电感式单点钠液位计的研制

陈道龙,康瑞清,李新颖

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

1 概述

钠是高电导率的金属,钠液位测量方法都是基于电导率的技术。目前在钠试验装置上使用的单点钠液位计大多是电接点式钠液位计。电接点式钠液位计是一种直接接触式钠液位计,其运转原理十分简单,即当钠液位升高到与电极相接触时,外电路接通。电接点式钠液位计的缺点在于：(1)钠蒸汽可能凝结在绝缘上,造成误接通;(2)氧化物沉积在电接点上,使得该导通时不能接通。因此它只适用于温度较低的短期测量。

本文介绍的电感式单点钠液位计是由电感式单点钠液位传感器、交流稳压电源箱和光柱显示报警仪组成的。电感式单点钠液位传感器是一种非接触式钠液位探测手段,它的敏感元件装在一根端部密封的不锈钢套管内,不破坏钠设备的密封性,可以在设备运行情况下进行更换和维修。避免了电接点式钠液位计所固有的那些缺点,可以承受高达600℃高温的长期作用,可靠性高,具有良好的灵敏度和准确度,适合于单点高温钠液位精确测量。

2 传感器原理结构

图1表示出电感式单点钠液位传感器的原理结构图。

图1 电感式单点钠液位传感器原理结构图Fig.1 The p rincip le construction scheme o f induction type sing le point sodinm level transducer

以不锈钢为包壳材料、氧化镁为绝缘的双芯铠装电缆中的两根芯线分别作为绕组1A-2A、1B-2B和3A-4A、3B-4B盘绕在铁芯2上段和下段上。绕组在铁芯上的布置如图1a所示。铠装电缆穿在电缆导管1内引出。这样就构成了电感式钠液位传感器的敏感元件。敏感元件插在一端密封的不锈钢套管4中,而该套管则浸在液态金属钠中。由绕组 1A-2A、1B-2B、3A-4A和3B-4B组成如图1b所示的桥路。桥路由频率为6 kHz的交流稳压电源供电。从桥路对角线取出传感器的输出电压E。

当敏感元件全裸露、未被钠淹没时,通过调整平衡电位器R,使传感器输出电压E为最小值。当钠液位上升时,随着No.1绕组被钠淹没,钠中产生感应涡流,使得1A-2A、1B-2B绕组阻抗发生变化,造成桥路愈加不平衡。当钠液位到达敏感元件中心区域M时,桥路达到最大不平衡点,此时传感器输出电压为最大值Em。当钠液位继续上升时,随着No.2绕组被钠淹没,桥路又恢复到平衡状态,此时传感器输出电压E又恢复到最小值。这样,可以通过测量出现传感器输出电压峰值时的传感器位置标高,精确测定钠液位。图1c表示出传感器输出电压随钠淹没高度的变化情况。图1a所示的No.1与No.2绕组均采用双重绕组,并把双重绕组布置在如图1b所示的桥路对边上,目的在于提高灵敏度。这种桥路布置的灵敏度比单绕组桥路提高了1倍。

3 传感器励磁电流频率的确定

传感器制造、装配完成之后,首先要确定的电参数是绕组励磁电流频率f。频率f的选择原则是要使得传感器的灵敏度为最大值,即传感器输出电压峰值Em为最大值。根据在桥路供电电压恒定情况下,E与f的关系曲线,E的最大值出现在f=6 kHz处。因此,选定传感器绕组励磁电流频率为6 kH z。

4 测量系统组成

图2示出电感式单点钠液位计的测量系统框图。其中,正弦波振荡器1产生频率为6 kHz的稳定正弦波,经功率放大与稳压、调压单元2,提供频率恒定、有效值可调的交流稳定电压U1给传感器3的桥路。传感器桥路对角线上的输出电压E经交流-直流转换单元4和放大单元5后,提供0～5 V直流电压U2给光柱指示报警仪6。当光柱指示报警仪上出现光柱峰值及其相应的越限报警时,就可知道此时钠液位正处于传感器的敏感元件中心区域,并由此可以确定钠液位高度。

图2 测量系统框图Fig.2 The scheme o fmeasurement system

在图 2中 ,单元 1、2、4、5 合在一个机箱交流稳压电源箱7中。传感器通过两根双芯屏蔽电缆8、9与交流稳压电源箱后面板的4芯插座相连接。光柱指示报警仪通过双芯屏蔽电缆10与交流稳压电源箱后面板的双芯插座相连接。采取市售的SXG型光柱指示报警仪。在交流稳压电源箱的正面板上布置有“传感器输出电压测试”端子及其相配合的“传感器桥路调零”电位器,后者用于桥路平衡调节。正面板上还布置有“传感器输入电压测试”端子及其相配合的“电压调节”电位器,后者用于调节传感器的输入电压,亦即交流稳压电源的输出电压。正面板右下角布置有电源开关与指示灯。

5 模拟实验

由于本项工作研制的单点钠液位传感器要应用于钠试验回路试验段的钠液位测量,传感器总长为4 273 mm,无现成的钠设备可用来进行该传感器的实验。为此,研制了一个模拟实验装置,以便进行传感器实验。实验目的在于确定在模拟的液态钠工作条件下传感器的输出特性。

钠液位传感器模拟实验装置的核心是用一个可控温度的金属圆柱体来模拟液态金属钠。为了模拟工作条件的真实性,金属圆柱体的电阻率要和液态钠相近[1]。液态钠和铝青铜的电阻率与温度的关系曲线在100～600℃感兴趣的温度范围,二者电阻率的最大差别Δρmax=10.34μΩ◦cm出现在 600℃处,并且,两条曲线在260℃处交叉。使用铝青铜圆柱体的另一优点在于它很容易加热升温到600℃。因此,使用铝青铜来模拟液态钠进行电感式单点钠液位传感器的输出特性实验研究是可行的。

在该模拟实验装置中,借助于铠装热电偶、温控仪和铠装电热器组成的温度自动调节系统,使得金属圆柱体的温度自动保持在给定值上。当金属圆柱体温度恒定时,在传感器全插在金属圆柱体内情况下,调定交流稳压电源输出电压并调节桥路平衡,随后按刻度逐级快速抽出传感器,并快速记录直流转换电压U2。这样,就可以作出传感器的淹没高度H与它的直流转换电压U2的关系曲线。

6 钠液位测量操作与应用

每次进行钠液位测量时,首先要调定交流稳压电源输出电压并调节桥路平衡。

使用电感式单点钠液位计进行钠液位测量可以有2种方式：

(1)钠液位传感器位置固定,观察传感器的直流转换电压U2的变化情况,当U2为峰值时,即钠液位到达传感器的中心区域。

(2)钠液位传感器在其不锈钢套管内上下移动,观察传感器的直流转换电压U2的变化情况,当U2为峰值时,即钠液位处于传感器的中心区域。

实验证实目前传感器的直流转换电压U2峰值出现在H坐标13mm处,即中心区域下偏3 mm。U2峰值左右±2 mm区域为峰值区域。

2006年7月至今,电感式单点钠液位计已成功地应用于ESPRESSO钠试验回路的钠液位测量。2009年6月自主研制的电感式单点钠液位计2次应用在中国实验快堆二回路钠缓冲罐俄制钠液位计现场分度标定工作中作为参考标准取得圆满成功。

7 结论

(1)以铠装双芯电缆为绕组的电感式单点钠液位传感器可以在100～600℃钠温度范围长期可靠工作,它的安装、使用和维修十分方便。

(2)电感式单点钠液位计是由电感式单点钠液位传感器、交流稳压电源箱和光柱指示报警仪组成的,其结构与功能设计是合理的、实用的。

(3)电感式单点钠液位计的测量误差为±2mm,这对于钠冷实验快堆及其钠试验装置的单点钠液位测量来说是令人满意的。

[1] Foust O J.Sodium-NaK Engineering H andbook[M].Gordon and Breach Science Publishers INC.,New York,1978,1：92.