ИНДУКТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2005 года по МПК G01F23/26 

Предлагаемое изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред и может быть использовано преимущественно для измерения уровня жидких металлов в металлургии и атомной энергетике.

Известен уровнемер жидкого металла по патенту ФРГ №1210998, кл.42е34, состоящий из двух плоских обмоток, погруженных на некотором расстоянии друг от друга в контролируемую среду, в котором одна из обмоток питается переменным напряжением и является обмоткой возбуждения, а другая - измерительной обмоткой, выходное напряжение которой меняется с изменением уровня вследствие экранирующего воздействия электропроводной среды.

Недостатком этого уровнемера является необходимость иметь в составе уровнемера для каждой из обмоток свой плоский защитный чехол, что не обеспечивает необходимую жесткость конструкции, кроме того, защитные чехлы в соответствии с принципом действия уровнемера должны располагаться с небольшим зазором друг от друга. Такая конструкция оказывается неработоспособной в промышленных условиях эксплуатации вследствие зашлаковывания зазора примесями в контролируемом жидком металле. Например, при контроле уровня натрия в жидкометаллических контурах атомных электростанций (АЭС) в протяженных плоских зазорах высаживаются окислы натрия, и уровнемер теряет чувствительность к уровню контролируемой среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является уровнемер по а.с. №901833, кл. G 01 F 23/26, в котором обмотка возбуждения и измерительная обмотка размещаются в общем цилиндрическом герметичном защитном чехле, погруженном в контролируемый жидкий металл. В этом уровнемере обмотка возбуждения и измерительная обмотка являются жилами одного жаростойкого кабеля, выполненного в виде нержавеющей металлической оболочки, внутри которой находятся две токоведущие жилы, изолированные друг от друга и от оболочки минеральной изоляцией на основе окиси магния. Индуктивная связь между обмотками зависит от уровня жидкого металла снаружи цилиндрического чехла, т.к. вихревые токи, наводимые в металле под действием обмотки возбуждения, ослабляют ее электромагнитное поле, соответственно изменяется ЭДС, наводимая в измерительной обмотке.

Недостатком уровнемера по а.с. 901833 является невысокая чувствительность, которая является следствием близкого расположения обмоток друг от друга и, соответственно, достаточно высокого коэффициента их взаимоиндукции, слабо зависящего от наличия жидкого металла за стенкой защитного чехла. Указанная особенность рассматриваемого уровнемера поясняется схемой его работы, приведенной на фиг 1. В поперечном разрезе уровнемер представляет собой защитный чехол 1, внутри которого закреплен рабочий элемент датчика. Рабочий элемент представляет собой спираль из жаростойкого кабеля в металлической оболочке 2, прижатую изнутри к стенке защитного чехла 1. Внутри оболочки 2 находятся проводник 3 обмотки возбуждения и проводник 4 измерительной обмотки. Пространство между оболочкой 2 кабеля и проводниками 3 и 4 заполнено минеральной изоляцией 5. При протекании по проводнику 3 переменного тока вокруг него возникает электромагнитное поле, изображенное на фиг. 1 в виде концентрических окружностей В вокруг проводника 3.

Из электротехники известно, что величина индукции поля вокруг проводника с током обратно пропорциональна расстоянию от центра проводника. Как видно из фиг.1, большая часть силовых линий поля В проводника 3 охватывает проводник 4 измерительной обмотки, не заходя в зону контролируемого жидкого металла 6, и, соответственно, наличие или отсутствие металла 6 не влияет на эту часть поля В. Только небольшая часть силовых линий поля, охватывающая проводники 3 и 4, проходит через металл 6, соответственно ее изменение при наличии металла и определяет полезную часть сигнала, наводимого в проводнике 4. Часть поля В, не выходящая в зону контролируемого металла 6, не несет информации об уровне и в то же время является источником температурной погрешности уровнемера, т.к. наиболее часто используемые для оболочек кабеля и защитного чехла нержавеющие стали имеют значительный температурный коэффициент электропроводности, а изменение электропроводности конструкционных материалов, находящихся в поле проводника 3 обмотки возбуждения, приводит к изменению сигнала измерительной обмотки 4, как и при изменении уровня.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности уровнемера за счет увеличения отношения сигнал-шум, а основным источником шума индуктивного уровнемера в соответствии с рассмотренной схемой его работы является температурная составляющая.

Для достижения поставленной цели в уровнемере, содержащем обмотку возбуждения и измерительную обмотку, заключенные в защитный чехол, погруженный в контролируемую среду, проводники измерительной обмотки отнесены от проводников обмотки возбуждения на расстояние больше, чем суммарная толщина радиуса оболочки кабеля и стенки защитного чехла.

Работа предлагаемого устройства поясняется схемой, приведенной на фиг 2, на которой уровнемер представлен в поперечном разрезе. Внутри защитного чехла 1 размещены спираль проводника 3 обмотки возбуждения и спираль проводника 4 измерительной обмотки, заключенные в оболочки 2 и изолированные от оболочек 2 минеральной изоляцией 5. Защитный кожух 1 помещен в контролируемую среду 6.

Проводник 3, питаемый переменным током, создает переменное магнитное поле В, часть силовых линий которого, обозначенных как 7, 8, 9, замыкаются внутри защитного чехла 1, не выходя в контролируемый жидкий металл 6, а часть силовых линий поля В, обозначенных как 10, 11, 12, выходят в металл 6. Проводник 4 измерительной обмотки размещен на таком расстоянии L от проводника 3, что он охватывается только линиями поля 10, 11, 12, выходящими в контролируемый металл 6. Соответственно и индуцируемое в проводнике 4 переменное напряжение будет определяться только той частью поля В, которая проникает в контролируемый металл, и не будет зависеть от поля внутри наружной поверхности защитного чехла 1. Соответственно доля полезного сигнала в измерительной обмотке 4 предложенного уровнемера будет существенно больше, чем в уровнемере, схема которого показана на фиг 1. Как видно из схемы, приведенной на фиг 2, до контролируемой среды 6 не доходят те линии поля 7, 8, 9, которые отстоят от проводника 3 на расстоянии меньшем, чем суммарная толщина радиуса оболочки 2 кабеля и толщина оболочки защитного чехла 1. Измерительная обмотка 4 находится вне силовых линий 7, 8, 9 поля В и охватывается только линиями 10, 11, 12 поля, замыкающимися через контролируемый металл 6. Чем дальше разнесены проводники 3 и 4, т.е. чем больше величина L, тем большая часть длины силовых линий, охватывающих проводник 4, будет проходить по жидкому металлу 6 и, соответственно, больше доля вклада измеряемой среды в величину ЭДС измерительной обмотки 4. С другой стороны, увеличение расстояния L ведет к уменьшению индукции поля в зоне измерительной обмотки 4. Наиболее оптимальное удаление измерительной обмотки 4 от обмотки возбуждения 3 лежит в интервале 1-10 сумм толщины стенки защитного чехла 1 и радиуса оболочки 2 кабеля с проводником 3 обмотки возбуждения. Фактически в предложенном устройстве жидкий металл выполняет роль экрана между обмотками 3 и 4, хотя и находится снаружи защитного чехла 1. Таким образом, в предлагаемом изобретении совмещаются высокая чувствительность устройства по патенту ФРГ №1210998 и конструктивные преимущества устройства по а.с. 901833, в то же время устранены ранее рассмотренные недостатки этих уровнемеров.

Конструктивно предложенное устройство может быть реализовано в виде соленоидов или в виде удлиненных прямоугольных параллельных рамок. Такая конструкция изображена на фиг 3, одна из рамок образованна проводниками обмотки возбуждения 3, а другая - проводниками измерительной обмотки 4. Проводники рамок располагаются друг от друга на расстоянии L, оптимальная величина которого находится в интервале от 1 до 10 сумм толщины стенки защитного чехла 1 и радиуса оболочки 2 кабеля обмотки возбуждения 3. Количество рамок обмотки возбуждения и измерительной обмотки может быть различным в зависимости от внутреннего диаметра защитного чехла, важно, чтобы расстояние L между ними соответствовало paнее указанному отличительному признаку предлагаемого изобретения. На фиг 3 приведена конструкция уровнемера с одной рамкой обмотки возбуждения 3 и двумя рамками измерительной обмотки 4. Изменение уровня Н вызывает изменение выходного напряжения измерительной обмотки 4.

Обмотки возбуждения и измерительная могут быть выполнены также в виде соленоидов одинакового диаметра с достаточно большим шагом витков, размещенных внутри защитного чехла таким образом, что витки соленоида измерительной обмотки находятся между витками обмотки возбуждения на ранее указанном расстоянии. Уровнемер такой конструкции изображен на фиг 2.

Чувствительность уровнемера можно еще более увеличить, если обмотки возбуждения и измерительную разместить между двумя коаксиальными трубами, погруженными в жидкий металл так, что он может заполнять внутреннюю трубу. В этом случае роль защитного чехла выполняют обе трубы, но в верхней части уровнемера должно быть окно 14, сообщающее между собой полости внутри внутренней трубы и снаружи наружной трубы, чтобы обеспечить принцип сообщающихся сосудов. Такая конструкция приведена на фиг 4. Обмотки 3 и 4 размещаются в зазоре между трубами или внутри канавок, выполненных в стенках труб. В зависимости от глубины канавок зазор между трубами может быть уменьшен до нуля, тогда защитный чехол будет представлять собой толстостенный полый цилиндр, внутри стенок которого заключены обмотки.

Если необходимо измерять уровень в сосуде небольшого диаметра с относительно тонкими стенками, то роль защитного чехла может выполнять сам этот сосуд, а обмотка возбуждения и измерительная обмотка крепятся снаружи чехла, как показано на фиг 5, причем обмотки могут быть как рамочной, так и соленоидной конструкции.

Большинство уровнемеров, используемых для контроля уровня жидкого металла в установках атомной энергетики, используются для контроля уровня в баках, имеющих так называемую газовую подушку - объем в верхней части бака, заполненный газом, который при нормальных условиях эксплуатации не может заполняться жидким металлом. В этом объеме температура за счет конвекции газа будет близкой к температуре ниже находящегося жидкого металла.

Если в верхней части защитного чехла уровнемера, находящейся выше диапазона изменений уровня металла, поместить дополнительную обмотку, расположенную на таком же расстоянии от обмотки возбуждения, как и измерительная обмотка, и использовать сигнал дополнительной обмотки для стабилизации поля, создаваемого обмоткой возбуждения, то можно практически полностью исключить температурную погрешность уровнемера, связанную с температурной зависимостью электропроводности конструкционных материалов датчика.

Устройство такого уровнемера показано на фиг 3. Дополнительная обмотка 13 находится выше максимально возможного положения уровня Н_макс среды 6. Сигнал с обмотки 13 используется для управления током обмотки возбуждения 3. В этом случае изменение электропроводности конструкционных материалов датчика уровня при изменении температуры будет компенсироваться изменением тока, питающего обмотку возбуждения 3, так что индукция поля "сухой" части датчика будет всегда постоянной. При изменении уровня будет меняться только индукция поля "затопленной" части уровнемера и пропорционально будет меняться выходной сигнал измерительной обмотки 4.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит получить высокие метрологические характеристики уровнемера и одновременно обеспечить необходимую прочность, жесткость конструкции и надежность работы датчика, необходимые в промышленных условиях эксплуатации.

Изобретение относится к области контроля уровня электропроводных жидкостей и может быть использовано преимущественно в атомной энергетике и металлургии. Сущность: уровнемер содержит обмотку возбуждения, питаемую переменным током, и измерительную обмотку, подключенную к измерителю переменного напряжения. Обе обмотки заключены в защитный чехол, помещенный в контролируемую электропроводную среду. Для обеспечения высокой чувствительности к уровню среды и уменьшения температурной погрешности от влияния конструкционных материалов проводники измерительной обмотки отнесены от проводников обмотки возбуждения на расстояние, составляющее от одной до десяти сумм толщины оболочки защитного чехла и радиуса оболочки кабеля обмотки возбуждения. Предложены различные варианты конструктивного исполнения уровнемеров, как с соленоидными, так и с рамочными обмотками Технический результат: уменьшение погрешности уровнемера за счет увеличения отношения сигнал-шум. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Индуктивный уровнемер, содержащий обмотку возбуждения и измерительную обмотку, заключенные в защитный чехол, погруженный в контролируемую среду, отличающийся тем, что проводники измерительной обмотки удалены от проводников обмотки возбуждения на расстояние, составляющее от одной до десяти сумм толщины оболочки защитного чехла и радиуса оболочки кабеля обмотки возбуждения.2. Индуктивный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что защитный чехол выполнен в виде герметичного стакана.3. Индуктивный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что защитный чехол выполнен в виде двух коаксиальных труб, между которыми размещены проводники обмотки возбуждения и измерительной обмотки, причем контролируемая среда заполняет полости внутри внутренней трубы и снаружи наружной трубы, а в верхней части чехла расположено отверстие, сообщающее указанные полости.4. Индуктивный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что роль защитного чехла выполняет резервуар с контролируемой средой, а обмотка возбуждения и измерительная обмотка закреплены снаружи резервуара.5. Индуктивный уровнемер по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и измерительная обмотка выполнены в виде удлиненных плоских, параллельно установленных рамок, причем высота рамок больше или равна диапазону измерений уровня.6. Индуктивный уровнемер по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и измерительная обмотка выполнены в форме соленоидов одного диаметра, причем витки измерительной обмотки расположены между витками обмотки возбуждения, а длина соленоидов равна или больше диапазона измерений уровня.7. Индуктивный уровнемер по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что он содержит дополнительную обмотку, расположенную выше верхнего положения уровня, ориентированную относительно обмотки возбуждения аналогично измерительной обмотке и управляющую через электронную схему током обмотки возбуждения, причем обмотка возбуждения охватывает зоны расположения измерительной и дополнительной обмоток.