹簧刚度采用温度进行补偿， 通过DCS 对测量误差进行修正，满足各工况测量精度要求。 也可根据现场数据对修正函数进行优化。 如将浮子、 弹簧、 悬臂杆等与介质接触的部件的热膨胀值与温度变化之间的关系一并考虑， 可以进一步提高浮筒液位计的测量精度。