面向超導(dǎo)釘扎磁浮的液氮液位檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀*

鄭珺,溫鵬,胥譯歡

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都,610031

1 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展,在交通運(yùn)輸方面,能源成本與時(shí)間成本成為人們最為關(guān)注的問(wèn)題,人們殷切期待著更加高速、綠色且經(jīng)濟(jì)的交通運(yùn)輸系統(tǒng).相較于傳統(tǒng)輪軌交通系統(tǒng),磁懸浮技術(shù)突破了傳統(tǒng)輪軌黏著、摩擦極限等因素的制約,具有低能耗、無(wú)磨損、污染小和安全可靠的優(yōu)勢(shì),成為各國(guó)先進(jìn)軌道交通發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1].其中,超導(dǎo)電動(dòng)磁浮和超導(dǎo)釘扎磁浮技術(shù)分別采用不同形式的超導(dǎo)磁體作為車載懸浮單元,是超導(dǎo)磁浮交通的主要備選形式[2].

如圖1(a)所示,超導(dǎo)電動(dòng)懸浮(Electrodynamic Suspension,EDS)基于動(dòng)生原理,利用車載超導(dǎo)線圈磁體與兩側(cè)直立式軌道8字型零磁通線圈之間的磁斥力克服重量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮[3].日本低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁浮的車載低溫超導(dǎo)磁體,采用Nb Ti合金低溫超導(dǎo)線材,需要使用4.2 K液氦(-269℃)浴冷以獲得較好的超導(dǎo)性能.倘若低溫容器內(nèi)部液氦余量不足,導(dǎo)致超導(dǎo)磁體溫度上升,進(jìn)而造成超導(dǎo)磁體線圈恢復(fù)常導(dǎo)態(tài),電阻升高,大載流的超導(dǎo)線圈會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱導(dǎo)致線圈斷裂而懸浮失效,發(fā)生危險(xiǎn)事故[4].4.2 K液氦的深冷環(huán)境需求下,超導(dǎo)電動(dòng)磁浮的車載NbTi磁體低溫制冷系統(tǒng)組成復(fù)雜,如圖1(b).

圖1 EDS車結(jié)構(gòu)示意圖(a)與車載低溫容器示意圖(b)Fig.1 Schematic diagram of the EDS vehicleand its cryostat

超導(dǎo)釘扎磁浮(Superconducting flux-pinning magnetic levitation,SML)基于感生原理,利用車載高溫超導(dǎo)塊材的強(qiáng)磁通釘扎特性與地面永磁軌道外場(chǎng)間的電磁相互作用在宏觀上產(chǎn)生懸浮力、導(dǎo)向力而實(shí)現(xiàn)列車的垂向懸浮、橫向?qū)騕5,6].如圖2所示,高溫超導(dǎo)釘扎磁浮車載磁體采用的是高溫超導(dǎo)塊材(通常為YBaCuO塊材,臨界溫度92 K),僅需要利用制冷系統(tǒng)將超導(dǎo)塊材冷卻到臨界溫度92 K以下.按照是否包含制冷機(jī)、液氮和循環(huán)泵將制冷系統(tǒng)分為液氮浸泡式、傳導(dǎo)冷卻式、自然對(duì)流循環(huán)式和迫流循環(huán)式.由于92 K高于價(jià)廉的液氮(77 K)溫度,目前各國(guó)的高溫超導(dǎo)釘扎磁浮各式試驗(yàn)樣車[2,5,6]的車載制冷系統(tǒng)均采取液氮浸泡的方式.使用77 K液氮(-196℃)浴冷時(shí)超導(dǎo)塊材就可獲得較好的超導(dǎo)懸浮性能,滿足工程化應(yīng)用要求.目前車載液氮杜瓦(圖2(b))一次性灌滿液氮后,靜態(tài)情況下可連續(xù)使用長(zhǎng)達(dá)26個(gè)小時(shí).倘若低溫容器內(nèi)液氮余量不足,也必然導(dǎo)致YBaCu O塊材溫度上升超出臨界溫度92 K,車體懸浮失效,進(jìn)而引發(fā)車體砸軌或脫軌等安全事故[7].同時(shí),一些飛輪存儲(chǔ)[8-10]、磁懸浮軸承[11]等系統(tǒng)中的超導(dǎo)體單元同樣采用液氮浴冷的方式,其穩(wěn)定的低溫環(huán)境也是其安全運(yùn)行的前提.

圖2 SML車結(jié)構(gòu)示意圖與車載低溫容器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the SML vehicle and its cryostat

可見(jiàn),和其他超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用[12-14]一致,可靠、穩(wěn)定的低溫環(huán)境也是液氮浴冷式超導(dǎo)釘扎磁浮應(yīng)用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全懸浮導(dǎo)向運(yùn)行的首要前提.由圖2(b)所示,高溫超導(dǎo)釘扎磁浮車載低溫容器具有真空夾層,用于盛裝液氮的低溫容器內(nèi)部尺寸十分有限,使得車載容器內(nèi)部的液體液位檢測(cè)變得更加困難,目前并未有過(guò)多的文獻(xiàn)報(bào)道.

2021年1月13日,如圖3所示,首個(gè)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)正式啟用,標(biāo)志著我國(guó)高溫超導(dǎo)釘扎懸浮工程化研究從無(wú)到有,具備了工程化試驗(yàn)線條件.隨著高速運(yùn)行試驗(yàn)需求的不斷攀升,針對(duì)高溫超導(dǎo)釘扎磁浮車載超導(dǎo)懸浮體的液氮液位檢測(cè)方法探索和研發(fā)顯得十分的迫切.2019年起,本課題組利用鉑電阻(PT100)傳感器研究了液氮在低溫恒溫器中的靜態(tài)蒸發(fā)特性[15,16],如圖4所示.然后,根據(jù)溫度與液氮質(zhì)量的關(guān)系,建立了系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程,并采用卡爾曼濾波(Kalman filtering,KF)算法對(duì)隨機(jī)干擾下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[16],實(shí)現(xiàn)了了低溫杜瓦內(nèi)液氮液位的實(shí)時(shí)檢測(cè).此外,還設(shè)計(jì)了一種智能型液氮自動(dòng)充裝控制器,并在超導(dǎo)釘扎磁浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線[5,16]和工程化樣車上實(shí)施測(cè)試.在這些研究的基礎(chǔ)上,本文將從高溫超導(dǎo)釘扎磁浮列車環(huán)境、車載低溫容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有的低溫液體液位檢測(cè)方法進(jìn)行分析,提出6種可行性較高的液位檢測(cè)方法,并討論各自檢測(cè)方法適用性及特點(diǎn).最后基于我國(guó)高溫超導(dǎo)釘扎磁浮列車的研發(fā)需求,結(jié)合本課題組基于Kalman濾波算法的鉑電阻傳感器液氮液位計(jì)的研究工作[15,16],總結(jié)給出3種在高溫超導(dǎo)釘扎磁浮領(lǐng)域內(nèi)適應(yīng)性較強(qiáng)、值得進(jìn)一步發(fā)展的低溫容器液氮液位檢測(cè)技術(shù).

圖3 超導(dǎo)高速釘扎磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線Fig.3 Superconducting high-speed flux-pinning maglev engineering prototype vehicle and testing line

圖4 液氮液位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及原理圖Fig.4 Liquid nitrogen level detection experiment scence and schematic diagram

2 液體液位檢測(cè)方法

2.1 液體液位檢測(cè)發(fā)展概況

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,液位檢測(cè)需求幾乎遍及所有生產(chǎn)領(lǐng)域,例如航空航天、醫(yī)療、汽車、油站、超導(dǎo)設(shè)備等諸多領(lǐng)域.根據(jù)液位檢測(cè)原理,可以將液位檢測(cè)方法分為接觸式液位計(jì)和非接觸式液位計(jì).接觸式液位計(jì)主要是以機(jī)械、振動(dòng)、電學(xué)、力(浮力、壓力)等原理為基礎(chǔ),通過(guò)儀器感受原件與被測(cè)液體直接或間接接觸的方式,獲得液位參數(shù)信息,主要包括電容式液位計(jì)[17]、超導(dǎo)體液位計(jì)[18]、伺服型浮子液位計(jì)[19]、電阻式液位計(jì)[20]、二極管傳感器液位計(jì)[21]、鉑電阻傳感器液位計(jì)[22]、磁致伸縮液位計(jì)[23]和壓差式液位計(jì)[24]等.非接觸式液位計(jì)主要是以超聲波、電磁波、光法等原理為基礎(chǔ),主要包括超聲波液位計(jì)[25]、電磁波液位計(jì)[26,27]和新型液體閃爍液位計(jì)[28,29].總體來(lái)說(shuō),針對(duì)存儲(chǔ)于不同尺寸容器內(nèi)部的常溫液體,如水、汽油等,上述液位檢測(cè)方法均可實(shí)現(xiàn)高精度的液位檢測(cè).

然而,對(duì)于低溫領(lǐng)域使用廣泛的低溫液體,如液氦、液氧、液氮,常壓下的沸點(diǎn)分別為4.2 K、90 K和77 K,則會(huì)帶來(lái)設(shè)備凍結(jié)、氣液界面不明顯等狀況,對(duì)常規(guī)的液位檢測(cè)帶來(lái)干擾和挑戰(zhàn).因此,目前常用于低溫液體液位檢測(cè)的方法主要有超導(dǎo)體液位計(jì)[18]、改良型電容式液位計(jì)[30]、光纖傳感器液位計(jì)[31]、二極管傳感器液位計(jì)[21]、鉑電阻溫度傳感器液位計(jì)[22]、電阻式液位計(jì)[20]、壓差式液位計(jì)[32]、超聲波液位計(jì)[33]、電磁波液位計(jì)[27]和磁致伸縮液位計(jì)[34].

2.2 針對(duì)高溫超導(dǎo)釘扎磁浮應(yīng)用需求分析和初選

目前高溫超導(dǎo)釘扎磁浮車面向高速方向發(fā)展,其動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程將不可避免地出現(xiàn)動(dòng)態(tài)加速、減速、振動(dòng)及停車等復(fù)雜工況,其車載低溫容器內(nèi)液氮也會(huì)隨之發(fā)生液面晃動(dòng)、沸騰及飛濺現(xiàn)象,導(dǎo)致大多數(shù)液位檢測(cè)方法直接受到影響,產(chǎn)生虛假液位[35].對(duì)于電阻式液位計(jì)、二極管傳感器液位計(jì)、鉑電阻溫度傳感器液位計(jì)而言,液面晃動(dòng)和沸騰均容易產(chǎn)生一個(gè)較高的虛假液位,導(dǎo)致未浸入液體部分的傳感器接觸到晃動(dòng)或飛濺的液氮,因此檢測(cè)到的液位偏離真實(shí)值,動(dòng)態(tài)工況下的液位檢測(cè)精度不理想.對(duì)于二極管傳感器液位計(jì)與鉑電阻溫度傳感器液位計(jì),傳感器受到的液氮飛濺是隨機(jī)發(fā)生的,通過(guò)合理的濾波優(yōu)化可以消除這種影響[15,16].

如圖2所示,高溫超導(dǎo)釘扎磁懸浮列車的車載低溫容器是處于磁軌的磁場(chǎng)環(huán)境中的,在高速運(yùn)動(dòng)狀況下,磁軌不平順及其他電磁干擾下導(dǎo)致低溫容器周圍的電磁環(huán)境變化加劇.因此,應(yīng)用于這類中高頻電磁環(huán)境下的液位檢測(cè)設(shè)備必須具有抗電磁干擾的能力.改良型電容式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、光纖傳感器液位計(jì)、鉑電阻傳感器液位計(jì)和二極管傳感器液位計(jì)都具有良好的抗電磁干擾能力.而超導(dǎo)體液位計(jì)、電磁波液位計(jì)受磁場(chǎng)的干擾較為明顯.

低溫容器按照其容積可分為小型(容積5～50 m3)、中型(容積50～100 m3)、大型(容積100～1000 m3)及大型儲(chǔ)槽(1000～40000 m3),其容量越小,液位檢測(cè)難度越高.如圖2(b)所示,高溫超導(dǎo)釘扎磁懸浮車載低溫容器整體尺寸一般為450×200×150 mm3,內(nèi)部容積約為2.5～5 L,液氮液位檢測(cè)總高度約為60～100 mm,屬于特殊的小型容器.傳統(tǒng)的浮子式液位計(jì)尺寸通常較大,應(yīng)用于這種特殊的小型容器時(shí)的難度會(huì)更大,例如,結(jié)合浮子式原理的光纖液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)和傳統(tǒng)壓差式液位計(jì)等.

綜上所述,針對(duì)高溫超導(dǎo)磁浮的高速應(yīng)用特征,基于現(xiàn)有的技術(shù)水平,電磁波液位計(jì)、電阻式液位計(jì)(銅導(dǎo)線液位計(jì))、壓差式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)的可行性較低,不太適合應(yīng)用于高速動(dòng)態(tài)液面、電磁干擾環(huán)境、尺寸極小的特殊工況.相比來(lái)說(shuō),超導(dǎo)體液位計(jì)、改良型電容式液位計(jì)、光纖液位計(jì)、二極管傳感器液位計(jì)、鉑電阻溫度傳感器液位計(jì)、超聲波液位計(jì)的應(yīng)用可行性較大.故,本文將重點(diǎn)討論這6種低溫液體液位計(jì)檢測(cè)原理、特征及在超導(dǎo)磁浮應(yīng)用中的適用性,以期為高溫超導(dǎo)釘扎磁浮車載液氮容器懸浮體設(shè)備技術(shù)發(fā)展及高速安全運(yùn)行提供一定的參考.

3 液氮液位檢測(cè)方法

3.1 超導(dǎo)體液位計(jì)

超導(dǎo)體液位計(jì)利用超導(dǎo)材料(通常為超導(dǎo)帶材、超導(dǎo)線材)在臨界溫度以下表現(xiàn)出的零電阻特性來(lái)測(cè)量低溫液體的液位高度[18,36-41].如圖5(a)所示,工作原理是:先選用臨界溫度略高于被測(cè)液體沸點(diǎn)的超導(dǎo)材料,將超導(dǎo)材料導(dǎo)線沿液面的垂向固定制成液位傳感器.測(cè)量時(shí),將定長(zhǎng)的液位計(jì)垂直安裝在低溫容器中,浸入低溫液體部分的超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài),電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榱?未浸入液體部分的超導(dǎo)體則保持正常態(tài),其電阻不為零.當(dāng)液位升高或降低時(shí),未浸入液體部分的超導(dǎo)體長(zhǎng)度隨之降低或升高,導(dǎo)致定長(zhǎng)的超導(dǎo)體的總電阻發(fā)生變化.通過(guò)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)體兩端的電壓值即可得到超導(dǎo)體的電阻變化,便可通過(guò)公式(1)計(jì)算待測(cè)液體的液位高度[41].

式中:

H為被測(cè)液體的液位高度;

L為超導(dǎo)體的總長(zhǎng)度;

R x為不同液面下超導(dǎo)體的電阻測(cè)量值;

R0為未插入液體時(shí)超導(dǎo)體的電阻測(cè)量值.

超導(dǎo)體液位計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括:1、檢測(cè)精度可達(dá)±1 mm[38],且檢測(cè)參量只有一個(gè),無(wú)測(cè)量干涉引起的精度低的問(wèn)題.2、傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不易損壞.超導(dǎo)體液位計(jì)傳感器實(shí)際是由一根超導(dǎo)材料導(dǎo)體組成,所以可靠性高、重量輕且易于定制.3、超導(dǎo)體液位計(jì)安裝只需將液位傳感器垂直固定在低溫容器中,調(diào)試簡(jiǎn)易.

然而在具體應(yīng)用中,超導(dǎo)材料自身價(jià)格昂貴,導(dǎo)致超導(dǎo)體液位計(jì)成本較高.并且針對(duì)不同溫度的低溫液體,需要尋找不同的超導(dǎo)體材料,否則無(wú)法保證較高的檢測(cè)精度,即同一種超導(dǎo)體液位計(jì)只能用于檢測(cè)特定溫度的液體液面,從原理層面通用性發(fā)展受阻.如圖5所示,為解決低溫液體氣液分界面溫度變化不明顯的問(wèn)題,超導(dǎo)體液位計(jì)通常會(huì)在超導(dǎo)體上附加一定功率的發(fā)熱阻絲,以提高測(cè)量精度.發(fā)熱阻絲會(huì)帶來(lái)額外的焦耳損耗,從而增加低為液體蒸發(fā)損耗.從目前發(fā)現(xiàn)的各類超導(dǎo)體迥異的電磁特性來(lái)看,超導(dǎo)體液位計(jì)傳感器會(huì)受交變磁場(chǎng)影響.按照現(xiàn)有理論分析,倘若超導(dǎo)體位于變化磁場(chǎng)中時(shí),超導(dǎo)體內(nèi)易產(chǎn)生感應(yīng)電流,與通入液位計(jì)的電流產(chǎn)生疊加效應(yīng),改變其電壓值,對(duì)精度帶來(lái)負(fù)面影響.不過(guò),目前還未見(jiàn)到對(duì)其在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)環(huán)境下檢測(cè)精度變化的報(bào)道.

圖5 超導(dǎo)體液位計(jì)原理示意圖[40]Fig.5 Working principle of superconducting liquid level meters[40]

整體來(lái)看,超導(dǎo)體液位計(jì)通常應(yīng)用于液氦、液氫、液氧、液氮的液位檢測(cè),主要采用的超導(dǎo)材料有Bi-2223帶材(臨界溫度約110 K)、Nb Ti超導(dǎo)線(臨界溫度約9.5 K)、Nb3Ge超導(dǎo)線(臨界溫度約23.2 K)、MgB2超導(dǎo)線(臨界溫度約38 K)、YBaCuO超導(dǎo)帶材及帶材(臨界溫度約92 K).倘若未來(lái)實(shí)施于高溫超導(dǎo)磁浮車載液氮容器液位檢測(cè)中,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低焦耳損耗、高精度是其應(yīng)用的最大優(yōu)勢(shì),但未知的磁場(chǎng)干擾影響程度是個(gè)亟待研究的問(wèn)題.具體分析來(lái)看,如圖2所示,超導(dǎo)體液位計(jì)可安裝在車載懸浮體YBaCu O的上方,YBaCu O塊材對(duì)于軌道磁場(chǎng)具有一定的磁屏蔽,一定程度弱化了液位計(jì)工作區(qū)域附近的磁場(chǎng)干擾.倘若可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)體液位計(jì)在無(wú)磁環(huán)境與微弱磁信號(hào)干擾下的液位檢測(cè)效果,并對(duì)其液位計(jì)算公式進(jìn)行理論修正,那么在高速超導(dǎo)磁浮應(yīng)用中潛力將會(huì)更大.

3.2 改良型電容式液位計(jì)

傳統(tǒng)電容式液位計(jì)利用被測(cè)液體液位的變化引起電容值對(duì)應(yīng)改變的原理進(jìn)行測(cè)量[17],如圖6所示.傳統(tǒng)電容式液位計(jì)的液位計(jì)算公式為:

式中:

H為被測(cè)液面高度;

L為液位傳感器的總高度;

εair、εx為空氣和待測(cè)低溫液體的介電常數(shù);

d、d1為將液位傳感器等效為平板電容器后等效的平板間距和平板寬度;

C為計(jì)算的電容值.在傳統(tǒng)電容式液位計(jì)中,電容值為定值.

雖然傳統(tǒng)電容式液位計(jì)成本較低、通用性較好,但是信號(hào)處理單元預(yù)先寫(xiě)入的被測(cè)液體的介電常數(shù)為一個(gè)定值.實(shí)際盛裝低溫液體時(shí),容器內(nèi)部的液體與氣體的實(shí)際介電常數(shù)會(huì)隨溫度、壓力的變化而變化,因此傳統(tǒng)電容式液位計(jì)在低溫液體液位檢測(cè)時(shí)無(wú)法保證檢測(cè)精度.

為提高傳統(tǒng)電容式液位計(jì)的應(yīng)用靈活性,改良型電容式液位計(jì)應(yīng)運(yùn)而生.如圖6(b)所示,改良型電容液位計(jì)在傳統(tǒng)電容液位計(jì)的基礎(chǔ)上增加了上下兩塊平板電容器,分別位于低溫液位傳感器的底部和頂部,用于實(shí)時(shí)檢測(cè)低溫液體和低溫容器內(nèi)氣體的介電常數(shù),從而消除由介電常數(shù)變化引起的測(cè)量誤差[30,42-47].若假設(shè)底部和頂部電容器在真空中的電容值為C0,柱狀電容器在真空中的電容值為C1.放入存有一定量低溫液體的容器中后,底部電容器的電容值為C B,頂部電容器的電容值為C T,柱狀電容器的電容值為C2,低溫液體液位傳感器總長(zhǎng)度為L(zhǎng).因此,被測(cè)液體液位高度可由如下公式(4)[47]計(jì)算得出:

圖6 超導(dǎo)體液位計(jì)原理示意圖Fig.6 Working principle oftraditional and modified capacitive level meters

改良型電容式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有:1、改良型電容式液位計(jì)很好地繼承了傳統(tǒng)電容式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低、通用性好的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又引入了可變介電常數(shù)檢測(cè)的電容器,考慮了測(cè)量過(guò)程中低溫容器氣體的介電常數(shù)隨溫度、壓力的變化而變化的因素,不僅拓展了電容式液位計(jì)的使用范圍,也提高了檢測(cè)精度,對(duì)于液氮等低溫液體的檢測(cè)絕對(duì)誤差可控制在3 mm以內(nèi)[47].2、電容式液位計(jì)具有較強(qiáng)的抗干擾性和可靠性,能有效解決溫度、濕度、壓力及物質(zhì)導(dǎo)電等因素對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響,可以適用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、防堵塞、防冷凍等復(fù)雜環(huán)境下的多種液體液位檢測(cè).

由于多個(gè)電容器及連接電路的引入,再加上液面處實(shí)際介電常數(shù)的變化,改良型電容式液位計(jì)的輸出具有非線性,寄生電容和分布電容對(duì)靈敏性和測(cè)量精度的影響較大.

改良型電容式液位計(jì)在通常情況下用于檢測(cè)大型容器內(nèi)部液體(含低溫液體)液位變化.倘若實(shí)施于超導(dǎo)磁浮車載低溫容器液位檢測(cè),其抗干擾性和可靠性是其最大的優(yōu)勢(shì),可有效地解決電磁干擾、設(shè)備凍結(jié)、高壓等干擾.然而,由于存在柱狀電容器和頂部、底部電容器,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)尺寸較大,對(duì)于內(nèi)部尺寸小、結(jié)構(gòu)特殊的車載液氮容器的內(nèi)部安裝存在較大限制.因此,改良型電容式液位計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸問(wèn)題是最大的應(yīng)用瓶頸,有待進(jìn)一步改進(jìn).

3.3 光纖傳感器液位計(jì)

由于低溫容器內(nèi)部的低溫環(huán)境,常見(jiàn)的浮子式光纖液位傳感器的浮子元件被凍結(jié)而無(wú)法活動(dòng)的問(wèn)題,無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量液位高度[48].綜合選取后,本文將重點(diǎn)介紹常見(jiàn)的光纖布拉格光柵(FBG)傳感器多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng).光纖傳感器的主要原理是利用外界參量(溫度、應(yīng)變)對(duì)光纖光柵內(nèi)部的光信號(hào)產(chǎn)生影響,檢測(cè)反射光波長(zhǎng)的值即可得到對(duì)應(yīng)位置處溫度,從而得到液位信號(hào)[48-54].如圖7(a)所示,當(dāng)入射光進(jìn)入光纖時(shí),在每一個(gè)光柵處均會(huì)發(fā)生反射,不同位置光柵處反射光波長(zhǎng)不同,則可以利用發(fā)射光波長(zhǎng)計(jì)算獲得每個(gè)位置處的溫度.如圖7(b)所示,第一個(gè)FBG的反射光波長(zhǎng)為λ1,第二個(gè)FBG反射光波長(zhǎng)為λ2.假設(shè)第二個(gè)FBG處溫度發(fā)生變化,波長(zhǎng)變?yōu)棣恕?,λ2和λ’2之間的差值為△λ.因此,溫度變化△T與△λ的關(guān)系可由公式(5)計(jì)算[49]:

圖7 光纖傳感器液位計(jì)原理圖Fig.7 Working principle of optical-fiber level meter

式中:

△λ是該點(diǎn)處反射光波長(zhǎng)變化值;

λ0是該點(diǎn)處反射光原始波長(zhǎng);

α是光纖熱膨脹系數(shù);

n0是折射率;

dn/d T是熱光系數(shù),即折射率隨溫度變化系數(shù).

光纖傳感器液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括:1、光纖傳感器液位計(jì)對(duì)溫度敏感,其溫度測(cè)量精度為±0.5 K,因此靜態(tài)下液位檢測(cè)精度可達(dá)到±1 mm[49].2、光纖傳感器技術(shù)具有優(yōu)良的安全性、抗電磁干擾和耐腐蝕性,尤其適合于強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆等惡劣環(huán)境.3、基于光學(xué)原理的光纖傳感器液位計(jì),傳感器自身沒(méi)有熱損產(chǎn)生,且光纖的封裝材料為石英玻璃,其熱導(dǎo)率很低,有利于在低溫容器內(nèi)部的絕熱.

然而在光纖檢測(cè)過(guò)程中,溫度、應(yīng)變導(dǎo)致的交叉敏感特性是其不可回避的問(wèn)題.另外需要注意的是,光纖傳感器的硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了安裝和維修成本.

目前,光纖傳感器液位傳感器常用于石油等危險(xiǎn)化學(xué)液體的液位檢測(cè).倘若實(shí)施于超導(dǎo)磁浮車載低溫容器液位檢測(cè),抗電磁干擾和低熱損是其最大的優(yōu)勢(shì),能夠適應(yīng)磁浮車的電磁環(huán)境,并保證低溫容器的保溫隔熱性.然而,光纖傳感器在安裝過(guò)程中的應(yīng)力-溫度交叉敏感性問(wèn)題同樣需要在超導(dǎo)磁浮應(yīng)用中注意.

3.4 超聲波液位計(jì)

超聲波液位計(jì)是非接觸測(cè)量中發(fā)展最快的一種方法,基于超聲波遇到被測(cè)物體表面時(shí)發(fā)生反射的原理,以及所測(cè)距離與時(shí)間成函數(shù)關(guān)系的原理而工作[20,55-59].如圖8所示,超聲波換能器向液面發(fā)射超聲波,為入射波,入射波在液面與氣體的分界面發(fā)生反射,為反射波,并回傳至超聲波換能器,記錄發(fā)射聲波信號(hào)到接受反射聲波信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間t,則由公式6可計(jì)算出液位[25]:

圖8 超聲波液位計(jì)原理示意圖Fig.8 Working principle of ultrasonic level meter

式中:

v為超聲波在空氣中的傳播速度;

H為總液位高度;

S為液位高度;

L為液位上方空氣高度;

t為入射波與反射波的時(shí)間差.

相比其他液面計(jì)方式,超聲波液位計(jì)屬于非接觸式液位計(jì),不接觸液面,無(wú)可動(dòng)部件,避免了液體污染與腐蝕對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響.超聲波傳播速度比較穩(wěn)定,光纖、煙霧、介質(zhì)粘度、濕度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、熱導(dǎo)率、電磁干擾等對(duì)檢測(cè)幾乎無(wú)影響,檢測(cè)精度在0.4%以內(nèi)[58].因此適合于有毒、有腐蝕性和高粘度等復(fù)雜場(chǎng)合的液位檢測(cè).此外,超聲波液位計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)或具有傾斜晃動(dòng)的液體液位檢測(cè),并且可以實(shí)現(xiàn)液位連續(xù)檢測(cè)和定點(diǎn)檢測(cè),適合汽車、飛機(jī)、輪船設(shè)備的液位檢測(cè).

超聲波液位計(jì)應(yīng)用的受限處包括:1、當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化時(shí),其聲波傳播速度也隨之改變,若沒(méi)有聲速的補(bǔ)償措施,將會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)精度.2、超聲波容易被有些物質(zhì)吸收,其應(yīng)用范圍受到限制.3、對(duì)于聲波收發(fā)一體的超聲波液位計(jì),存在一段液位檢測(cè)盲區(qū),對(duì)安裝和檢查空間要求較高.盡管價(jià)格昂貴,超聲波液位計(jì)還是廣泛地應(yīng)用在水渠、油罐、氣罐、液氮等不同場(chǎng)合.如果運(yùn)用到高溫超導(dǎo)磁浮車載低溫容器液位檢測(cè)中,無(wú)接觸、無(wú)熱損、抗電磁干擾是其優(yōu)勢(shì),還可以避免設(shè)備被凍結(jié)、不會(huì)為低溫系統(tǒng)帶來(lái)額外熱負(fù)荷等.

另一方面,由于低溫容器內(nèi)部的溫度遠(yuǎn)低于室溫,而且隨低溫液體液位的變化,溫度表現(xiàn)出強(qiáng)非線性的特點(diǎn),超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度會(huì)因?yàn)槁曀僮兓a(chǎn)生較大的偏差.針對(duì)低溫下的聲速變化問(wèn)題,大多數(shù)文獻(xiàn)[59]采用溫度校正的方法對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償,公式(7)為常見(jiàn)的溫度校正公式,公式(8)為考慮溫度、濕度雙補(bǔ)償?shù)穆曀賯鞑ス?

式中:

T為溫度;

P w為水蒸氣的分壓強(qiáng);

P為大氣壓強(qiáng);

T0為絕對(duì)溫度;

t為測(cè)量的空氣溫度;

v為經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的超聲波聲速.

在實(shí)際條件下,超聲波傳播速度受到溫度、濕度影響,還與傳播介質(zhì)、風(fēng)速、壓強(qiáng)等因素均有關(guān)系.針對(duì)超導(dǎo)磁浮低溫容器內(nèi)部溫度分布非線性較強(qiáng)、壓力變化劇烈的特殊工況,這種超聲波聲速補(bǔ)償方法是值得探索的一種技術(shù)路線.

3.5 二極管/鉑電阻傳感器液位計(jì)

由于價(jià)格的優(yōu)勢(shì),陣列式鉑電阻傳感器液位計(jì)與陣列式二極管傳感器液位計(jì)更為常用.它們均采用溫度傳感器陣列對(duì)容器內(nèi)部溫度分布進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)對(duì)比溫度分布間接達(dá)到液位檢測(cè)的目的[21,22,60-63].如圖9所示,二極管傳感器液位計(jì)通常需要在容器內(nèi)安裝2組傳感器陣列,第一組用于檢測(cè)容器內(nèi)部各個(gè)傳感器的溫度,通過(guò)對(duì)比液體溫度判斷液體液位,第二組用于檢驗(yàn)第一組傳感器溫度與液體溫度相同的傳感器是否被液體淹沒(méi)[21].這種方式的液位計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸大、會(huì)帶來(lái)額外熱損耗[63].針對(duì)這一問(wèn)題,本課題組[34,35]前后提出了基于粒子濾波算法、Kalman濾波算法的鉑電阻液位計(jì),如圖10所示.主要原理是通過(guò)鉑電阻溫度傳感器研究不同液位時(shí)容器內(nèi)部的溫度分布特征,同時(shí)建立時(shí)間-液位的經(jīng)驗(yàn)方程和溫度-時(shí)間經(jīng)驗(yàn)方程,利用粒子濾波算法、Kalman濾波算法的狀態(tài)估計(jì)理論預(yù)測(cè)和估計(jì)當(dāng)前狀態(tài)的液位高度.目前,基于Kalman濾波算法的液位檢測(cè)方法已成功應(yīng)用于高溫超導(dǎo)釘扎磁浮車試驗(yàn)車系統(tǒng)[16],得到了滿意的檢測(cè)精度.

圖9 二極管傳感器液位計(jì)結(jié)構(gòu)和電路示意圖[62,63]Fig.9 Structure and circuit diagram of level meter using diode[62,63]

圖10 鉑電阻傳感器結(jié)構(gòu)和電路示意圖[20]Fig.10 Structure and circuit diagram of level meter using platinum resistors[22]

陣列式鉑電阻傳感器液位計(jì)與陣列式二極管傳感器液位計(jì)均具有普遍性高、精度及靈敏度穩(wěn)定和耐高壓的優(yōu)點(diǎn),制作而成的液位計(jì)測(cè)溫性能優(yōu)良,響應(yīng)迅速,多用于水、乙醇、丙酮、液氮液體的液位檢測(cè).不足之處在于:陣列式傳感器液位計(jì)的檢測(cè)精度由傳感器數(shù)量決定,較高的液位分辨率需要較多的傳感器,使得液位計(jì)尺寸較大、熱損耗過(guò)大,不利于動(dòng)態(tài)運(yùn)行下超導(dǎo)磁浮低溫容器液氮液位檢測(cè).

結(jié)合超導(dǎo)磁浮車載低溫容器液位檢測(cè)需求及本課題組的研究[15,16]來(lái)看,基于粒子濾波狀態(tài)估計(jì)算法和Kalman濾波算法的鉑電阻傳感器液位計(jì),可以消除動(dòng)態(tài)液氮噴濺引起的檢測(cè)誤差,減少了傳感器數(shù)量,并且可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)下液氮液位檢測(cè),精度可達(dá)±1 mm[15,16].

4 結(jié) 論

綜上所述,針對(duì)我國(guó)高速高溫超導(dǎo)磁浮的發(fā)展需求,本文主要對(duì)車載低溫容器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特征與需求環(huán)境分析,分析了現(xiàn)有液位檢測(cè)技術(shù)的可行性,歸納出6種可適用于液氮液位檢測(cè)的液位計(jì)方法.其中超聲波液位計(jì)為非接觸式液位計(jì),其余為接觸式液位計(jì).超導(dǎo)體液位計(jì)、改良型電容式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和基于濾波算法的鉑電阻傳感器液位計(jì)可以直接計(jì)算得到液位高度.光纖傳感器液位計(jì)、陣列式二極管傳感器液位計(jì)和陣列式鉑電阻傳感器液位計(jì)則是通過(guò)容器內(nèi)部溫度分布間接推算液位高度.這6種方法的具體分析比較如表1所示.

從表1中可以看出,6種液位計(jì)精度都相對(duì)較高,可以滿足超導(dǎo)磁浮低溫容器中液氮液位檢測(cè)需求.超導(dǎo)體液位計(jì)設(shè)備簡(jiǎn)單、易于測(cè)量,且屬于輕量化設(shè)備.但是,超導(dǎo)體液位計(jì)易受外磁場(chǎng)干擾而改變內(nèi)部電流狀態(tài),如何消除外磁場(chǎng)影響是其應(yīng)用于高溫超導(dǎo)磁浮系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一.改良型電容式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝,測(cè)量過(guò)程中需要測(cè)量3個(gè)參數(shù),增加了系統(tǒng)的測(cè)量誤差.光纖傳感器液位計(jì)安裝難度和成本相對(duì)較高,按照本課題組以往實(shí)驗(yàn)表明,光纖光柵傳感器封裝外殼傳熱較快,未浸入液氮部分的光柵傳感器會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到液氮溫度或接近液氮的溫度,因此準(zhǔn)確分辨出液位值具有較大難度.超聲波液位計(jì)屬于非接觸液位計(jì),但是超聲波聲速會(huì)受到溫度影響,且存在測(cè)試盲區(qū).二極管和鉑電阻傳感器陣列液位計(jì)方法中,傳感器數(shù)量較多,整體尺寸和功耗較大.但是,基于粒子濾波狀態(tài)估計(jì)算法和Kalman濾波算法的鉑電阻溫度傳感器液位計(jì)可以優(yōu)化傳感器數(shù)量過(guò)多引起的熱損耗過(guò)大的問(wèn)題,具有一定的應(yīng)用潛力.

表1 不同低溫液體液位檢測(cè)方法特征總結(jié)表Tab.1 Characteristics of 7 cryogenic liquid level detection methods

因此,針對(duì)超導(dǎo)磁浮應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性,即電磁環(huán)境、動(dòng)態(tài)運(yùn)行環(huán)境、液氮?dú)庖悍纸缑娌幻黠@、溫度分布非線性、液體液位晃動(dòng)及液體飛濺等現(xiàn)象,哪一種檢測(cè)方式能夠適應(yīng)呢?倘若從檢測(cè)精度、結(jié)構(gòu)尺寸、抗電磁干擾能力考慮,超聲波液位計(jì)、改良型電容式液位計(jì)具有更大的潛力應(yīng)用于超導(dǎo)磁浮車載液氮容器內(nèi)部的液位檢測(cè).超聲波液位計(jì)的應(yīng)用關(guān)鍵在于如何提出合適的超聲波聲速修正公式.電容式液位計(jì)的應(yīng)用關(guān)鍵在于如何進(jìn)一步減小其結(jié)構(gòu)尺寸.從目前應(yīng)用情況來(lái)看,基于粒子濾波狀態(tài)估計(jì)算法和Kalman濾波算法的鉑電阻傳感器液位計(jì)取得了較好的檢測(cè)效果[15,16].

總而言之,對(duì)于面向高速、超高速發(fā)展的超導(dǎo)磁浮交通,智能、高效、安全是基本目標(biāo).因此,微型化、高精度、低功耗和智能化的液位計(jì)是未來(lái)車載低溫液體液位計(jì)發(fā)展的主要趨勢(shì).