一种用于液态金属液位测量的感应式液位计

杨 洋，董康乐中国原子能科学研究院，北京 102413

一种用于液态金属液位测量的感应式液位计

杨 洋，董康乐
中国原子能科学研究院，北京 102413

本文介绍了一种用于液态金属液位测量的感应式液位计，介绍了传感器及信号处理单元的原理和结构，并对模拟液位计进行了模拟试验。

液态金属液位计；测量；感应式

在钠冷快中子反应堆容器、主泵及反应堆回路中，为保证反应堆安全稳定的运行，需要安装液位计以实时监测容器中钠液位；在许多钠钾合金工厂以及其他液态金属制备工厂中也安装有许多金属容器，这些容器中液位测量是一个必须了解的参数，以提供回路控制和安全监督的依据。

现有的测量金属液位的方法可以分成接触式和非接触式两种。接触式液位计的工作原理是基于液态金属的导电性，其敏感元件插入液态金属中，当金属液面与敏感元件接触时，外电路接通。接触式液位计的缺点是氧化物容易沉淀在液位计的敏感元件上，造成该导通时导通，容易误报警。非接触式敏感元件则安装在液态金属容器外面或密封套管里，这种液位计探头应用初级线圈和次级线圈的互感原理，由两个缠绕在一个独立的完全无磁铁芯的同心线圈作为敏感元件。初级线圈输入稳定的交流电流，在次级线圈中感应出来的电压随液态金属淹没的高度的增大而线性地下降，从而监测容器中的液位值。该种形式的液位计结构简单，不破坏设备的密封性，维修方便。

本文介绍了一种感应式液位传感器（探头）的设计原理，以及与之配套的信号处理单元/二次仪表的原理，介绍了影响传感器的几种主要参数，给出了在实验室条件下的探头的模拟测试结果。

1 感应式液位计测量原理

图1给出了感应式液位计的原理图，该液位计采用非接触的感应式敏感元件测量，主要由恒流激励源、一次传感器、信号处理单元/二次仪表构成。一次传感器的由骨架、初级线圈、次级线圈、补偿线圈以及保护盲管等构成。

根据电磁场理论，当在初级绕组中通有恒定的交流电流时，在次级绕组中将产生感应电动势，感应电动势的大小会受到环绕绕组介质的影响，此时初级绕组产生的交变磁通，一方面与次级绕组交链形成感应电动势，另一方面在液位计外套管及被测介质钠中产生感应涡流，从而产生感应磁场，引起总磁通减小，进而减小了次级绕组的感应电动势。因此，被测介质的液位与次级绕组感应电动势在一定条件下成反比关系。利用此原理，忽略一些影响因素，次级的输出电动势与被测介质的液位成线性的反比关系。

1.1一次探头

感应式液位计一次传感器形式采用纵向绕线结构形式，如图2所示。将初级线圈、次级线圈及补偿线圈均环绕于传感器轴向方向绕制，次级线圈纵向绕制的长度为测量段全程，补偿线圈绕制与感应线圈上端，不与感应线圈重叠，初级线圈纵向绕制长度为感应线圈与补偿线圈长度之和，重叠于它们之间。

感应式液位计一次传感器的磁场的仿真模型如图3所示。

假设以下条件是合理的，推导液位和输出电压之间的关系：

1）本传感器电磁系统具有对称轴线。

2）绕组长度与直径的比值非常大，因此认为绕组长度为无限长，而且绕组内部磁场是均匀的。

3）次级绕组中无电流通过。

4）角频率为ω的正弦形电磁场。

5）忽略液态金属自由表面附近的磁场扰动。

在这些条件下，可以推导出感应式钠液位传感器的输出电压U2的公式：

式中：ω——初级励磁电流角频率；

n1，n2——分别为初级绕组和次级绕组的匝数；

μ0——真空磁导率；

μr——铁芯的相对磁导率；

R——绕组半径；

L——绕组长度；

I1——初级绕组励磁电流；

Ie——液态金属中的感应涡流。

由于：Ie=KH （2）

式中：H—传感器被液态金属淹没的高度；

K—常数。

因此，在初级电流I1稳频恒流情况下，就存在下列定性关系：

H=AU2+B （3）

式中：A、B—随被测介质温度而变化的系数。

亦即，钠液位传感器的输出电压与液位之间存在线性关系。

1.2信号处理单元/二次仪表

感应式液位计信号处理单元的原理框图如图4所示。

感应式钠液位计信号处理单元具有以下几点功能：

1）信号处理单元对一次传感器输出电压信号进行采集和处理。

2）信号处理单元对热电偶温度信号进行采集，并实时在线补偿由于介质温度变化而引起的传感器分度特性的变化。

3）信号处理单元应具有监测并显示激励电流、频率功能、修正参数输入功能。

4）信号处理单元具有自检、掉电保护、满度设置、断偶报警等功能，并具有4mA～20mA直流模拟信号输出。

液位测定值是由互感式钠液位传感器的输出电压及被测介质的温度而确定的。因此需要实时在线补偿由于介质温度变化而引起的液位传感器分度特性的变化。二次仪表接收次级测量线圈感应的电动势及热电偶信号，并通过下列公式进行液位计分度特性方程的拟合，显示并转换为标准的4mA～20mA信号输出。

式中：H——传感器的插入深度，mm

U2——传感器的输出电压，mV

T——被测介质温度，℃

a、b、c、d、e、f——根据液位计校准实验确定的补偿系数。

2 感应式液位计的结构形式

结构示意图如图5所示。

感应式液位计功能模块主要由液位保护隔离模块、液位感应模块、温度补偿模块、液位变送模块和相应的连接电缆组成。

初级线圈采用1kHz，200mA的交流恒流源作为激励源。通过热电偶测量测量介质温度。

3 模拟实验

当初级输入采用1kHz，200mA的交流恒流源，通过退火炉模拟不同的运行温度，采用金属套管模拟液态金属液位进行测试，结果见图6所示。

4 结论

1）电感式液位计结构简单，工作可靠，用其测量液态钠、钠等液态金属液位，具有高的灵敏度、分辨率和较好的线性度。

2）用电感式液位计测量易氧化、具有腐蚀性的介质时，不受介质的影响，不破坏系统的密封性，可广泛应用核领域和化工领域。

［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.液位检测技术［M］. 北京:原子能出版社，987.

［4］陈道龙.快堆钠仪表技术［J］.核动力工程，1985（5）：87-97.

［5］01LM智能型钠液位计校准方法，Q/ZYY·JL·KG·07，2007.07.27.

TH81

A

1674-6708（2016）170-0218-03

杨洋，中国原子能科学研究院。董康乐，中国原子能科学研究院。