蒸汽锅炉水位检测方法

液位控制和报警器的应用，以及不同液位检测方法的概述，包括浮球式控制装置、电导率探头和电容式装置。

蒸汽锅炉水位检测方法

在产生蒸汽的锅炉上，液位监测装置有三个明确的应用：

液位控制 - 确保在正确的时间向锅炉添加适量的水。
低水位报警 - 为安全运行锅炉，低水位报警确保如果锅炉水位已降至或低于预定水平，燃料燃烧不会继续。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器以确保安全。在英国，较低的报警器将”锁定”燃烧器，需要手动复位才能使锅炉重新投入运行。
高水位报警 - 如果水位上升过高，报警器动作，通知锅炉操作员关闭给水供应。虽然通常不是强制性的，但使用高水位报警器是明智的，因为它们减少了蒸汽分配系统中水夹带和水锤的机会。 自动液位检测方法 本模块中的以下章节讨论适合蒸汽锅炉的主要液位检测装置类型。基础电学理论电流流动的方式可以与液体相比较。液体通过管道流动的方式类似于电流通过导体流动（见图3.16.2）。导体是一种材料，如金属线，允许电流自由流动。（导体的反面是绝缘体，它抵抗电流流动，如玻璃或塑料）。电流是电”荷”的流动，由称为电子或离子的微小粒子携带。电荷以库仑为单位测量。6.24 x 10^18个电子在一起具有1库仑的电荷，就SI基本单位而言等于1安培秒。当电子或离子被驱动运动时，电流以库仑每秒（而非电子或离子每秒）为单位测量。然而，“安培”（或A）这个术语被赋予了电流测量的单位。
1 A = 每秒6.24 x 10^18个电子的流动。
1 A = 每秒1库仑。导致电流流动的力称为电动势或EMF。电池、自行车发电机或电站发电机（以及其他例子）可以提供它。电池有一个正极端子和一个负极端子。如果在端子之间连接一根导线，将有电流流动。电池充当类似于水系统中泵的压力源。EMF源端子之间的电位差以伏特为单位测量，电压（压力）越高，电流（流量）越大。电流流过的电路呈现电阻（类似于水系统中管道和阀门呈现的电阻）。电阻的单位是欧姆（符号为Ω），欧姆定律将电流、电压和电阻相关联，见公式3.16.1：其中： I = 电流（安培） V = 电压（伏特） R = 电阻（欧姆）另一个重要的电学概念是”电容”。它测量两个导体之间的电荷容量（大致类似于容器的体积），以将电位升高一伏特所需的电荷来衡量。如果一对导体需要大量的电荷才能将其之间的电压升高一伏特，则其电容较大，就像一个大容器需要大量气体才能将其填充到一定压力一样。电容的单位是一库仑每伏特，称为一法拉。 电导率探头 考虑一个装有水的开放水箱。一根探头（金属棒）悬挂在水箱中（见图3.16.3）。如果施加电压，电路中包含安培计，后者将显示：
当探头浸入水中时，电流将流过电路。
如果探头从水中提起，电流将不会流过电路。这是电导率探头的基础。电导率原理用于提供点测量。当水位接触到探头尖端时，它通过关联的控制器触发一个动作。这个动作可以是：
启动或停止泵。
打开或关闭阀门。
发出警报。
打开或关闭继电器。但单个尖端只能提供单一或点动作。因此，电导率探头需要两个尖端才能在预定液位开/关泵（图3.16.4）。当水位下降并暴露A点的尖端时，泵将开始运行。水位上升直到接触到B点的第二个尖端，泵将被关闭。探头可以安装到封闭容器中，例如锅炉。图3.16.5显示了一个封闭顶部的金属水箱——注意；在探头穿过水箱顶部的地方需要绝缘体。同样：
当探头浸入时，电流将流动。
当探头在水外时，电流停止流动。 **注意：**使用交流电以避免探头处的极化和电解（将水分解为氢和氧）。标准电导率探头必须用于提供锅炉中的低水位报警。根据英国法规，这必须每天测试。 对于简单探头存在潜在问题 - 如果污垢在绝缘体上积累，将在探头和金属水箱之间建立导电路径，即使探头尖端在水外，电流也会继续流动。这可以通过设计和制造电导率探头使绝缘体较长，并且大部分长度用光滑的绝缘材料（如PTFE/特氟龙）包覆来克服。这将最大限度地减少绝缘体周围污垢积累的风险，见图3.16.6。 问题已通过以下方式解决：
在蒸汽空间使用绝缘体。
使用长而光滑的PTFE护套作为绝缘体，几乎沿金属探头的整个长度。
控制器上的可调灵敏度。有专门用于低水位报警的电导率探头，称为”自监测”探头。其中融入了几个自检功能，包括：
比较器尖端，持续测量和比较通过绝缘体和探头尖端到地的电阻。
检查探头和绝缘体之间的电流泄漏。
其他自检程序。根据英国法规，使用这些特殊系统允许每周测试而不是每天测试。这是由于其设计中固有的更高安全级别。电导率探头的尖端必须切割到正确的长度，以便准确代表所需的开关点。 电导率探头总结 电导率探头：
通常垂直安装。
用于开/关液位控制适用的场合。
通常以三到四个为一组安装在单个壳体中，但也有其他配置。
在安装时切割到长度。由于探头使用电导率工作，使用非常纯净的水（电导率低于5 μ西门子/cm）的应用不适合。

电容式探头

简单的电容器可以通过在两个平行的导电板之间插入介电材料（一种几乎没有电导率的物质，例如空气或PTFE）来制作（图3.16.8）。基本的电容器可以通过将两个平行的导电板浸入介电液体中来构建（图3.16.9）。如果在板逐渐浸入时测量电容，可以看到电容随板浸入介电液体的深度成比例变化。随着更多的板面积浸入液体中，电容增加（图3.16.10）。简单的电容器可以通过在两个平行的导电板之间插入介电材料（一种几乎没有电导率的物质，例如空气）来制作（图3.16.8）。对于浸入导电液体（如锅炉水）中的板，情况有些不同，因为液体不再充当介电体，而是板的延伸。因此，电容液位探头由一个导电的圆柱形探头组成，充当第一个电容器板。该探头覆盖有适当的介电材料，通常是PTFE。第二个电容器板由腔体壁（对于锅炉来说是锅炉壳体）与腔体中包含的水共同形成。因此，通过改变水位，第二个电容器板的面积发生变化，从而影响系统的整体电容（见公式3.16.2）。因此，系统的总电容有两个分量（如图3.16.12所示）：

CA，液面以上的电容 - 电容在腔体壁和探头之间发展。介电体由探头和腔体壁之间的空气以及PTFE覆盖层组成。
CB，液面以下的电容 - 电容在与探头接触的水表面之间发展，唯一的介电体是PTFE覆盖层。由于水面以上两个电容板（腔体壁和探头）之间的距离较大，电容CA较小（见公式3.16.2）。相反，水面以下的板（探头和水本身）之间的距离较小，因此电容CB将比CA大得多。净结果是任何水位的上升都会导致电容增加，可以通过适当的装置测量。然而，电容的变化很小（通常以皮法为单位测量，例如10^-12法拉），因此探头与放大器电路配合使用。放大的电容变化信号然后发送到适当的控制器。当电容探头用于例如给水箱（图3.16.13）时，可以使用电容探头连续监测液位。关联的控制器可以设置为调节控制阀，和/或提供点功能，如高液位报警点或低液位报警。控制器还可以设置为提供开/关控制。这里，“开”和”关”切换点包含在单个探头中，并通过控制器设置，消除了切割探头的需要。由于电容探头必须完全包覆在绝缘材料中，不得切割到长度。

浮球控制装置

这是一种简单的液位测量形式。使用浮球进行液位控制的日常例子是厕所水箱。当厕所冲水时，水箱中的水位下降，浮球随水位下降并打开进水阀。最终水箱关闭，随着淡水流入，水位上升，浮球上升并逐渐关闭进水阀直到达到所需液位。蒸汽锅炉中使用的系统非常相似。浮球安装在锅炉中。这可以在外部腔体中，或直接在锅炉壳体内。浮球将随锅炉中水位的变化上下移动。下一步是监测此运动，并利用它来控制：

给水泵（开/关液位控制系统）或
给水控制阀（比例调节液位控制系统）由于浮力，浮球随水位上下移动。
在浮球杆的另一端是一个磁铁，在不锈钢罩内移动。由于罩是不锈钢的，它是（几乎）非磁性的，允许磁力线通过。在其最简单的形式中，磁力如下操作磁性开关：
底部开关将启动给水泵。
顶部开关将关闭给水泵。然而，在实践中，单个开关通常提供开/关泵控制，第二个开关用于报警。相同的布置可用于提供液位报警。更复杂的提供比例调节控制的系统将在罩内使用缠绕在轭架上的线圈。当磁铁上下移动时，线圈的电感将改变，这用于向控制器提供模拟信号，然后到给水液位控制阀。 浮球控制装置应用 垂直或水平安装，液位信号输出通常通过磁性操作开关（汞型或”空气断路”型）；或作为来自感应线圈的模拟信号（由于连接到浮球的磁铁运动）。在这两种情况下，磁铁通过非磁性不锈钢管发挥作用。

差压变送器

差压变送器安装时一侧有恒定的水头。另一侧布置为随锅炉水位变化的水头。使用可变电容、应变计或感应技术来测量膜片的偏转，并从此测量中产生电子液位信号。差压变送器在以下应用中很常见：

使用高质量除盐水的高压水管式锅炉。
使用非常纯净水的场合，例如制药工艺。在这些应用中，水的电导率非常低，这意味着电导率和电容探头可能无法可靠运行。