一種用于液態金屬液位測量的感應式液位計

楊 洋，董康樂中國原子能科學研究院，北京 102413

一種用于液態金屬液位測量的感應式液位計

楊 洋，董康樂
中國原子能科學研究院，北京 102413

本文介紹了一種用于液態金屬液位測量的感應式液位計，介紹了傳感器及信號處理單元的原理和結構，并對模擬液位計進行了模擬試驗。

液態金屬液位計；測量；感應式

在鈉冷快中子反應堆容器、主泵及反應堆回路中，為保證反應堆安全穩定的運行，需要安裝液位計以實時監測容器中鈉液位；在許多鈉鉀合金工廠以及其他液態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，以提供回路控制和安全監督的依據。

現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。接觸式液位計的工作原理是基于液態金屬的導電性，其敏感元件插入液態金屬中，當金屬液面與敏感元件接觸時，外電路接通。接觸式液位計的缺點是氧化物容易沉淀在液位計的敏感元件上，造成該導通時導通，容易誤報警。非接觸式敏感元件則安裝在液態金屬容器外面或密封套管里，這種液位計探頭應用初級線圈和次級線圈的互感原理，由兩個纏繞在一個獨立的完全無磁鐵芯的同心線圈作為敏感元件。初級線圈輸入穩定的交流電流，在次級線圈中感應出來的電壓隨液態金屬淹沒的高度的增大而線性地下降，從而監測容器中的液位值。該種形式的液位計結構簡單，不破壞設備的密封性，維修方便。

本文介紹了一種感應式液位傳感器（探頭）的設計原理，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，給出了在實驗室條件下的探頭的模擬測試結果。

1 感應式液位計測量原理

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

根據電磁場理論，當在初級繞組中通有恒定的交流電流時，在次級繞組中將產生感應電動勢，感應電動勢的大小會受到環繞繞組介質的影響，此時初級繞組產生的交變磁通，一方面與次級繞組交鏈形成感應電動勢，另一方面在液位計外套管及被測介質鈉中產生感應渦流，從而產生感應磁場，引起總磁通減小，進而減小了次級繞組的感應電動勢。因此，被測介質的液位與次級繞組感應電動勢在一定條件下成反比關系。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的液位成線性的反比關系。

1.1一次探頭

感應式液位計一次傳感器形式采用縱向繞線結構形式，如圖2所示。將初級線圈、次級線圈及補償線圈均環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，補償線圈繞制與感應線圈上端，不與感應線圈重疊，初級線圈縱向繞制長度為感應線圈與補償線圈長度之和，重疊于它們之間。

感應式液位計一次傳感器的磁場的仿真模型如圖3所示。

假設以下條件是合理的，推導液位和輸出電壓之間的關系：

1）本傳感器電磁系統具有對稱軸線。

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

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）忽略液態金屬自由表面附近的磁場擾動。

在這些條件下，可以推導出感應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；

μ0——真空磁導率；

μr——鐵芯的相對磁導率；

R——繞組半徑；

L——繞組長度；

I1——初級繞組勵磁電流；

Ie——液態金屬中的感應渦流。

由于：Ie=KH （2）

式中：H—傳感器被液態金屬淹沒的高度；

K—常數。

因此，在初級電流I1穩頻恒流情況下，就存在下列定性關系：

H=AU2+B （3）

式中：A、B—隨被測介質溫度而變化的系數。

亦即，鈉液位傳感器的輸出電壓與液位之間存在線性關系。

1.2信號處理單元/二次儀表

感應式液位計信號處理單元的原理框圖如圖4所示。

感應式鈉液位計信號處理單元具有以下幾點功能：

1）信號處理單元對一次傳感器輸出電壓信號進行采集和處理。

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

3）信號處理單元應具有監測并顯示激勵電流、頻率功能、修正參數輸入功能。

4）信號處理單元具有自檢、掉電保護、滿度設置、斷偶報警等功能，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的溫度而確定的。因此需要實時在線補償由于介質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的電動勢及熱電偶信號，并通過下列公式進行液位計分度特性方程的擬合，顯示并轉換為標準的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——被測介質溫度，℃

a、b、c、d、e、f——根據液位計校準實驗確定的補償系數。

2 感應式液位計的結構形式

結構示意圖如圖5所示。

感應式液位計功能模塊主要由液位保護隔離模塊、液位感應模塊、溫度補償模塊、液位變送模塊和相應的連接電纜組成。

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溫度。

3 模擬實驗

當初級輸入采用1kHz，200mA的交流恒流源，通過退火爐模擬不同的運行溫度，采用金屬套管模擬液態金屬液位進行測試，結果見圖6所示。

4 結論

1）電感式液位計結構簡單，工作可靠，用其測量液態鈉、鈉等液態金屬液位，具有高的靈敏度、分辨率和較好的線性度。

2）用電感式液位計測量易氧化、具有腐蝕性的介質時，不受介質的影響，不破壞系統的密封性，可廣泛應用核領域和化工領域。

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TH81

A

1674-6708（2016）170-0218-03

楊洋，中國原子能科學研究院。董康樂，中國原子能科學研究院。