[科普中国]-液位自动控制

简介

液位自动控制系统通过利用汽液两相自平衡原理，实现液位自动控制。摒弃了容易冲蚀的机械活动部件和电子元件，克服了一般疏水调节器难以解决的瘤疾，保证了疏水调节系统安全可靠运行。这种系统结构简单、可免维护、管理方便、使用寿命长。1

系统构成液位自动控制装置系统构成如图所示，其中调节阀和信号筒是构成系统的主要部件。为便于工业应用，在主疏水管路、调节管路及旁通管路上分别增设了节流阀、汽阀及旁通阀供辅助调整使用。

调节阀的结构如图所示，由壳体、喷嘴、扩压段组成。喷嘴和扩压段形成一个缩放形通道，疏水进入调节阀后，先在喷嘴内收缩加速，一定量的调节汽体由喉部的环形缝隙进人，与疏水相互作用后流出调节阀。信号筒用来感受加热器内的水位讯号并控制进入调节阀的蒸汽流量，其结构如图所示，由筒体和开有槽孔的信号管构成。信号筒的汽侧管和水侧管分别与加热器的汽侧和水侧连通。加热器内水位的变化，反映在信号管槽孔浸没深度的不同，相应地调节汽体的通流面积就不同，从而改变了调节汽体流量。1

调节过程液位调节过程可描述如下:假定由于某一因素使得疏水生成量突然增大，那么系统原有的平衡被破坏，加热器内水位上升，相应地信号筒内水位也上升，使得槽孔处汽体的通流面积减小，调节管路内汽相流量减小，液相流量增大，导致调节阀喉部汽相通流面积减小，疏水有效通流面积增大，从而疏水排出量不断增大，最后在新的水位高度上建立平衡;反之亦然。

控制系统的调节过程可分为减压、抽吸、控制3个不同环节。

减压环节疏水从加热器排出经疏水管路进人调节阀，在收缩段内加速，压力降低到喉部混合点压力的过程，称为减压环节。减压环节的计算任务是根据控制环节的疏水流量分配，确定出喉部混合点的压力。

在其它条件不变的情况下，减小节流阀开度，能降低混合点处的压力。

抽吸环节根据信号筒感受到的加热器内水位讯号，调节汽体和一部分疏水按一定比例混合，经调节管路到达调节阀喉部混合点的过程，称为抽吸环节。抽吸环节是根据减压环节获得的压力降，求出调节管路内的汽液两相流量。

控制环节两股流体在调节阀喉部相互作用后混合，压力迅速降低，而后在扩张段内充分回流，压力有所升高的过程，称为控制环节。控制环节是确定疏水流量在调节阀前疏水管路及调节管路内的分配比例，以满足系统管路内的压力平衡。由于两股流体的相互作用发生在调节阀喉部处很短的距离内，且汽液两相间存在着极其复杂的传热传质过程，液体内蒸时由于相间热阻的存在，汽液两相间达到热平衡需要一定的时间。汽化速率的大小与闪蒸时液体的过热度、传热系数、传热面积及流型都有关系，在计算时必须做一些简化处理。1

调节特性装置的调节性能可通过可调流量、水位变动范围及汽耗量来衡量，可调流量越大，水位变动范围与汽耗量越小，装置的性能越好。利用数学模型编制相应的程序，可得到不同工况下系统的调节特性曲线

工况实际变化时，不仅疏水的初压、背压改变，而且疏水的温度和流量也在改变，问题相对复杂一些。对每一负荷工况进行标定，系统都有一个最大可调流量和最小可调流量，疏水量在此间变化时，装置能自动调节。把所有工况中最大可调流量和最小可调流量间的可调流量区域称为变工况下装置的可调流量范围。调节性能为：

(1)随着负荷降低，疏水压差减小，总疏水流量减小，调节管路内的汽水比例不断变化，即水的流量减小，汽的流量增大。

(2)随着调节管路内汽体流量增大，在喉部对疏水的阻碍作用减弱，但由于总疏水压差降低，使得最终的变化趋势是逐渐减小的，但减小的速度缓慢。

(3)当调节管路内的水流量减小到零时，调节汽体流量达到最大，此时疏水流量为最小可调流量;负荷再继续降低，由于实际疏水流量下降较快，装置对疏水失去调节作用。1

光电液位自动控制系统随着市场经济的发展，中小企业进步很快。然而有些企业的设备依然陈旧，自动化水平低，急需更新或改造。一些小厂，液位控制还是人工操作，工人劳动量大，控制精度低，而且常常由于工人的疏忽，致使液位太低或溶液外溢，造成设备损坏甚至人员伤亡。为此制作了一种结构简单、运行可靠、价格低廉的光电液位控制系统。

设计思路对于象水这样既无腐蚀又能导电的液体可用三电极法实现液位控制。而对于油、酸、碱等液体，它们有的不能导电，有的具有强烈的腐蚀作用，这样，就不能用三电极法，只好采用非接触型的光电控制法。一般大容器侧壁上都设有一只玻璃管液位计，以供观测容器内的液位。我们可以利用这只液位计进行液位取样。

我们知道，玻璃管中没有液体时，其截面相当于一个凹透镜，对于平行

入射光线有散射作用，使管子背后受光很弱，产生一个暗影，见图。

而当玻璃管中充满透明液体时，则形成一个圆柱形凸透镜，对平行入射光线具有聚焦作用，使管子背后受光很强，产生一个亮影，见图。

这样，光线的“明”与“暗”，就反映了管中液体的“有”与“无”，我们就利用这一光学现象，在液位计上加装两个电传感器来探测两个高度上的液体有无，进而实现液位的自动控制。2

原理及控制过程①光电传感器的制作及安装

发光元件选用24V指示灯泡，光敏元件采用光电二极管，然后用胶木外套把上述两元件安装在液位计上。再根据液位的控制范围把两个光电传感器分别装在液位计上下限位点上，如图所示。

②控制过程

当容器中没有液体，V1、V2都没光照一处于高阻状态，A、B两点均为高电平，555的③脚输出低电平。三极管V4截止，中间继电器K线圈不得电，电磁阀Y工作，往容器内注液。

随容器内液位上升，V2处有液体，V2受光照，处于低阻状态，B处电位低于6V，而A点仍为高电平，555的⑧脚继续输出低电平，继续进行注液过程。只有当液面上升到V1点，V1、V2都处于低阻状态，A、B两点都为低电平时，555的③脚才由低电平翻转为高电平，V4导通，K吸合，Y关闭停止注液。随着容器中的液体被使用，液位不断下降，当液面低于V1点后，555并不动作，只有当液面下降到V2点以下，A、B两点又处于高电平，555的输出再次由高变低，V4截止，K释放，Y打开，重复上述过程。这样使液体总保持在V1和V2范围内。

自动控制电路结构简单，安装方便，易于调试，运行可靠，而且造价很低。特别是由220V电源供电，没有用降压变压器，而是采用电容器降压，使整个控制电路体积小，重量轻。通过实际应用，效果很好。另外，用继电器K的常闭点控制电磁阀Y，是为了给直流电源一个相对均衡的负载。2