УРОВНЕМЕР ЖИДКОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2004 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к области контроля уровня жидкометаллических теплоносителей, основная отрасль применения - атомная энергетика.

Известен уровнемер по а.с. №901833, содержащий рабочую и компенсационную обмотки, в каждой из которых содержится проводник-излучатель и проводник-приемник электромагнитного поля, изолированные друг от друга и заключенные в общую защитную оболочку. Коэффициент взаимоиндукции излучателя и приемника зависят от наличия за защитной оболочкой электропроводной среды, соответственно ЭДС, наводимая в приемнике, будет пропорциональна уровню среды.

Недостатком этого уровнемера является небольшая величина изменения сигнала приемника по сравнению с ее начальным значением при нулевом уровне, т.к. приемник и излучатель расположены на близком расстоянии друг от друга и степень влияния среды на их индуктивную связь невелика. Кроме того, в силу зависимости электропроводности жидкого металла от температуры последняя также будет влиять на выходной сигнал датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является патент ФРГ №1290998, в котором излучатель и приемник выполнены в виде двух плоских рамок, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, а пространство между этими обмотками занимает измеряемая среда. Степень экранирования приемника от излучателя зависит от уровня среды, соответственно меняется и выходное напряжение обмотки приемника.

Недостатком рассмотренного уровнемера является сложность его конструктивной реализации для высокотемпературных сред под большим избыточным давлением, каковыми являются контура с жидким металлом атомных энергетических установок. К уровнемерам этих установок предъявляется требование исполнения в виде жесткой, преимущественно трубной конструкции, способной сохранять постоянную геометрию, прочность и быть герметичной во всем диапазоне температур, давлений, динамических воздействий среды и вибраций оборудования. Размещение плоских рамок излучателя и приемника в двух параллельных трубах для выполнения указанных требований приведет к большому удалению их друг от друга и соответственно уменьшению чувствительности уровнемера, а размещение рамок в плоских защитных оболочках не обеспечит жесткость и прочность конструкции уровнемера.

Кроме того, в патенте №1290998 не учитывается влияние частоты тока, питающего излучатель и величины зазора между рамками на погрешность уровнемера. Суть экранирующего воздействия среды на коэффициент взаимоиндукции излучателя и приемника связана с вихревыми токами, наводимыми излучателем в электрических проводниках. Эти токи создают собственное поле, ослабляющее поле излучателя, мерой этого ослабления является глубина затухания δ - расстояние от поверхности проводника, на котором индукция внешнего поля ослабляется в "е" раз, где "е" - основание натуральных логарифмов, равное 2,718. Глубина затухания δ определяется формулой:

где ρ - удельное электросопротивление проводника;

μ - магнитная проницаемость проводника;

f - частота возбуждающего электромагнитного поля.

Если в уровнемере по патенту ФРГ №1290998 расстояние между обмотками излучателя и приемника меньше глубины затухания, то в плоскости приемника будет еще достаточно сильное поле, однако его величина будет зависеть от электропроводности среды, которая в свою очередь меняется с температурой, и соответственно при неизменном уровне будет меняться выходное напряжение обмотки приемника.

Целью настоящего изобретения является полное исключение влияния температурных изменений электропроводности среды на выходное напряжение датчика уровня и соответственно увеличение точности измерения уровня.

Указанная цель достигается тем, что излучатель и приемник выполнены в виде коаксиальных соленоидов, из которых наружный является излучателем, а внутренний - приемником электромагнитного излучения, причем радиальная толщина кольцевого зазора между соленоидами выбрана большей, чем глубина затухания электромагнитного поля в среде при ее электропроводности и выбранной частоте тока, питающего излучатель. Выполнение датчика в виде коаксиальной трубной конструкции позволяет увеличить чувствительность, точность измерения уровня, а также жесткость и прочность конструкции уровнемера.

Повышение чувствительности связано с тем, что поле длинного соленоида. каковым является излучатель, практически полностью сосредоточено внутри соленоида [2], его величина намного больше, чем поле плоской рамки излучателя по патенту ФРГ №1290998. Электромагнитное поле внутри соленоида излучателя, в его части, заполненной измеряемой средой, будет убывать по закону:

где В₀ - индукция поля у поверхности излучателя;

В_х - индукция поля внутри среды на расстоянии х от поверхности излучателя;

х - расстояние от внутренней поверхности излучателя к центру;

δ - глубина затухания электромагнитного поля выбранной частоты в измеряемой среде с учетом ее электропроводности.

Вычисленное по приведенному выражению ослабление поля, т.е. отношение для различных расстояний х, приведено в таблице.

Как видно из таблицы, поле внутри среды по мере удаления от внутренней стенки излучателя к центру резко ослабевает, составляя на расстоянии 3δ 5% от начального значения, а для 5δ и более остаточное поле менее 1%. Таким образом, если внутрь соленоида-излучателя, заполненного измеряемой средой, поместить соленоид-приемник, то ЭДС, наводимая в его части, погруженной в среду, будет меньше, чем в "сухой" части приемника той же длины во столько раз, во сколько ослабляется поле в соответствии с таблицей. Поле внутри "сухой" части соленоида излучателя практически постоянно в любой точке [1]. Если радиальная толщина слоя среды составляет 4δ или более, то ослабление поля и соответственно уменьшение ЭДС соленоида приемника в его погруженной части составит 50 и более раз, а влияние изменений электропроводности с температурой на ЭДС приемника ослабевает еще сильнее. При таких радиальных зазорах между излучателем и приемником изменение уровня среды от минимального до максимального, равного высоте излучателя и приемника, будет изменять выходное напряжение приемника от начального значения до практически нулевого. И не будет зависеть от температуры среды. Если не требуется большая точность измерения или электропроводность среды мало меняется с температурой, толщину слоя можно уменьшить до величины, которая обеспечит заданную погрешность измерения. При этом можно уменьшить диаметр излучателя при заданном диаметре приемника.

Жесткость и прочность предложенного датчика уровня обеспечивается его коаксиальной трубной конструкцией.

Устройство и работа уровнемера поясняется чертежом.

В резервуар 1 с измеряемой средой 2 установлен уровнемер, содержащий соленоид-излучатель 4 в защитной коаксиально-трубной оболочке 3, соленоид-приемник 6 в защитной трубе 5, размещенной внутри излучателя с радиальным зазором 7. Для сообщения газовых полостей внутри и снаружи излучателя в его защитной оболочке предусмотрено окно 8. Выводы соленоида-излучателя 4 подключены к генератору переменного тока 9, а выводы соленоида-приемника 6 - к измерителю переменного напряжения 10.

Работа уровнемера происходит следующим образом. При низком уровне среды 2, когда излучатель 4 и приемник 6 находятся выше поверхности жидкого металла, в приемнике, находящемся в поле излучателя, наводится начальная переменная ЭДС, величина которой определяется током излучателя и ослаблением поля за счет вихревых токов в металлических защитных оболочках 3 и 5 излучателя 4 и приемника 6. "Прозрачность" защитных оболочек зависит от их электропроводности и частоты электромагнитного поля. Электропроводность металла оболочек, в свою очередь, зависит от температуры. У наиболее распространенной конструкционной стали Х18Н10Т электропроводность в диапазоне рабочих температур от 300 до 500°С меняется примерно на 10%, что при расчете ослабления магнитного поля по ранее приведенной формуле индукции дает изменение поля на 5%. Таким изменением при грубых измерениях уровня можно пренебречь, а для точных измерений ввести коррекцию по температуре или стабилизировать поле приемника с помощью дополнительного соленоида-приемника, расположенного в оболочке 5 в ее верхней части, находящейся выше максимально возможных значений уровня (не показана).

При увеличении уровня и частичном "затоплении" соленоидов излучателя и приемника в затопленной части приемника ЭДС будет близкой к нулю. Степень приближения к нулю будет зависеть от величины зазора 7, частоты поля и электропроводности среды в соответствии с таблицей. Таким образом ЭДС приемника будет линейно уменьшаться с ростом уровня от начального значения до нуля, что позволит с высокой точностью измерять уровень, т.к. исключается главная составляющая погрешности измерения - переменная электропроводность измеряемой среды, а она у жидкометаллических теплоносителей меняется не только от температуры, но и от наличия примесей, которые неизбежно накапливаются в теплоносителе во время работы энергетической установки.

Использование предложенного изобретения позволит увеличить точность измерения уровня в широком диапазоне температур и давлений контролируемой среды.

Источники информации

1. И. Ламмеранер, М. Штафль. Вихревые токи. Энергия, 1967, стр.34-35.

2. И.В. Савельев. Курс общей физики, том II, Наука, 1966, стр.102-110.

Изобретение относится к области контроля уровня жидкометаллических теплоносителей и может быть использовано преимущественно в атомной энергетике. Уровнемер жидкого металла содержит излучатель и приемник электромагнитного излучения, окруженные защитными оболочками и погруженные в измеряемую среду. Излучатель и приемник выполнены в виде коаксиальных соленоидов, из которых наружный является излучателем, а внутренний - приемником. Радиальная толщина кольцевого зазора между защитными оболочками соленоидов выбрана большей, чем глубина затухания электромагнитного излучения для выбранной частоты тока излучателя с учетом электропроводности измеряемой среды. Технический результат состоит в исключении влияния электропроводности среды на выходное напряжение датчика уровня, увеличении точности измерения уровня. 1 ил., 1 табл.

Уровнемер жидкого металла, содержащий излучатель и приемник электромагнитного излучения, окруженные защитными оболочками и погруженные в измеряемую среду, отличающийся тем, что излучатель и приемник выполнены в виде коаксиальных соленоидов, из которых наружный является излучателем, а внутренний приемником, причем радиальная толщина кольцевого зазора между защитными оболочками соленоидов выбрана большей, чем глубина затухания электромагнитного излучения для выбранной частоты тока излучателя с учетом электропроводности измеряемой среды.