楊 洋，董康樂中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413

一種用于液態(tài)金屬液位測量的感應(yīng)式液位計(jì)

楊 洋，董康樂
中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413

本文介紹了一種用于液態(tài)金屬液位測量的感應(yīng)式液位計(jì)，介紹了傳感器及信號處理單元的原理和結(jié)構(gòu)，并對模擬液位計(jì)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

液態(tài)金屬液位計(jì)；測量；感應(yīng)式

在鈉冷快中子反應(yīng)堆容器、主泵及反應(yīng)堆回路中，為保證反應(yīng)堆安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要安裝液位計(jì)以實(shí)時監(jiān)測容器中鈉液位；在許多鈉鉀合金工廠以及其他液態(tài)金屬制備工廠中也安裝有許多金屬容器，這些容器中液位測量是一個必須了解的參數(shù)，以提供回路控制和安全監(jiān)督的依據(jù)。

現(xiàn)有的測量金屬液位的方法可以分成接觸式和非接觸式兩種。接觸式液位計(jì)的工作原理是基于液態(tài)金屬的導(dǎo)電性，其敏感元件插入液態(tài)金屬中，當(dāng)金屬液面與敏感元件接觸時，外電路接通。接觸式液位計(jì)的缺點(diǎn)是氧化物容易沉淀在液位計(jì)的敏感元件上，造成該導(dǎo)通時導(dǎo)通，容易誤報(bào)警。非接觸式敏感元件則安裝在液態(tài)金屬容器外面或密封套管里，這種液位計(jì)探頭應(yīng)用初級線圈和次級線圈的互感原理，由兩個纏繞在一個獨(dú)立的完全無磁鐵芯的同心線圈作為敏感元件。初級線圈輸入穩(wěn)定的交流電流，在次級線圈中感應(yīng)出來的電壓隨液態(tài)金屬淹沒的高度的增大而線性地下降，從而監(jiān)測容器中的液位值。該種形式的液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，不破壞設(shè)備的密封性，維修方便。

本文介紹了一種感應(yīng)式液位傳感器（探頭）的設(shè)計(jì)原理，以及與之配套的信號處理單元/二次儀表的原理，介紹了影響傳感器的幾種主要參數(shù)，給出了在實(shí)驗(yàn)室條件下的探頭的模擬測試結(jié)果。

1 感應(yīng)式液位計(jì)測量原理

圖1給出了感應(yīng)式液位計(jì)的原理圖，該液位計(jì)采用非接觸的感應(yīng)式敏感元件測量，主要由恒流激勵源、一次傳感器、信號處理單元/二次儀表構(gòu)成。一次傳感器的由骨架、初級線圈、次級線圈、補(bǔ)償線圈以及保護(hù)盲管等構(gòu)成。

根據(jù)電磁場理論，當(dāng)在初級繞組中通有恒定的交流電流時，在次級繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的大小會受到環(huán)繞繞組介質(zhì)的影響，此時初級繞組產(chǎn)生的交變磁通，一方面與次級繞組交鏈形成感應(yīng)電動勢，另一方面在液位計(jì)外套管及被測介質(zhì)鈉中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，引起總磁通減小，進(jìn)而減小了次級繞組的感應(yīng)電動勢。因此，被測介質(zhì)的液位與次級繞組感應(yīng)電動勢在一定條件下成反比關(guān)系。利用此原理，忽略一些影響因素，次級的輸出電動勢與被測介質(zhì)的液位成線性的反比關(guān)系。

1.1一次探頭

感應(yīng)式液位計(jì)一次傳感器形式采用縱向繞線結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。將初級線圈、次級線圈及補(bǔ)償線圈均環(huán)繞于傳感器軸向方向繞制，次級線圈縱向繞制的長度為測量段全程，補(bǔ)償線圈繞制與感應(yīng)線圈上端，不與感應(yīng)線圈重疊，初級線圈縱向繞制長度為感應(yīng)線圈與補(bǔ)償線圈長度之和，重疊于它們之間。

感應(yīng)式液位計(jì)一次傳感器的磁場的仿真模型如圖3所示。

假設(shè)以下條件是合理的，推導(dǎo)液位和輸出電壓之間的關(guān)系：

1）本傳感器電磁系統(tǒng)具有對稱軸線。

2）繞組長度與直徑的比值非常大，因此認(rèn)為繞組長度為無限長，而且繞組內(nèi)部磁場是均勻的。

3）次級繞組中無電流通過。

4）角頻率為ω的正弦形電磁場。

5）忽略液態(tài)金屬自由表面附近的磁場擾動。

在這些條件下，可以推導(dǎo)出感應(yīng)式鈉液位傳感器的輸出電壓U2的公式：

式中：ω——初級勵磁電流角頻率；

n1，n2——分別為初級繞組和次級繞組的匝數(shù)；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

μr——鐵芯的相對磁導(dǎo)率；

R——繞組半徑；

L——繞組長度；

I1——初級繞組勵磁電流；

Ie——液態(tài)金屬中的感應(yīng)渦流。

由于：Ie=KH （2）

式中：H—傳感器被液態(tài)金屬淹沒的高度；

K—常數(shù)。

因此，在初級電流I1穩(wěn)頻恒流情況下，就存在下列定性關(guān)系：

H=AU2+B （3）

式中：A、B—隨被測介質(zhì)溫度而變化的系數(shù)。

亦即，鈉液位傳感器的輸出電壓與液位之間存在線性關(guān)系。

1.2信號處理單元/二次儀表

感應(yīng)式液位計(jì)信號處理單元的原理框圖如圖4所示。

感應(yīng)式鈉液位計(jì)信號處理單元具有以下幾點(diǎn)功能：

1）信號處理單元對一次傳感器輸出電壓信號進(jìn)行采集和處理。

2）信號處理單元對熱電偶溫度信號進(jìn)行采集，并實(shí)時在線補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度變化而引起的傳感器分度特性的變化。

3）信號處理單元應(yīng)具有監(jiān)測并顯示激勵電流、頻率功能、修正參數(shù)輸入功能。

4）信號處理單元具有自檢、掉電保護(hù)、滿度設(shè)置、斷偶報(bào)警等功能，并具有4mA～20mA直流模擬信號輸出。

液位測定值是由互感式鈉液位傳感器的輸出電壓及被測介質(zhì)的溫度而確定的。因此需要實(shí)時在線補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度變化而引起的液位傳感器分度特性的變化。二次儀表接收次級測量線圈感應(yīng)的電動勢及熱電偶信號，并通過下列公式進(jìn)行液位計(jì)分度特性方程的擬合，顯示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4mA～20mA信號輸出。

式中：H——傳感器的插入深度，mm

U2——傳感器的輸出電壓，mV

T——被測介質(zhì)溫度，℃

a、b、c、d、e、f——根據(jù)液位計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定的補(bǔ)償系數(shù)。

2 感應(yīng)式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

感應(yīng)式液位計(jì)功能模塊主要由液位保護(hù)隔離模塊、液位感應(yīng)模塊、溫度補(bǔ)償模塊、液位變送模塊和相應(yīng)的連接電纜組成。

初級線圈采用1kHz，200mA的交流恒流源作為激勵源。通過熱電偶測量測量介質(zhì)溫度。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

當(dāng)初級輸入采用1kHz，200mA的交流恒流源，通過退火爐模擬不同的運(yùn)行溫度，采用金屬套管模擬液態(tài)金屬液位進(jìn)行測試，結(jié)果見圖6所示。

4 結(jié)論

1）電感式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，用其測量液態(tài)鈉、鈉等液態(tài)金屬液位，具有高的靈敏度、分辨率和較好的線性度。

2）用電感式液位計(jì)測量易氧化、具有腐蝕性的介質(zhì)時，不受介質(zhì)的影響，不破壞系統(tǒng)的密封性，可廣泛應(yīng)用核領(lǐng)域和化工領(lǐng)域。

［1］O.J.Foust，Sodium-NaK Engineering Handbook， Vol.3，Gordon and Breach Science Publishers INC.， New York， 1978， P.265，276.

［2］K.A.Davis，et al，Development and Testing ofInstrumentation Sensors for Sodium Coolant Systems， ERDA Report CONF-760503-P2，1976：746-754.

［3］杜如彬、柯象恒.液位檢測技術(shù)［M］. 北京:原子能出版社，987.

［4］陳道龍.快堆鈉儀表技術(shù)［J］.核動力工程，1985（5）：87-97.

［5］01LM智能型鈉液位計(jì)校準(zhǔn)方法，Q/ZYY·JL·KG·07，2007.07.27.

TH81

A

1674-6708（2016）170-0218-03

楊洋，中國原子能科學(xué)研究院。董康樂，中國原子能科學(xué)研究院。