液位控制应用

工业中使用多种液位控制系统和方法。系统可能基于浮球、探头甚至更先进的技术。本教程研究探头在提供可调和不可调开/关控制以及液体调节控制方面的应用。还讨论了简单的流量控制应用。

液体液位的控制，例如在工艺储罐中，是一项重要功能。一个例子是热水储罐，其中水被抽出（可能用于冲洗），液位需要恢复以备下一次冲洗周期。蒸汽锅炉的水位控制和报警不包括在本模块中，读者可参考第 3 模块（锅炉房），其中有深入讨论。工业中使用许多不同类型的液位控制系统，涵盖广泛的工艺过程。一些工艺涉及液体以外的介质，如干粉和化学原料。介质范围如此广泛，没有单一仪表适合所有应用。许多系统可用于服务这一广泛的应用范围。以下列表并非详尽无遗，但在大多数情况下，最终控制信号将用于操作与应用相适应的泵或阀门：浮球式 — 浮球随液位变化升降，在范围内的预定点操作开关。固体探头式 — 这些探头测量电导率或电容率，在下文中有更详细的讨论。钢绳电容式 — 柔性钢绳悬挂在液体中，测量电容率相对于水位变化的变化。超声波式 — 从传感器向被测介质表面发射高频声学脉冲，通过了解温度和声波在空气中的速度，利用脉冲反弹回传感器所需的时间来确定液位。微波雷达式 — 原理与超声波式类似，但使用高频电磁能代替声能。静压式 — 使用压力变送器测量传感器上方液体头的封闭静压与外部大气压之间的压差。压力变化被转换为与压头差成比例的 4-20 mA 输出信号。差压式 — 类似于静压式，但用于被测应用除静压外还承受动态压力的场合。它们能够测量相对于输出信号范围的微小压力变化。典型应用可能是测量锅炉汽包中的水位，或再沸器冷凝水收集室中的冷凝水液位。磁性式 — 浮球或锥体能够沿固定在被测储罐液体中的不锈钢探头升降。浮球可以与储罐外部的开关进行磁性交互，将信息发送回控制器。扭力式 — 移动的浮球主轴产生扭力变化，由扭力传感器测量。确保液位控制系统适合应用非常重要，应在选择前寻求制造商的专家建议。本模块的范围不讨论上述所有控制类型的优缺点和潜在应用，因为蒸汽和冷凝水回路及其相关应用中通常使用的液位控制系统类型是浮球式和固体探头式。浮球式的运行相当不言自明，但电导率和电容率探头可能需要一些解释。因此，本节将主要关注电导率和电容率探头式液位控制。

实现液位控制的方法

有三种主要方法来实现液位控制：

不可调开/关液位控制。
可调开/关液位控制。
调节式液位控制。不可调开/关液位控制（图 8.3.1）最终控制元件可以是开/关切换的泵或打开/关闭的阀门。通常会遇到两种主要类型的开/关液位控制系统：浮球式和使用电导率探头的类型。浮球式液位控制要么依靠控制阀的直接动作，要么依靠浮球在液面上移动来操作电气开关。电导率探头（见图 8.3.1）可能有多个探头尖端；控制点位于各独立尖端被切割成不同长度的位置。 可调开/关液位控制（图 8.3.2） 同样，最终控制元件可以是开/关切换的泵或打开/关闭的阀门。用于调整控制点的一种方法是使用电容率探头（见图 8.3.2）。探头将监测液位，控制点由控制器调整。电容率探头不需要切割长度来达到所需液位，当然，整个探头长度必须足以覆盖完整的控制范围。 调节式液位控制（图 8.3.2） 最终控制元件可以是调节到全开和全关之间某一点的阀门，作为所监测液位的函数。调节式液位控制无法使用电导率探头实现。电容率探头是此用途的理想选择（见图 8.3.2）。在此类系统中，泵可以连续运行，阀门将允许适当数量的液体通过。或者，最终控制元件可以是泵上的变速驱动器。驱动器的速度可以在选定范围内调整。报警 — 通常需要报警以警告以下情况：
高液位报警，储罐溢出和热液体溅出的危险，对人员构成威胁。
低液位报警，储罐水位过低的危险，可能损坏从储罐抽水的泵，或工艺液体耗尽。 在湍流条件下安装浮球和探头 在某些储罐和容器中，可能存在湍流条件，导致信号不稳定和不具代表性。如果此类条件可能（或已经）存在，建议将浮球或探头安装在保护管内。保护管对被感测的水位具有阻尼效果。本模块的其余部分关注探头而非浮球在液位控制应用中的使用。

不可调开/关液位控制

说明

不可调开/关液位控制使用连接到电子控制器的电导率探头。探头通常有三到四个尖端，在安装期间每个尖端被切割到特定长度以实现所需的切换或报警液位（见图 8.3.3）。

当探头尖端浸入液体中时，它利用水的相对高电导率通过储罐金属件和控制器完成电路。
当水位降至尖端以下时，电路电阻显著增加，向控制器指示尖端未浸入液体中。
对于简单的”注入式”开/关液位控制系统：
当储罐水位降至尖端末端以下时，阀门打开。
当水位上升接触到另一个尖端时，阀门关闭。
其他尖端可用于激活低液位或高液位报警。 优点： 一种简单但精确且相对经济的液位控制方法。 应用： 该系统可用于电导率为 1 μS/cm 或更高的液体，适用于冷凝水储罐、给水储罐和工艺反应釜或容器。如果电导率低于此水平，建议使用基于电容率的液位控制。 注意事项： 如果储罐由非导电材料制成，电路可通过另一个探头尖端实现。

可调开/关液位控制

说明可调开/关液位控制系统由控制器和电容率探头组成（见图 8.3.4），提供：

阀门开/关控制加一个报警点。
或者两个报警点 — 高液位和低液位。阀门操作的液位可通过控制器功能进行调整。 优点： 可调开/关液位控制允许在不停止工艺过程的情况下更改液位设定值。 缺点： 比不可调开/关控制更昂贵。 应用： 可用于大多数液体，包括低电导率液体。 注意事项： 可用于液体表面存在湍流的情况，内置电子设备可调整以防止泵（或阀门）的快速开/关循环。

调节式液位控制

说明调节式液位控制系统由电容率探头和相应的控制器组成，提供调节输出信号，通常为 4-20 mA。参见图 8.3.5。此输出信号可用于影响各种设备，包括：

调节控制阀。
操作变速泵驱动器。 优点：

由于探头和控制器仅提供其他设备响应的信号，而不是提供操作设备的动力，因此应用尺寸没有限制。
储罐内液位的稳定控制。 缺点：
比电导率探头系统更昂贵。
比电导率探头系统更复杂。
供应系统必须始终保持充液状态。
不太适合”备用”运行。
电力消耗可能更大。 注意事项： 为保护供应泵在向关闭的调节阀泵送时过热，提供了再循环或溢流回管线以确保通过泵的最小流量（两者均未在图 8.3.5 中显示）。

蒸汽流量控制应用

蒸汽流量的控制不如压力和温度控制常见，但在压力或温度控制不可行或不适合实现工艺目标的应用中使用。以下各节提供有关蒸汽流量测量和控制的更多信息。

流量控制系统

典型应用：

锅炉设备的前馈系统，其中锅炉的蒸汽流量将影响其他控制点，例如：给水补充率和燃烧器点火率。
复水工艺，其中已知数量的蒸汽（水）被注入产品中，产品是为运输或储存而干燥的。此方面的例子可在烟草、咖啡和动物饲料行业找到。
间歇工艺，根据经验已知特定数量的蒸汽将在产品上产生期望的结果。用于控制流量的组件的选择和应用需要仔细考虑。 流量计（管路传感器） 流量计是一种管路传感器，将流量转换为可测量的信号。最常用的管路传感器可能将流量与差压联系起来。该压力信号由另一个传感器（通常是标准 DP（差压）变送器）接收，将差压转换为电信号。一些管路传感器能够直接将流量转换为电信号，无需 DP 变送器。图 8.3.6 显示了一个可变面积流量计和标准 DP 变送器，将流量计上测得的差压转换为 4-20 mA 电信号。标准 DP 变送器校准为在一定上游压力下工作；如果此压力发生变化，输出信号将不能准确代表流量。解决此问题的一种方法是提供压力（或温度）信号（如果介质是饱和蒸汽），或压力和温度信号（如果流体是过热蒸汽），如下一节所述。另一种方法是使用质量流量 DP 变送器，它可以自动补偿压力变化。

可能需要计算机

如果管道中的流体是蒸汽，则可能需要其他温度和/或压力传感器来提供信号以补偿供应压力的变化，如图 8.3.7 所示。

多个输入意味着需要额外的流量计算机（或 PLC），其中包含一组电子蒸汽表，必须处理来自每个流量、压力和温度传感器的信号，以允许精确测量饱和或过热蒸汽。如果流量计算机不可用以补偿上游压力的变化，则可以提供恒定压力；也许通过使用上游控制阀来提供稳定和精确的压力控制（图 8.3.7 中未显示）。此压力控制阀的目的是提供稳定（而非降低）压力，但它本质上会在供汽管中引入压降。在任何蒸汽流量计量站之前放置汽水分离器以保护流量计免受湿蒸汽的影响，也将保护压力控制阀免受拉丝磨损。 使用质量流量 DP 变送器 通过使用质量流量 DP 变送器代替标准 DP 变送器，无需计算机即可提供精确测量，如图 8.3.8 所示。这是因为质量流量变送器自带一组蒸汽表，可以补偿饱和蒸汽供应压力的任何变化。然而，如果需要其他重要的流量计量信息，如最大或最小负荷的时间，或者需要对一定时间内的流量进行积分，仍然可以使用计算机。无论使用哪种系统，如果要控制流量，仍然需要控制器。

控制器 即使来自 DP 变送器或计算机的输出信号是控制阀执行器可以接受的类型，仍需要控制器（与任何其他类型的控制系统一样），原因如下：

某些流量计/计算机的输出信号具有较长的时间重复间隔（约 3 秒），这足以让记录仪成功运行，但可能对控制阀的响应不够。这意味着，如果接收变送器信号的控制器或 PLC 以更高速度运行，则工艺过程可能变得不稳定。
没有控制器，PID 功能不可用。
没有控制器，无法选择设定值。
信号需要校准到阀门行程 — 使用未经校准的过大或过小阀门，很容易引起问题。

总结

通常最好将流量计量装置安装在流量控制阀的上游。较高的压力将使其尺寸最小化，并使其更具成本效益。流量计也可能承受更恒定的蒸汽压力（和密度），受下游流量控制阀湍流的影响较小。在某些情况下，应用可能需要在恒定流量下控制。这意味着诸如高可调比等特性并不重要，孔板流量计是合适的选择。然而，如果流量要大幅变化，则”可调比”成为必须考虑的问题。流量计量的主题在第 4 模块中有更深入的讨论。