УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к устройству для непрерывного измерения уровня жидкости в сосуде, например в корпусе ядерного реактора.

Известно [1] устройство для измерения уровня жидкости, содержащее протяженный терморезистор, установленный вертикально, и источник электропитания, подключенный к этому терморезистору. С помощью подобного устройства может осуществляться измерение уровня жидкости в сосуде.

Известен также [2] способ измерения уровня жидкого металла, заключающийся в том, что термоэлемент подключают к источнику электроэнергии, погружают его в контролируемую среду, нагревают до температуры, превышающей температуру этой среды, производят измерения и обработку результатов измерений, и устройство для измерения уровня жидкого металла по этому способу, содержащее термоэлемент, включенный в мостовую схему. Основными недостатками указанных устройства, а также способа и устройства являются:
невозможность индикации заполнения сосуда жидкостью доверху (когда свободная поверхность жидкости отсутствует);
отсутствие учета зависимости показаний устройства от входной температуры, давления жидкости и ее скорости, хотя последние существенно влияют на теплопередачу от термоэлемента (терморезистора) к жидкости;
большая инерционность и отсутствие коррекции инерционности сигнала устройства для уменьшения запаздывания изменения сигнала устройства по отношению к уровню жидкости;
нелинейная зависимость изменения сопротивления терморезистора от высоты уровня жидкости из-за существенной температурной зависимости сопротивления нагревателя от уровня жидкости.

В качестве прототипа выбрано известное [3] устройство для непрерывного измерения уровня жидкости, содержащее удлиненный трубчатый массивный корпус, частично погруженный в жидкость, причем жидкость имеет много большую теплопроводность, чем газ, окружающий часть корпуса, находящуюся вне жидкости, герметизированный электрически изолированный проводник, находящийся с корпусом в хорошем тепловом контакте, заделанный на внешней части корпуса и уложенный по спирали, причем электрическое сопротивление проводника изменяется с изменением температуры, устройство для измерения изменений сопротивления проводника, нагреватель внутри названного корпуса, устройство для измерения температуры корпуса и плотно прижатого к нему проводника, устройство для электропитания нагревателя, причем устройство для измерения температуры связано с устройством для электропитания нагревателя так, чтобы поддерживать температуру части корпуса над жидкостью и температуру части корпуса в жидкости при наперед заданном значении их разности. Названный проводник изолирован окисью магния.

Недостатками устройства, выбранного в качестве прототипа, являются значительное запаздывание изменения сигнала устройства по отношению к уровню жидкости, обусловленное в основном массивностью корпуса и наличием контактного термического сопротивления между изолированным проводником и поверхностью корпуса, невозможность индикации заполнения сосуда жидкостью доверху, отсутствие учета зависимости показаний устройства от входной температуры, давления жидкости и ее скорости, существенно влияющих на теплопередачу от корпуса к жидкости (или от корпуса к пару или газу), а следовательно, и на температуру корпуса, нелинейная зависимость измерения сопротивления проводника от высоты уровня жидкости вблизи заполнения сосуда доверху из-за увеличения тока в проводнике и существенной температурной зависимости сопротивления проводника.

Целью изобретения является уменьшение запаздывания изменения сигнала устройства по отношению к уровню жидкости, индикации заполнения сосуда жидкостью доверху и учет зависимости показаний устройства от давления жидкости и ее скорости. Целью изобретения является также обеспечение линейной зависимости изменения сопротивления проводника от высоты уровня жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что корпус выполнен вместе с проводником, нагревателем и двумя датчиками температуры в виде единого кабеля с минеральной изоляцией, обладающей высокой теплопроводностью и малой теплоемкостью, датчики температуры расположены в нижней части корпуса, один выше, а другой ниже нижнего конца нагревателя, устройство регулирования тока накала содержит датчик давления, блоки регулирования в зависимости от входной температуры и давления жидкости, а также от скорости жидкости, определяемой по перепаду температур между частями корпуса в нижней его части, лежащими выше и ниже нижнего нагревателя, устройство измерения электрического сопротивления проводника содержит блок коррекции инерционности сигнала, пропорционального этому сопротивлению.

Поставленная цель достигается также и тем, что нагреватель выполнен из металла со слабой температурной зависимостью электрического сопротивления, например из нихрома.

Предлагаемое устройство позволяет непрерывно с малым запаздыванием по времени контролировать уровень жидкости в сосуде, индицировать заполнение сосуда жидкостью доверху и постоянно контролировать это состояние, учитывать и вносить соответствующие поправки в показания устройства в зависимости от входной температуры, давления жидкости и ее скорости. Устройство обеспечивает зависимость изменения сопротивления проводника от высоты уровня жидкости, близкую к линейной. Тем самым обеспечивается повышенная оперативность и точность контроля жидкости в сосуде.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для непрерывного изменения уровня жидкости в сосуде; на фиг. 2 - полученная при испытании действующего макета устройства зависимость изменения сопротивления проводника от уровня воды в сосуде при постоянном значении тока накала нагревателя; на фиг. 3 - полученная при испытании действующего макета устройства зависимость изменения сопротивления проводника от времени при скачкообразном изменении уровня воды в сосуде без применения и с применением корректирующего устройства.

Устройство для непрерывного изменения уровня жидкости (фиг. 1) содержит расположенный вертикально удлиненный корпус 1, частично или полностью погруженный в жидкость 10, нагреватель 3 внутри корпуса, электрически изолированный проводник 2 с концами, выведенными из сосуда 11, устройство 7 для измерения электрического сопротивления проводника, устройство 8 для измерения температуры корпуса с датчиками 4 и 5 в двух местах по его длине, устройство 6 для электропитания нагревателя и регулирования его тока накала. Корпус 1 выполнен с проводником 2, нагревателем 3 и двумя датчиками температуры 4 и 5 в виде единого триаксиального кабеля с магнезиальной изоляцией. Датчики 4 и 5 температуры расположены в нижней части корпуса 1: один выше, а другой ниже нижнего конца нагревателя 3. Устройство 6 регулирования тока накала содержит блоки регулирования в зависимости от давления и перепада температуры между частями корпуса выше и ниже нижнего конца нагревателя 3 и датчик давления 9. Устройство 7 измерения электрического сопротивления проводника 2 содержит блок коррекции инерционности сигнала, пропорционального этому сопротивлению. Нагреватель 3 выполнен из нихрома.

Устройство работает следующим образом. Если нагреватель включен и установлен постоянный ток накала, то при наличии границы раздела жидкой и паровой фаз часть корпуса, находящаяся вне жидкости, будет нагрета до существенно более высокой температуры, чем часть корпуса, находящаяся в жидкости, из-за большего коэффициента теплоотдачи от корпуса к жидкости, чем от корпуса к пару (газу). При фиксированном положении границы раздела (уровня жидкости) электрическое сопротивление проводника будет постоянно. Смещение границы раздела фаз относительно выбранного начального положения (изменение уровня жидкости) приводит к изменению распределения температуры по длине корпуса и соответствующему изменению сопротивления проводника (фиг. 2), которое измеряется упомянутым выше устройством. При этом на основании результатов контроля температуры жидкости в двух точках оценивается ее скорость и далее с учетом давления жидкости осуществляется регулирование тока накала и в результате коррекция температуры корпуса в целом, позволяющая существенно уменьшить влияние входной температуры, расхода жидкости и ее давления на показания устройства для непрерывного измерения уровня.

В блоке коррекции на основе численного решения совокупности дифференциальных уравнений, описывающих процессы теплопереноса в системе "корпус-жидкость-пар(газ)", осуществляется коррекция инерционности сигнала, пропорционального электрическому сопротивлению проводника. На фиг. 3 представлены полученные при испытании действующего макета устройства зависимости изменения сопротивления проводника от времени при скачкообразном изменении уровня воды в сосуде без применения (кривая 12) и с применением (кривая 13) корректирующего устройства.

Экспериментальные исследования действующего макета устройства для непрерывного изменения уровня жидкости в сосуде показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает повышенную оперативность и точность контроля уровня жидкости в сосуде, а также позволяет постоянно контролировать факт заполнения сосуда доверху.

Источники информации
1. Найденко Ю.П., Маслаков М.Д., Скачков Ю.В. Устройство для измерения уровня жидкости. Авторское свидетельство СССР N 1672228, кл. G 01 F 23/22, 1991.

2. Строкова Н. Н. Способ измерения уровня жидкого металла и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство СССР N 1705704, кл. G 01 F 23/22, 1992.

3. G. H.Reicks. Continuous fluid level measuring apparatus. US Patent N 3324722. Assignee Atomic Power Development Associates, Inc. Filed Dec. 23.1964. Patented June 13, 1967. C1. 73-295.

Изобретение может использоваться для измерения уровня жидкости в корпусе ядерного реактора. Корпус устройства выполнен вместе с проводником, нагревателем и двумя датчиками температуры в виде единого кабеля с минеральной изоляцией. Нагреватель выполнен из нихрома. Устройство содержит блок регулирования тока накала и блок коррекции инерционности сигнала, пропорционального сопротивлению проводника. Устройство позволяет осуществлять индикацию заполнения сосуда доверху, а кроме того, позволяет учитывать поправки за температуру, давление жидкости и ее скорость. Вводится коррекция инерционности сигнала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для непрерывного измерения уровня жидкости в сосуде, содержащее расположенный вертикально удлиненный корпус, нагреватель внутри корпуса, герметизированный электрически изолированный проводник, находящийся в тепловом контакте с корпусом, с концами, выведенными из сосуда, устройство для измерения электрического сопротивления проводника, устройство для измерения температуры корпуса с датчиками в двух местах по его длине устройство для электропитания нагревателя и регулирования его тока накала, отличающееся тем, что корпус выполнен вместе с проводником, нагревателем и двумя датчиками температуры в виде единого кабеля с минеральной изоляцией и частично или полностью погружен в жидкость, датчики температуры расположены в нижней части корпуса, один выше, а другой ниже нижнего конца нагревателя, устройство для электропитания нагревателя и регулирования его тока канала содержит датчик давления, блоки регулирования в зависимости от входной температуры и давления, а также скорости жидкости, определяемой по перепаду температур между частями корпуса выше и ниже нижнего конца нагревателя, устройство измерения электрического сопротивления проводника содержит блок коррекции инерционности сигнала, пропорционального этому сопротивлению. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватель выполнен из металла со слабой температурой зависимостью электрического сопротивления, например из нихрома.