一種新型結構互感式鈉液位傳感器的研究

劉小申++楊建偉++董康樂++崔國生++段天英

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.094

摘 要：通過對中國實驗快堆使用的鈉液位計調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大量程連續(xù)測量液位計幾乎依靠進口。為此，研制了一種水平結構互感式液位傳感器。該文介紹了其工作原理和結構設計。通過加工3 m量程樣機，用鋁代替鈉進行模擬試驗，結果顯示該傳感器工作穩(wěn)定、線性度好。由于實際情況，液鈉溫度波動范圍廣，需考慮溫度效應，進行溫度補償。該傳感器的研究為大量程鈉液位計的研制和應用提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

關鍵詞：鈉液位傳感器 結構設計 模擬試驗 溫度效應

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0094-04

Study on a New Structure Mutual Sodium Inductance Level Gauge

Liu Xiaoshen Yang Jianwei Dong Kangle Cui Guosheng Duan Tianying

（China Institute of Atomic Energy，Beijing，102413，China）

Abstract：Through the research of sodium level gauge of China experimental fast reactor， found that large-scale of level gauge mainly rely on imports. Therefore， developing a horizontal structure of mutual inductance level gauge. This paper introduces its working principle and structure design. Processing 3m range prototype and performing a simulation test by using aluminum instead of sodium， the results show that the sensor is stable and has good linearity. As a result of the actual situation， liquid sodium temperature fluctuation range， need to consider the temperature effect， the temperature compensation. The research of the sensor provides data and theoretical support for the development and application of large-scale sodium level gauge.

Key Words：Sodium level sensor；Structural design；Simulation test；Temperature effect

液位測量是反應堆必備的測量參數(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用最廣泛[1]。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[2]、互感式單點液位計[3]及差動變壓器液位計[4]，對適用于大量程連續(xù)測量的鈉液位計研究極少。

為此，該文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構式互傳感器，介紹了其工作原理及其結構設計。另外，加工3 m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)生的感應電勢U將隨著鈉液位h上升而下降。這是因為隨著鈉液位的上升，鈉中產(chǎn)生感應渦流，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電壓U隨鈉液位h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液位。

2 傳感器結構設計

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等組成，其結構如圖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。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。

該結構傳感器相比于其他互感式傳感器，其結構簡單、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×10-9 m3/kg，電阻率為2.83×108 Ω/m）來模擬鈉金屬以進行相關測試[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0.3～7 kHz內(nèi)連續(xù)設定。次級線圈輸出電壓可以直接用萬用表讀出，分辨率為0.1 mV。

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

D=5 033（ρ/f）1/2 （1）

其中：D為穿透深度，cm；ρ為電阻率，Ω/cm；f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電壓隨液位變化的試驗數(shù)據(jù)，部分數(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10次，取平均值得出。10次試驗結果輸出電壓測量值最大誤差小于0.1 mV，說明該傳感器重復性非常好。

無模擬體與零液位時，次級線圈輸出電壓值相同，端部效應不明顯。

次級輸出電壓信號較小，這是由于傳感器自身結構限制，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f。頻率f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?U為最大值。圖2為初級線圈在不同激勵電流下，?U與頻率f的關系曲線，?U的最大值均出現(xiàn)在1 300 Hz左右，大概為24 mV，靈敏度為0.008 mV/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700～2 000 Hz都是頻率可取范圍，對該頻率范圍進行線性分析，結果如圖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系。此外，頻率越低線性度越好，且在小于1 000 Hz時，線性誤差小于2%。

3.3 溫度效應分析

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。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 結論

（1）互感式液位計傳感器結構簡單、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%；但由于自身結構限制，線圈匝數(shù)少，導致輸出信號及靈敏度較小，需要改善優(yōu)化結構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，要想該傳感器應用于鈉液位計測量，需要在鈉中進行重新標定。

參考文獻

[1] 李崇洋，桑維良.液態(tài)金屬鈉液位測量方法及比較[J].核工業(yè)自動化，1989（2）：34-36.

[2] 陳道龍，王軒，李新穎，等.智能型鈉液位計及其分度標定裝置[J].中國核科技報告，1998（S6）：593-609.

[3] 陳道龍，康瑞清，李新穎.電感式單點鈉液位計的研制[J].核科學與工程，2010，30（4）：321-324.

[4] 畢可明，韓冶，柴寶華，等.差動變壓器式單點液態(tài)金屬液位計的研制[J].原子能科學技術，2014，48（s1）：608-611.

[5] 李崇祥，周學智.應用電感式液位傳感器測量鈉液位的實驗研究[J].核工業(yè)自動化，1989（4）：19-23.