ИНДУКТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР
INDUCTIVE LEVEL GAUGE

Предлагаемое изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред и может быть использовано преимущественно для измерения уровня жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике.
Известен уровнемер по патенту РФ №2252397. Этот уровнемер содержит обмотку возбуждения, питаемую переменным током, и измерительную обмотку, сигнал которой изменяется пропорционально величине контролируемого уровня. Обе обмотки размещаются в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду. В этом же чехле выше измерительной обмотки закреплена компенсационная обмотка, служащая для компенсации температурной погрешности сигнала измерительной обмотки.
Указанный уровнемер имеет удовлетворительные метрологические характеристики при стационарном температурном режиме работы емкости с контролируемой средой и стабильной во времени электропроводностью жидкого металла, что не всегда обеспечивается при работе реакторной установки. Кроме того, наличие дополнительной компенсационной обмотки увеличивает высоту датчика и может вызвать ложные показания уровнемера, если в аварийных ситуациях уровень в емкости поднимется выше рабочего диапазона и достигнет компенсационной обмотки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является индуктивный уровнемер по патенту РФ №2328704. Этот уровнемер содержит обмотку возбуждения, выполненную в виде ряда катушек, закрепленных в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду, и измерительную обмотку, состоящую из ряда катушек, расположенных между катушками возбуждения. В этом уровнемере исключены недостатки предыдущего, он соответствует техническим требованиям, предъявляемым к большинству уровнемеров реакторных установок, и будет использован на АЭС для контроля уровня в емкостях с жидким металлом, где по регламенту эксплуатации допускается извлечение чувствительного элемента из защитного чехла для периодической поверки уровнемера или разрешена расчетная методика поверки на основе анализа величины сигналов всех измерительных катушек. Однако для контроля уровня теплоносителя в баке реактора предъявляются особые требования - периодическая поверка соответствующего уровнемера должна производиться без извлечения уровнемера из защитного чехла (так называемая бездемонтажная поверка). Это связано с конструктивными особенностями размещения уровнемера под биологической защитой на крышке реактора и высокой активацией материалов датчика в нейтронных и гамма-потоках над активной зоной реактора. В силу особых требований к надежности контроля уровня в баке реактора расчетная методика поверки этого уровнемера также считается недостаточно точной. Необходима прямая проверка точности показаний уровнемера без демонтажа датчика, т.е. этот уровнемер должен содержать в своем составе все необходимые элементы для периодической поверки.
Предлагается уровнемер, обеспечивающий выполнение всех вышеперечисленных требований. Конструкция предложенного устройства схематично представлена на рис.1, где приняты следующие обозначения.
1. Контролируемая среда - жидкий металл.
2. Защитный чехол.
3. Катушки обмотки возбуждения.
4. Катушки измерительной обмотки.
5. Полый трубчатый канал.
6. Чувствительный элемент подвижного зонда (детектора уровня).
7. Штанга.
8. Электрический разъем.
9. Узел фиксации.
H - уровень контролируемой среды.
h - высота расположения чувствительного элемента.
вых
U - выходное напряжение чувствительного элемента.
Работа предложенного устройства происходит следующим образом.
В штатном режиме эксплуатации работа уровнемера осуществляется аналогично уровнемеру по патенту РФ №2328704 - на катушки обмотки возбуждения 3 подается переменное напряжение от генератора, возбуждаемое этими катушками электромагнитное поле наводит в катушках измерительной обмотки 4 переменное напряжение, величина которого зависит от наличия или отсутствия жидкого металла 1 в зоне расположения соответствующей соседней пары катушек 3 и 4. При «затоплении» измерительной катушки 4 ее сигнал уменьшается в 4÷10 раз по сравнению с сигналом «сухой» катушки 4. Если уровень контролируемой среды Н соответствует частичному «затоплению» катушки 4, степень ослабления ее выходного сигнала будет принимать промежуточное значение, зависящее от глубины «погружения» пары катушек 3 и 4 в жидкий металл. По количеству полностью «затопленных» катушек измерительной обмотки 4 и степени «затопления» пары катушек 3 и 4, находящихся в зоне уровня контролируемой среды 1, измерительная схема уровнемера вычисляет величину уровня Н.
вых
вых
В штатном режиме эксплуатации подвижный индикатор уровня выключен и в режиме измерения текущей величины уровня Н не участвует. В режиме поверки уровнемера, которая обычно производится во время плановой остановки реактора, каждой поверяемой величине уровня Н предшествует его измерение, аналогичное ранее описанному при работе в штатном режиме. После этого выключается питание катушек обмотки возбуждения 3 и включается питание подвижного индикатора уровня. Подвижный индикатор уровня представляет собой штангу 7, на нижнем конце которой закреплен чувствительный элемент 6 в виде группы индуктивно связанных между собой катушек, а на верхнем конце штанги 7 установлен электрический разъем 8, к которому подключены выводы чувствительного элемента 6, проложенные внутри штанги 7. Для фиксации штанги 7 в любом из положений ее диапазона перемещений и контроля ее положения над защитным чехлом 2 уровнемера расположен узел фиксации 9, который может быть выполнен, например, в виде винтового прижима штанги 7 к направляющему каналу узла фиксации 9. По высоте штанги нанесена разметка, соответствующая высоте расположения ее чувствительного элемента 6 над дном защитного чехла 6. Перемещение штанги 7 с чувствительным элементом 6 производится внутри полого трубчатого канала 5, неподвижно закрепленного внутри защитного чехла 2. Чувствительный элемент 6 подвижного индикатора представляет собой пару рядом расположенных индуктивных катушек, включенных в плечи индуктивного моста, или дифференциальный трансформатор, содержащий обмотку возбуждения и расположенные вплотную к ней две одинаковые встречно включенные измерительные обмотки, при этом обмотка возбуждения подключается к отдельному генератору переменного напряжения, и измерительные обмотки - к измерителю напряжения. И в первом, и во втором варианте исполнения чувствительного элемента 6 его сигнал при перемещении относительно уровня контролируемой среды Н будет иметь вид, представленный на рис.1. Если чувствительный элемент 6 полностью погружен в жидкий металл 1 или находится выше зеркала металла его выходное напряжение U равно или близко к нулю в силу баланса индуктивного моста или равенства сигналов симметрично расположенных встречно включенных измерительных обмоток. Если же уровень Н среды 1 находятся в зоне индуктивных катушек чувствительного элемента 6, их электрическая симметрия нарушается и возрастает, причем его максимальное значение будет иметь место, когда нижняя катушка находится под зеркалом уровня контролируемой среды Н, а верхняя катушка - над зеркалом этого уровня. Таким образом, операция поверки уровнемера заключается в сравнении его показаний с величиной уровня контролируемой среды Н, определенной подвижным индикатором уровня. Для точного определения действительной величины уровня контролируемой среды Н перемещают подвижный индикатор уровня из нижнего положения вверх, плавно увеличивая высоту h расположения его чувствительного элемента. В момент равенства h и Н выходное напряжение чувствительного элемента U примет максимальное значение, соответствующая этому напряжению высота расположения чувствительного элемента h будет соответствовать действительной величине уровня контролируемой среды Н. Для более точного определения этого уровня операцию перемещения индикатора вверх и вниз повторяют несколько раз и вычисляют среднее значение уровня. При необходимости операцию сравнения показаний уровнемера и подвижного зонда по указанной методике проводят при различных положениях уровня контролируемой среды H.
Рабочие частоты уровнемера, работающего в штатном режиме, и подвижного индикатора уровня различны. Частота питающего напряжения чувствительного элемента 6 индикатора должна быть ниже, чем частота питающего напряжения катушек обмотки возбуждения 3 уровнемера. Это связано с необходимостью обеспечить прохождение электромагнитного поля чувствительного элемента 6 к измеряемой среде 1 через конструктивные элементы, ослабляющие это поле: полый трубчатый канал 5, катушки обмотки возбуждения 3 или катушки измерительной обмотки 4, защитный чехол 2. Оптимальными для работы уровнемера в штатном режиме являются частоты 1÷2 кГц, а для подвижного индикатора уровня 100÷200 Гц.
Использование предложенного устройства для контроля уровня жидкого металла в самых ответственных объектах реакторных установок - баках реакторов, баках главных циркуляционных насосов I контура - позволит обеспечить требуемые метрологические характеристики, надежность работы и длительный ресурс эксплуатации уровнемеров в жестких температурных и радиационных условиях их эксплуатации