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 液位測量是反應(yīng)堆必備的測量參數(shù)，由于鈉冷快堆采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，其鈉液位的測量具有其獨有的特點，在對鈉液位進行連續(xù)測量時互感式鈉液位計應(yīng)用最廣泛。根據(jù)對中國實驗快堆上使用鈉液位計調(diào)研，我國對于大量程連續(xù)測量液位計幾乎依靠進口。另外，國內(nèi)對鈉液位計的研究多數(shù)為小量程互感式液位計、互感式單點液位計及差動變壓器液位計，對適用于大量程連續(xù)測量的鈉液位計研究極少。

 為此，上海自動化儀表有限公司研制了一種能適用于大量程的連續(xù)監(jiān)測的液位傳感器即水平結(jié)構(gòu)式互傳感器，介紹了其工作原理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，加工3m量程樣機，進行模擬試驗，分析了基本特性。

 

1、工作原理：

 液位計傳感器的原理如圖1所示。當(dāng)液位計工作時，對初級線圈施加穩(wěn)定交流穩(wěn)流源，根據(jù)法拉第電磁定律，次級線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢將隨著鈉液位上升而下降。這是因為隨著鈉液位的上升，鈉中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，其磁場的方向與初級線圈磁場方向相反，從而使通過次級線圈的磁場減弱，致使次級線圈的感應(yīng)電壓隨鈉液位升高而下降。這樣就可以通過測量次級線圈電壓值得到對應(yīng)液位。

表1  常溫下部分試驗數(shù)據(jù)

 

 

 

 

圖1 互感式液位傳感器原理圖

 

 

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)

 

 

圖3 與頻率的曲線圖  

 

2、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計：

 傳感器由骨架、初級線圈、次級線圈、外套管、密封法蘭及其信號引出機構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 初級線圈采用雙芯鎧裝電纜水平纏繞在骨架中軸線上；次級線圈采用單芯鎧裝電纜纏繞在初級線圈兩側(cè)。鎧裝電纜外殼均采用耐高溫的奧氏體無磁不銹鋼，芯線材料為純鎳，絕緣材料為MgO粉。骨架采用的弱磁導(dǎo)性的304不銹鋼，為了固定線圈防止松動，保證機械穩(wěn)定性，骨架兩端開鑿，在骨架上加工導(dǎo)線槽，此外用壓片將線圈點焊在骨架。外套管為304不銹鋼，一是用來隔離被測介質(zhì)充當(dāng)密封邊界，二是用來保護線圈。在測量段布置熱電偶用來實時監(jiān)測環(huán)境溫度，并將溫度傳給處理單元進行溫度補償。該結(jié)構(gòu)傳感器相比于其他互感式傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝難度較低；相比同量程而言，該傳感器對鎧裝電纜使用量少、能節(jié)約成本。

 

3、試驗方案及數(shù)據(jù)分析：

 由于液位計用于順磁性的堿金屬鈉，因此模擬試驗選取易獲取的典型順磁性物質(zhì)鋁（質(zhì)量磁化率為0.6×4π×10-9m3/kg,電阻率為2.83×108Ω/m）來模擬鈉金屬以進行相關(guān)測試[4]。激勵源采用振蕩頻率和激勵電流均可調(diào)的正弦穩(wěn)流源，振蕩頻率可在0.3～7kHz內(nèi)連續(xù)設(shè)定。次級線圈輸出電壓可以直接用萬用表讀出，分辨率為0.1mV。

 鋁棒被機械加工成管狀，并確信此管壁厚度超過頻率為300Hz的電磁波在其中的穿透深度。電磁波在金屬中的穿

 

圖4 傳感器在穩(wěn)流條件下，輸出電壓與液位的擬合曲線

 

圖5 液位計傳感器在初級線圈穩(wěn)流條件下的分度特性

 

 透深度可由下式確定：=5033(/)1/2 (1)其中：為穿透深度，cm；為電阻率，Ω/cm；為頻率，Hz。在試驗之前，需要將加工好的傳感器進行退火（升溫到600℃,保溫半小時，然后自然降溫，共3次）來消除傳感器應(yīng)力。在常溫條件下，對初級線圈施加恒定交流源，得到在不同頻率下次級線圈感應(yīng)電壓隨液位變化的試驗數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

 該實驗數(shù)據(jù)在相同試驗環(huán)境條件下重復(fù)10次，取平均值得出。10次試驗結(jié)果輸出電壓測量值最大誤差小于0.1mV，說明該傳感器重復(fù)性非常好。

 無模擬體與零液位時，次級線圈輸出電壓值相同，端部效應(yīng)不明顯。次級輸出電壓信號較小，這是由于傳感器自身結(jié)構(gòu)限制，線圈纏繞匝數(shù)受限。

3.1、最佳激勵源頻率選擇：

 液位計傳感器制造加工裝配后，首先要確定的是電參數(shù)是初級線圈激勵電流頻率。頻率選擇的原則是要使得傳感器的靈敏度為最大值，即在零液位與滿液位情況下輸出電壓差值為最大值。圖2為初級線圈在不同激勵電流下與頻率的關(guān)系曲線的最大值均出現(xiàn)在1300Hz左右，大概為24mV，靈敏度為0.008mV/mm。另外，可以看出靈敏度與激勵源幅值成正比。

3.2、線性度分析：

 從圖3可以看出在700～2000Hz都是頻率可取范圍，對該頻率范圍進行線性分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在初級線圈電流頻率穩(wěn)定時，輸出電壓與液位呈線性關(guān)系。此外，頻率越低線性度越好，且在小于1000Hz時，線性誤差小于2%。

3.3、溫度效應(yīng)分析：

 此外，為了模擬實際情況，將傳感器及模擬件鋁管一起放在加熱爐升溫降溫，分析了其溫度效應(yīng)。圖5表示出了液位計傳感器在初級線圈穩(wěn)流情況下，在不同溫度環(huán)境下，次級輸出電壓與介質(zhì)液位關(guān)系。

 可以看出，在高溫環(huán)境下，該傳感器也具有很好的線性度。此外，在相同的介質(zhì)液位下，次級輸出電壓隨介質(zhì)溫度升高而增大。溫度效應(yīng)的原因：

(1)金屬介質(zhì)的電阻率隨溫度升高而增大，電阻率變大導(dǎo)致渦流損耗減少；

(2)溫度升高，熱膨脹使次級線圈有效面積增大，致使次級線圈磁通量增大；

(3)溫度升高，使不銹鋼外套管及骨架電阻率增大。這三個原因都有利于提高次級線圈的輸出電壓。因此當(dāng)被測介質(zhì)溫度變化范圍較大時，必須采取溫度補償，來消除溫度帶來的測量誤差。

 

4、結(jié)論：

 (1)互感式液位計傳感器結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件。其敏感裝置裝在外套管內(nèi)，不與被測介質(zhì)接觸，便于維修和更換。

 (2)工作可靠。用其測量液態(tài)金屬等液位，具很好的線性度，在工作頻率范圍內(nèi)線性誤差小于2%；但由于自身結(jié)構(gòu)限制，線圈匝數(shù)少，導(dǎo)致輸出信號及靈敏度較小，需要改善優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高輸出信號或者激勵幅值大的激勵源，必要時需要二次儀表對輸出信號進行放大。

 (3)試驗結(jié)果證明該互感式液位計能夠用于大量程的連續(xù)金屬液位探測。

 (4)當(dāng)被測介質(zhì)溫度變化范圍較大時，會給測量帶來較大誤差，必須進行溫度補償。

 (5)由于該試驗是在鋁中模擬，要想該傳感器應(yīng)用于鈉液位計測量，需要在鈉中進行重新標(biāo)定。