БЕСКОНТАКТНЫЙ РАДАРНЫЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В РЕЗЕРВУАРАХ АЭС
CONTACTLESS RADAR LEVEL INDICATOR FOR MEASUREMENT OF LEVEL OF LIQUID RADIOACTIVE WASTE IN NPP RESERVOIRS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной аппаратуры объектов атомной энергетики и может быть использовано в составе АСУ ТП АЭС для бесконтактного измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах.
Известен бесконтактный ультразвуковой уровнемер для измерения уровня радиоактивных жидкостей АЭС, принцип действия которого основан на локации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду и отражающимися от границы раздела «газ - измеряемая среда» [1]. Уровнемер [1] состоит из датчика и соединяемого с ним экранированным кабелем контроллера. Датчик устанавливается в верхней части резервуара, а контроллер - на щите управления вне зоны действия радиации. Данный уровнемер имеет следующие недостатки:
- большое расхождение конуса излучения, вызывающее отражения от стационарных и нестационарных препятствий, приводит к ошибкам измерения;
- применим только в резервуарах с нормальным давлением и температурой;
- на характеристики сигнала влияют пыль, пар, пена и газовые смеси.
Известен бесконтактный радарный уровнемер, принцип действия которого основан на непрерывной частотно-модулированной (ЧМ) радиолокации в КВЧ-диапазоне [2], обеспечивающей наиболее высокую точность измерения дальности. Уровнемер представляет собой ЧМ-радиолокатор в диапазоне частот 94 ГГц с девиацией частоты 4 ГГц и максимальной ошибкой измерения уровня ±1 мм, выполненный в виде моноблока, и лишен недостатков, присущих ультразвуковому уровнемеру. Однако данный уровнемер имеет следующие недостатки:
- повышенная сложность схемы построения, обусловленная использованием КВЧ-диапазона, приводит к пониженной надежности;
- принцип непрерывной ЧМ-радиолокации приводит к постоянному энергопотреблению, сокращающему время наработки на отказ;
- моноблочное исполнение не обеспечивает работоспособность в условиях радиационного воздействия.
Известен бесконтактный радарный уровнемер, использующий принцип импульсной СШП-радиолокации [3], выбранный за прототип. Уровнемер представляет собой радиолокатор с импульсными СШП-сигналами длительностью 2 нс при частоте повторения 5 МГц со среднеквадратической ошибкой измерения уровня ±5 мм, приемопередающая часть которого отличается функциональной и схемотехнической простотой. Данный уровнемер лишен недостатков, присущих ультразвуковым и ЧМ-уровнемерам, однако, выполненный в виде размещаемого на антенне моноблока, отличается низкой надежностью и временем наработки на отказ, обусловленными действием радиации на его электронно-компонентную базу, а также имеет более высокую ошибку измерения уровня по сравнению с предыдущим аналогом [2].
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность бесконтактного измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах АЭС с высокой точностью, надежностью и достоверностью.
Технический результат достигается тем, что бесконтактный радарный уровнемер для измерения уровня жидких радиоактивных отходов, построенный на принципе импульсной сверхширокополосной радиолокации, содержащий антенну, генератор сигналов, приемник с компаратором, блок обработки с время-цифровым преобразователем и интерфейсом, выполнен с разделением на приемопередающий СВЧ-модуль и цифровой блок обработки. Приемопередающий СВЧ-модуль выполнен на радиационно-стойкой электронно-компонентной базе, состоит из генератора короткоимпульсных сигналов и приемника отраженных сигналов и расположен вместе с антенной на резервуаре. Цифровой блок обработки подключен к СВЧ-модулю с помощью кабеля и расположен вне зоны действия радиации.
Для защиты СВЧ-модуля от действия радиации с поверхности жидкости, конденсированных паров и капель от брызг антенна интегрирована в состав СВЧ-модуля, выполнена в виде плоского рупора с несмачиваемой жидкостью поверхностью раскрыва, размеры и материал которого обеспечивают защиту СВЧ-модуля от радиации с поверхности жидкости.
Для устойчивости к действию электромагнитных наводок и помех от работы технологического электрооборудования АЭС кабель выполнен на оптическом волокне.
Для повышения точности измерения уровня жидкости в цифровом блоке обработки измерение задержки между излучаемым и отраженным сигналами проводится по частоте биений сигналов двух идентичных друг другу ЧМ-генераторов ждущего режима, один из которых запускается опорным сигналом, совпадающим по времени с излучаемым импульсом, второй ЧМ-генератор - импульсом дальности, совпадающим по времени с отраженным импульсом.
Бесконтактный радарный уровнемер для измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах АЭС поясняется следующими чертежами.
На фигуре 1 приведена структурная схема уровнемера. На ней показаны: 1 - сверхширокополосная антенна; 2 - приемопередающий СВЧ-модуль; 3 - кабель связи; 4 - цифровой блок обработки.
На фигуре 2 приведена функциональная схема приемопередающего СВЧ-модуля. На ней показаны: 5 - генератор сверхкоротких импульсов; 6 - направленный ответвитель; 7 - амплитудный детектор; 8 - компаратор.
На фигуре 3 приведены эпюры основных сигналов, характеризующих работу СВЧ-модуля. На фигуре 3а показан видеоимпульс, генерируемый генератором 5; на фигуре 3б показан сигнал на выходе направленного ответвителя 6 в виде моноцикла Гаусса; на фигуре 3в - огибающие сигнала генератора 5 (А) и отраженного сигнала (Б) на выходе амплитудного детектора 7; на фигуре 3г - опорный импульс (А) и импульс дальности (Б) на выходе компаратора 8.
На фигуре 4 приведена функциональная схема цифрового блока обработки. На ней показаны: 9 - время-цифровой преобразователь; 10 - интерфейс связи с АСУ ТП АЭС.
На фигуре 5 приведена функциональная схема время-цифрового преобразователя. На ней показаны: 11 - переключатель; 12 - первый ЧМ-генератор; 13 - второй ЧМ-генератор; 14 - смеситель; 15 - частотомер.
Б
На фигуре 6 приведены эпюры основных сигналов, характеризующих работу цифрового блока обработки. На фигуре 6а показаны опорный импульс (А) и импульс дальности (Б) на входе блока обработки; на фигуре 6б - модуляционные характеристики f(t) ЧМ-генераторов 12, 13; на фигуре 6в - сигнал биений V на выходе смесителя 14.
Устройство работает следующим образом.
В СВЧ-модуле генератор 5 генерирует сверхкороткие видеоимпульсы, которые через направленный ответвитель 6 поступают в антенну 1 и излучаются в виде моноцикла Гаусса. Ослабленная в направленном ответвителе 6 до допустимого уровня часть сигнала поступает на вход амплитудного детектора 7, с выхода которого огибающая сигнала генератора в виде видеоимпульса поступает на компаратор 8, формирующий опорный (стартовый) импульс для блока обработки 4. Отраженный от поверхности жидкости сигнал через антенну 1 и направленный ответвитель 6 поступает в амплитудный детектор 7, с выхода которого огибающая отраженного сигнала в виде видеоимпульса поступает на компаратор 8 с регулируемым порогом, формирующий импульс дальности для блока обработки 4.
С выхода СВЧ-модуля опорный импульс и импульс дальности подаются на вход время-цифрового преобразователя 9, на входе которого установлен переключатель 11, подключающий при поступлении на его вход опорного импульса ЧМ-генератор 12, находящийся в ждущем режиме, при поступлении импульса дальности - подключающий точно такой же ЧМ-генератор 13, находящийся в ждущем режиме; с выходов ЧМ-генераторов 12, 13 линейно частотно-модулированные сигналы, сдвинутые по времени на величину задержки импульса дальности относительно опорного импульса, поступают на входы смесителя 14, с выхода которого сигнал биений подается на частотомер 15, где его частота измеряется и пересчитывается в коды уровня для передачи через интерфейс 10 в АСУ.
Построение бесконтактного радарного уровнемера, использующего импульсный метод СШП-радиолокации с малым энергопотреблением, и введение конструктивно-функционального разделения на СВЧ-модуль и цифровой блок обработки позволят повысить его надежность и время наработки на отказ при функционировании в составе АСУ ТП АЭС.
Литература
1. Уровнемер УРАН-ДУУ. http://www.niiis.nnov.ru/wps/wcm/connect/niiis/site/production/produkcia/ptsAscTpNps/izdeliya/uran_duu/dec7278040dcac228c679e224b65266e.
2. Уровнемер УЛМ-11. http://www.limaco.ru/ru/production.
3. И.Я. Иммореев. Практическое использование сверхширокополосных радаров. / Сборник докладов III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». Стр. 172-173. ПРИЛОЖЕНИЕ. Электронное издание (Tested for Acrobat Reader 9 Windows & Unix versions) 1035 стр. Москва: Изд. ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, 2009.