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.
Реакторные установки с жидкометаллическим теплоносителем содержат большое количество емкостей с жидким металлом, в которых необходимо контролировать его уровень в различных диапазонах. Например, в реакторной установке БН-600 Белоярской АЭС используются уровнемеры с диапазонами измерения от 0÷200 мм до 0÷5300 мм.
Эти уровнемеры типа «КВАНТ» по а.с. 295992 содержат индуктивные преобразователи в виде ряда индуктивных катушек, образующих систему параллельных мостов, питаемых от генератора звуковой частоты, и индикаторы напряжения в диагоналях мостов. Индуктивные катушки распределены по высоте изменения уровня и расположены внутри защитного герметичного металлического чехла, погруженного в контролируемую среду.
Недостатком указанных уровнемеров является небольшое изменение индуктивности катушки при ее «затоплении» контролируемой средой, составляющее 20÷30% от «сухого» состояния, это соизмеримо с изменением индуктивности «сухих» катушек за счет изменения электропроводности защитного чехла в рабочем диапазоне температур от 250 до 550°C, что снижает эксплуатационную надежность такого типа уровнемера. Кроме того, этот уровнемер имеет «мертвые» зоны, когда уровень измеряемой среды находится между соседними катушками и его изменение не влияет на индуктивность ближайшей катушки до момента приближения к торцу катушки.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому устройству являются индуктивные уровнемеры по патентам РФ N2252397 и N2328704. Уровнемер по патенту N2252397 содержит равномерно распределенные по высоте изменения уровня обмотку возбуждения и измерительную обмотку, закрепленные внутри защитного чехла на фиксированном расстоянии друг от друга. Обмотка возбуждения подключена к генератору переменного тока звуковой частоты, а измерительная обмотка - к измерителю напряжения. При нулевой величине уровня коэффициент взаимоиндукции обмоток, а значит и величина ЭДС измерительной обмотки максимальны. При увеличении уровня и «погружении» обмоток в жидкий металл коэффициент взаимоиндукции обмоток уменьшается за счет вихревых токов, наводимых в измеряемой контролируемой среде переменным электромагнитным полем обмотки возбуждения, соответственно уменьшается ЭДС измерительной обмотки.
Степень уменьшения ЭДС пропорциональна высоте «затопленной» части обмоток, т.е. величине уровня.
Для уменьшения температурной погрешности уровнемер содержит компенсационную обмотку, расположенную выше диапазона изменения уровня. В отличие от ранее рассмотренного, уровнемер по патенту N2252397 является аналоговым, его выходное напряжение линейно и непрерывно изменяется в соответствии с величиной уровня, но его точность ограничивается температурной погрешностью, которая хотя и уменьшается за счет компенсационной обмотки, но не может быть сведена к нулю в силу геометрической несимметрии измерительной и компенсационной обмоток и наличия градиента температур между жидким металлом и газовым объемом, в зоне которого находится компенсационная обмотка.
Наибольшей точностью контроля уровня обладает дискретно-аналоговый уровнемер по патенту N2328704.
В этом уровнемере чувствительный элемент выполнен в виде ряда катушек возбуждения и ряда расположенных между ними измерительных катушек. По мере «затопления» катушек при увеличении уровня ЭДС измерительных катушек уменьшается за счет уменьшения индуктивной связи с соседними катушками возбуждения, а подключенное к измерительным катушкам логическое устройство определяет количество полностью «затопленных» катушек и степень затопления катушки, ближайшей к поверхности уровня.
В этом уровнемере в отличие от уровнемера по а.с. 295992 ЭДС «сухой» катушки больше ЭДС затопленной катушки на 400÷600%, т.е. в 5÷7 раз, что во много раз превышает температурное изменение сигнала, соответственно, обеспечивается абсолютная надежность фиксации «затопления» очередной катушки. Кроме того, благодаря особенностям взаимного расположения катушек возбуждения и измерительных катушек ЭДС последних монотонно уменьшается при изменении уровня от нижерасположенной до вышерасположенной катушек возбуждения, т.е. кроме дискретного сигнала с измерительной катушки поступает аналоговый сигнал, причем к моменту полного «затопления» измерительной катушки и уменьшения ее ЭДС до минимального значения уровень достигает зоны чувствительности следующей по высоте измерительной катушки и, следовательно, уровнемер не имеет «мертвых» зон. Этот уровнемер соответствует всем метрологическим требованиям, предъявляемым к уровнемерам реакторных установок, и будет использоваться на АЭС в емкостях при малых и средних диапазонах изменения уровня, однако его реализация на большие пределы измерения встречает серьезные конструктивные трудности. Например, при контроле уровня в диапазоне от 0 до 5300 мм внутри защитного чехла необходимо будет разместить до 40 пар катушек, т.е. 160 выводов концов катушек. При использовании для намотки катушек высокотемпературных кабелей в стальной оболочке такое количество выводов невозможно разместить внутри защитного чехла, так как большая часть его внутреннего сечения занята собственно катушками.
С другой стороны, для таких уровнемеров по условиям эксплуатации требуемая точность измерения уровня по высоте неодинакова - есть зона высокой точности и зона средней точности. Зона высокой точности - это диапазон изменения уровня в режиме нормальных условий эксплуатации, например, для бака реактора БН-600 эта зона составляет около 30% от полного диапазона изменения уровня. При первоначальном заполнении емкости жидким металлом и в аварийных режимах уровень может изменяться вне пределов рабочей зоны, для этого диапазона допустима средняя точность контроля уровня.
Целью предлагаемого изобретения является достижение требуемых метрологических характеристик уровнемера, обеспечение непрерывности контроля уровня во всем диапазоне его изменения и уменьшение стоимости изготовления уровнемера.
Поставленная цель достигается тем, что чувствительный элемент уровнемера содержит зону повышенной точности контроля уровня, необходимой при рабочих режимах эксплуатации реакторной установки, и зону средней точности контроля уровня, в пределах которой уровень может оказаться при аварийных режимах, а также при заполнении емкости жидким металлом и его дренировании в случае ремонтных работ. Зона высокой точности выполнена в виде ряда катушек возбуждения, распределенных по высоте соответствующего диапазона изменения уровня, и ряда измерительных катушек, индуктивно связанных с катушками возбуждения. Зона средней точности выполнена в виде двух симметричных участков, каждый из которых содержит равномерно распределенные по высоте участка обмотку возбуждения и индуктивно связанную с ней измерительную обмотку. Между участками расположена сигнальная пара катушек - катушка возбуждения и индуктивно связанная с ней измерительная катушка. Обмотки возбуждения участков соединены согласно (рис.2), измерительные обмотки включены встречно. Все катушки возбуждения, в том числе сигнальная, а также обе обмотки возбуждения подключены к генератору переменного тока, а обе измерительные обмотки и все измерительные катушки, в том числе сигнальная, подключены ко входам логического вычислительного устройства.
Работа предложенного устройства поясняется его конструкцией, приведенной на рис.1, и электрической схемой на рис.2.
х
х
В защитном чехле 2, погруженном в контролируемую среду 1 размещен чувствительный элемент уровнемера, в котором на несущей трубе 3 закреплены ряд катушек возбуждения 4 и ряд измерительных катушек 5, образующих в совокупности зону высокой точности измерения уровня среды 1. Катушки возбуждения 4 подсоединены к генератору переменного тока 10, соответственно вокруг этих катушек создается переменное электромагнитное поле, которое охватывает пространство снаружи защитного чехла 2 и ближайшие измерительные катушки 5. Под действием электромагнитного поля в катушках 5 генерируется ЭДС, величина которой зависит от коэффициента взаимоиндукции этих катушек с ближайшими катушками возбуждения 4. Если уровень среды 1 ниже катушек 4 и 5, коэффициент их взаимоиндукции достаточно высокий и в катушках 5 наводится ЭДС большой величины. Когда уровень среды 1 достигает зоны расположения катушек 4 и 5, под действием электромагнитного поля катушек 4 и в среде 1 наводятся вихревые токи, которые создают собственное электромагнитное поле, ослабляющее поле катушек 4. Результирующее электромагнитное поле в объеме вокруг измерительных катушек 5 уменьшается пропорционально величине уровня среды 1 снаружи защитного чехла 2 в зоне расположения соответствующих пар катушек 4 и 5 и при полном «затоплении» пары результирующее поле минимально, соответственно, минимальна и величина ЭДС «затопленной» измерительной катушки 5. Зависимость ЭДС Ek измерительных катушек 5 от изменения уровня среды 1 приведена на графике рис.1 (зона IV). Уменьшение величины Ek катушки 5 начинается при достижении уровнем Н среды 1 высоты расположения ближайшей нижерасположенной катушки возбуждения 4 и заканчивается при полном «погружении» катушки 5. При этом уровень Н приближается к ближайшей вышерасположенной катушке возбуждения 4 и начинается уменьшение ЭДС Ek следующей по высоте измерительной катушки 5. Таким образом, при любом изменении уровня Н среды 1 в зоне высокой точности, образованной катушками 4 и 5, происходит изменение ЭДС Ek одной из катушек 5, т.е. отсутствуют мертвые зоны контроля изменений уровня. Для исключения мертвых зон расстояния между центрами катушек 4 и 5 не должны превышать 2÷3 диаметров катушек 4.
Зону средней точности измерения уровня на чувствительном элементе образуют два симметричных участка, каждый из которых образован парами обмоток 6 и 7, равномерно намотанных по высоте участков в виде соленоидов или овальных рамок, высота которых равна высоте участка.
0
Обмотки 6 подключены к генератору переменного тока 10 и являются обмотками возбуждения, создающими в зоне своего расположения равномерное по высоте переменное электромагнитное поле, охватывающее прилегающие объемы измеряемой среды 1 и измерительные обмотки 7, витки которых расположены между витками обмотки возбуждения 6. Выводы катушек 4, 5, 8, 9 и обмоток 6 и 7 заведены внутрь трубы 3 и по этой трубе выведены в верхнюю часть уровнемера для подключения к генератору переменного тока 10 и логическому вычислительномуу устройству 11. Величина ЭДС Е, наводимой в обмотках 7 результирующим электромагнитным полем, будет уменьшаться пропорционально высоте уровня Н среды 1, в которую «погружены» обмотки 6 и 7, т.к. пропорционально величине уровня будет уменьшаться коэффициент взаимоиндукции обмоток 6 и 7.
0
0
0
0
0
0
с
Нижний и верхний участки зоны средней точности конструктивно симметричны и при отсутствии измеряемой среды 1 за чехлом 2, т.е. нулевой величине уровня Н ЭДС обмоток 7 этих участков будут равны, соответственно, при последовательном встречном их соединении суммарная ЭДС Е пары измерительных обмоток будет равна нулю. По мере «затопления» нижнего участка ЭДС его обмотки 7 будет уменьшаться, при этом ЭДС обмотки 7 верхнего участка будет оставаться максимальной и суммарная ЭДС Е соединенных обмоток 7 начнет увеличиваться пропорционально величине уровня Н (зона I на рис.1), достигая максимального значения при полностью «затопленном» нижнем участке и полностью «сухом» верхнем участке. При дальнейшем подъеме уровня Н и начале «затопления» верхнего участка (зона III на рис.1) ЭДС его измерительной катушки начнет уменьшаться и суммарная ЭДС Е также начет уменьшаться. При полном затоплении верхнего участка суммарная ЭДС Е обмоток 7 снова станет равной нулю. Таким образом, по ЭДС Е нельзя однозначно определить величину уровня Н, каждому значению Е соответствует два значения уровня. Для исключения этой неопределенности между участками расположена пара сигнальных катушек - катушка возбуждения 8 и измерительная катушка 9, электромагнитное взаимодействие которых аналогично взаимодействию катушек 4 и 5 зоны высокой точности измерения уровня. По мере перемещения уровня между нижним и верхним участками (зона III на рис.1) ЭДС Е сигнальной измерительной катушки 9 уменьшается и при достижении уровнем Н среды 1 верхнего участка становится минимальной, оставаясь такой при дальнейшем увеличении уровня. Наличие сигнальной пары катушек 8 и 9 в совокупности с обмотками 6 и 7 позволяет точно определить уровень Н среды 1 при его изменении в зоне средней точности. Вычисление уровня производится логическим вычислительным устройством 11, ко входам которого подключены измерительные катушки 5, пара последовательно соединенных обмоток 7 и измерительная сигнальная катушка 9.
При возрастании уровня от нулевого значения в диапазоне нижнего участка (зона I на рис.1) вычисление уровня устройством 11 производится по формуле:
1
где k - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией участков при фиксированной температуре участка;
0
Е - ЭДС соединенных обмоток 7.
с
При этом величина ЭДС Е сигнальной обмотки максимальна.
При достижении уровнем переходной зоны между нижними участками (зона II) вычисление уровня производится по формуле:
2
где k - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией сигнальной пары катушек 8 и 9;
max
min
E и E - максимальная и минимальная ЭДС измерительной катушки 9, - постоянные величины, определяемые конструкцией сигнальной пары катушек 8 и 9 и током питания катушки 8 - его величина также стабилизирована;
c
E - ЭДС сигнальной измерительной катушки 9.
max
c
min
Логическое условие вычисления по формуле 2): E>E>E
При изменении уровня в пределах верхнего участка (зона III) вычисление уровня производится по формуле:
I
II
где H и H - высоты зон I и II - постоянные величины, определяемые конструкцией уровнемера;
- максимальное значение ЭДС;
0
Е - постоянная величина, определяемая конструкцией участков и током питания обмотки возбуждения 6.
Логическое условие вычисления уровня по этой формуле - минимальное значение ЭДС сигнальной измерительной обмотки 9.
При изменении уровня в пределах зоны IV, т.е. зоны высокой точности измерения, вычисление производится по формуле:
III
I
Где H=H - высоты нижнего и верхнего участков зоны средней точности;
k
min
n - количество измерительных катушек 5, у которых ЭДС E=E;
h - расстояние между соседними катушками 5.
Предполагается, что пары катушек 4 и 5 конструктивно аналогичны парам катушек 8 и 9 и расстояния между катушками в этих парах также равны.
k
max
k
min
E - ЭДС измерительной катушки, у которой E>E>E.
k
k
max
Логическое условие вычисления уровня по этой формуле - ЭДС E нижней измерительной катушки высокой точности E<E.
Уровень Н среды 1, вычисленный по формулам 1), 2), 3) или 4), логическим вычислительным устройством 11 преобразуется в аналоговые унифицированные сигналы и цифровые коды для индикации на служебном дисплее и передачи на внешние измерительные и регистрирующие устройства.
1
Конструкция зоны средней точности выполнена в виде двух участков и сигнальной пары катушек по той причине, что коэффициент k в формулах 1), 2), 3) зависит от температуры, т.к. с температурой изменяются электропроводность конструкционных материалов - чехла 2, стальных оболочек кабелей, из которых изготовлены обмотки 6 и 7, несущей трубы 3, а также электропроводность контролируемой электропроводной среды 1.
0
В предложенном устройстве в силу симметрии участков температурная погрешность в начале и в конце зоны средней точности приближается к нулю, т.к. при соответствующих величинах уровня Н среды 1 равно или близко к нулю напряжение Е измерительной обмотки. Кроме того, конструктивно проще намотать жесткий кабель в стальной герметичной оболочке диаметром 4÷5 мм на участке длиной около половины высоты зоны средней точности, чем на длине, равной полной высоте этой зоны.
Предлагаемое изобретение позволяет реализовать комплекс требований, предъявляемых к уровнемерам реакторных установок атомных электростанций с жидкометаллическими теплоносителями: обеспечить заданную точность контроля уровня, отслеживать изменение уровня по всей высоте контролируемого диапазона без мертвых зон, минимизировать температурную погрешность уровнемера, уменьшить стоимость уровнемера за счет использования в зоне средней точности для измерительных обмоток и обмоток возбуждения сравнительно коротких отрезков дорогостоящего кабеля по сравнению с длиной кабеля, необходимого для намотки катушек возбуждения и измерительных катушек зоны высокой точности. Потребность в кабеле для катушек составляет ориентировочно 1000 м на метр высоты зоны высокой точности при диметре кабеля 1÷1,5 мм, а для зоны средней точности потребность в кабеле для обмоток примерно 10 м на метр высоты зоны при диаметре кабеля 4÷5 мм.
Температурный диапазон условий работы уровнемеров на АЭС с жидкометаллическими теплоносителями составляет от 200 до 600°C, кроме того, уровнемеры в баке реактора находятся в условиях нейтронного и гамма-излучений очень высокой интенсивности. Приемлемый ресурс работы уровнемера в этих условиях могут обеспечить только чувствительные элементы, катушки и обмотки которых изготовлены из кабелей со стальной нержавеющей оболочкой и минеральной изоляцией между токоведущими жилами и оболочкой. Такие кабели имеют высокую стоимость, соответственно они вносят основной вклад в себестоимость изготовления уровнемеров.