ИНДУКТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2008 года по МПК G01F23/26 

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

Известен дискретный уровнемер типа "Квант" для контроля уровня натрия в реакторных установках с натриевым теплоносителем. Схема этого уровнемера представлена на фиг 1. Уровнемер состоит из защитного чехла 1, внутри которого размещен ряд индуктивных катушек 2. Защитный чехол с катушками погружен в контролируемую среду 3. Каждая из индуктивных катушек 2 включена в схему моста совместно с индуктивными катушками L1, L2, L3, размещенными снаружи уровнемера вне зоны влияния уровня среды 3. В одну из диагоналей моста подается переменное напряжение от генератора Г, с другой снимается выходное напряжение и подается на измеритель сигнала ИС.

Вокруг катушки 2 создается переменное электромагнитное поле В, часть силовых линий которого 4, 5, 6 замыкаются вокруг витков катушки 2 внутри наружной стенки защитного чехла 1, а часть силовых линий 7, 8 выходит за наружную стенку чехла 1. Если катушка 2 находится выше уровня среды 3, то ее индуктивность зависит от электромагнитных свойств защитного чехла 1, если катушка 2 находится в чехле 1 ниже уровня среды 3, то ее индуктивность зависит от электромагнитных характеристик как чехла 1 так и измеряемой среды 3. При настройке измерительных схем мосты, содержащие катушки 2, балансируются по индуктивности катушек 2 при "сухом" чехле, т.е. при отсутствии измеряемой среды 3. При увеличении уровня часть нижних катушек 2 окажется в "затопленной" зоне чехла 1, их индуктивность за счет вихревых токов в среде 3 уменьшится, соответствующие мосты разбалансируются, появление небаланса моста измерительной схемой уровнемера преобразуется в индикацию "затопления" соответствующей катушки. Датчик уровнемера содержит несколько десятков катушек 2, закрепленных внутри чехла 1 на разной высоте в диапазоне изменений уровня среды 3. Измерительная схема уровнемера по числу "затопленных" катушек определяет величину уровня.

Недостатком описанного уровнемера является его чувствительность к электромагнитным характеристикам чехла. При изменении температуры чехла 1, изготовленного, как правило, из нержавеющей стали, его электропроводность также меняется, соответственно меняется индуктивность катушки 2. Это связано с тем, что через чехол 1 замыкаются силовые линии 4, 5, 6 наиболее напряженной части поля В, соответственно вихревые токи в чехле 1 оказывают более сильное влияние на индуктивность катушки 2, чем вихревые токи в среде 3.

В широком диапазоне рабочих температур среды 3 возможны ложные сигналы о "затоплении" или "осушении" катушек 2, т.к. изменения индуктивности катушек от влияния среды 3 и чехла 1 будут соизмеримы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является индуктивный уровнемер по патенту РФ №2252397.

Этот уровнемер содержит обмотку возбуждения, питаемую переменным током, и измерительную обмотку, сигнал которой используется для определения уровня. Обе обмотки размещаются в защитном чехле и удалены друг от друга на такое расстояние, при котором измерительная обмотка охватывается только линиями поля обмотки возбуждения, проходящими через контролируемую среду. Таким образом уменьшается погрешность от влияния электромагнитных свойств чехла и металлических оболочек кабелей, из которых выполнены обмотки. Для компенсации температурной погрешности в состав датчика введена дополнительная компенсационная обмотка, расположенная в чехле выше максимальных величин измеряемого уровня.

Указанный уровнемер имеет высокие метрологические характеристики при стационарном температурном поле внутри емкости с измеряемой средой и отсутствии значительных температурных градиентов по высоте защитного чехла, в противном случае компенсационная обмотка не обеспечит полную компенсацию влияния чехла на измерительную обмотку, что вызовет появление температурной погрешности показаний уровнемера. Кроме того, наличие дополнительной компенсационной обмотки увеличивает высоту датчика и может вызвать ложные показания уровнемера, если в аварийных ситуациях уровень в емкости поднимется выше рабочего диапазона и достигнет компенсационной обмотки.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение точности измерения уровня и снижения его температурной погрешности до величины, не выходящей за пределы основной погрешности.

Для достижения поставленной цели в уровнемере, содержащем обмотку возбуждения и измерительную обмотку, заключенные в защитный чехол, погруженный в контролируемую среду, обмотка возбуждения выполнена в виде ряда отдельных индуктивных катушек, закрепленных в защитном чехле, а измерительная обмотка выполнена в виде ряда катушек, индуктивно связанных с катушками обмотки возбуждения, причем измерительные катушки удалены от катушек возбуждения на расстояние, большее толщины оболочки защитного чехла.

Работа предлагаемого устройства поясняется схемой, приведенной на фиг 2. Внутри защитного чехла 1 размещены катушка 2 обмотки возбуждения и катушка 9 измерительной обмотки. Катушка 2 подключена к генератору переменного тока Г, катушка 9 - к измерителю сигнала ИС. Расстояние L между катушками выбрано большим, чем толщина оболочки защитного чехла δ. Переменный ток в катушке возбуждения Г создает вокруг витков этой катушки переменное электромагнитное поле В, часть силовых линий которого 4, 5, 6 замыкается внутри наружной поверхности защитного чехла 1 и не несет информацию о наличии или отсутствии жидкого металла 3. Другая часть силовых линий 7 и 8 частично проходят вне защитного чехла 1, охватывая витки измерительной катушки 9. При этом в катушке 9 наводятся переменная ЭДС, величина которой пропорциональна индукции поля в зоне этой катушки. Если катушки 2 и 9 находятся в "сухой" зоне чехла 1, то ЭДС катушки 9 при прочих постоянных параметрах зависит от расстояния L между катушками 2 и 9 и в меньшей степени от электромагнитных свойств чехла 1, т.к. доля длины силовых линий 7 и 8, приходящаяся на оболочку чехла 1, невелика.

Если катушки 2 и 9 находятся в "затопленной" части чехла 1, то за счет вихревых токов в жидком металле 3 силовые линии 7 и 8 значительно ослабляются вследствие появления в жидком металле вихревых токов, наведенных полем В. В результате величина ЭДС измерительной катушки уменьшится. Таким образом, "затопление" чехла в зоне катушек 2 и 9 вызывает уменьшение ЭДС катушки 2. При правильном выборе частоты поля В ЭДС уменьшается в 3÷5 раз при близком расположении катушек 2 и 9 и в 10÷20 и более раз при достаточном их удалении, т.е. при увеличении L. Для сравнения, изменение индуктивности катушки 2 на фиг 1 при ее "затоплении" составляет не более 10÷15%, следовательно надежность индикации "затопления" очередной катушки 9 в предлагаемом устройстве во много раз выше, чем в устройстве на фиг 1. Изменение электропроводности чехла 1 и контролируемого жидкого металла во всем диапазоне рабочих температур незначительно влияют на степень ослабления сигнала катушки 9 при ее "затоплении", поэтому существует достаточно широкий интервал изменения ЭДС катушки 9, свидетельствующий о ее "затоплении" при любых значениях температур среды 3. Например, при 200°С ЭДС катушки 9 при ее "затоплении" уменьшается со 100 до 10 мВ, а при 500°С - со 110 до 20 мВ. Выбрав в качестве индикатора затопления величину ЭДС в интервале от 30 до 90 мВ, можно с абсолютной надежностью констатировать, что уровень жидкого металла 3 выше или ниже зоны размещения катушек 2 и 9.

При увеличении расстояния L степень ослабления сигнала катушки 9 при ее "затоплении" будет увеличиваться, но при этом уменьшается начальное значение сигнала. При сближении катушек 2 и 9 величина ЭДС сухой катушки 9 увеличивается, но уменьшается степень ослабления этой ЭДС при "затоплении" катушки. Наиболее оптимальным расстояние L между катушками 2 и 9 будет в интервале от толщины δ стенки защитного чехла до трех диаметров катушки 2. В этом интервале достаточно высоки уровни сигналов, что уменьшает влияние электрических помех, в то же время степень ослабления сигналов "затопленных" катушек достаточно высока и позволяет вычислять как дискретную так и аналоговую части сигнала датчика.

Конструкция и функциональная схема предлагаемого уровнемера представлены на фиг.3. В защитном чехле 1, погруженном в емкость с измеряемым жидким металлом 3, закреплены на фиксированных расстояниях L поочередно катушки возбуждения 2 и измерительные катушки 9. Катушки возбуждения 2 подключены к генератору переменного тока Г, а измерительные катушки 9 - к схеме дискретно - аналогового преобразователя сигнала. Расстояние L между катушками больше, чем толщина стенки защитного чехла δ, но меньше трех диаметров D катушек возбуждения 2.

На фиг.3 представлена конструктивная схема уровнемера, у которого катушки возбуждения 2 и измерительные катушки 9 размещены соосно внутри защитного чехла 1, причем катушки 9 расположены между катушками 2.

Работа уровнемера происходит следующим образом. При нулевом уровне среды 3 все катушки 9 "осушены", их ЭДС при этом максимальна. При повышении уровня катушки 9 поочередно "затопляются", их сигнал уменьшается, дискретно-аналоговый преобразователь определяет количество полностью затопленных катушек 9 и величину уровня над верхней "затопленной" катушкой.

Работа дискретно-аналогового преобразователя поясняется графиками сигналов катушек 9, приведенными на фиг.4. На этих графиках представлена ЭДС двух соседних катушек 9 при изменении уровня в зоне их расположения. При величинах уровня ниже зоны расположения катушек 9 величина их ЭДС будет максимальна - Е_max. По мере "затопления" катушки возбуждения 2, расположенной ниже нижней катушки измерительной 9 величина ЭДС E_9-1 последней начнет уменьшаться и при полном ее "затоплении" составит величину Е_min, при этом величина ЭДС Е_9-2 следующей катушки 9 пока останется на уровне E_max и начнет уменьшаться при затоплении следующей катушки возбуждения 2, а минимального значения E_min достигнет при полном затоплении второй катушки 9. Если сигналы катушек 9 подавать на первые входы компараторов, а на вторые их входы подавать напряжение Е_пр, причем Е_max>Е_пр>Е_min, то компараторы будут переключаться по мере затопления соответствующих катушек 9. Суммируя сигналы компараторов, получим дискретный сигнал величины уровня среды 3. При этом погрешность контроля уровня составит величину, равную ±L. Точность контроля можно повысить, используя зависимость ЭДС катушек 9 от уровня при его изменении в зоне расположения этих катушек, т.е. при их частичном "затоплении". Как видно из графиков фиг.4, при движении уровня от катушки возбуждения 2 к ближайшей верхней катушке 9 ЭДС уменьшается и в промежутке между указанными катушками зависимость ЭДС от уровня близка к линейной. Подавая сигнал катушки 9 на вход усилителя, на его выходе получим напряжение, пропорциональное приросту уровня над верхней затопленной катушкой 9.

В соответствии с приведенным алгоритмом на фиг.3 представлена функциональная схема дискретно-аналогового преобразователя. Сигналы с измерительных катушек 9 подаются на компараторы 10 и одновременно на входы коммутатора 11, выход коммутатора 11 подключен к усилителю 12, а выходы компараторов 10 и усилителя 12 подключены ко входу сумматора 13. Коммутатор 11 управляется логической схемой, содержащей логические элементы "исключающее ИЛИ" 14, входы которых подключены к выходам пар компараторов, связанных со смежными катушками 9, а выходы соединены с управляющими входами коммутатора 11.

После затопления очередной катушки 9 на выходе соответствующего компаратора 10 появляется сигнал высокого уровня, а на компараторе 10 соседней верхней катушки 9 остается сигнал низкого уровня. При этом активируется логическая схема 14, связанная с компараторами соседних катушек 9, одна из которых "затоплена", а другая "осушена". Все другие логические схемы 14 будут иметь на выходе сигнал низкого уровня, т.к. связаны с парами катушек либо попарно "затопленных" либо "осушенных". Активированная логическая схема 14 управляет коммутатором 11 таким образом, что он коммутирует на вход усилителя 12 сигнал катушки 9, расположенной над верхней "затопленной" катушкой 9. Таким образом на сумматоре 13 суммируются дискретные сигналы "затопленных" катушек 9 и аналоговый сигнал ближайшей к уровню "сухой" катушки 9. Напряжение на выходе сумматора 13 будет пропорционально величине уровня жидкого металла 3.

Предложенный уровнемер сочетает в себе преимущества дискретного и аналогового уровнемеров - прототипов предлагаемого технического решения и в то же время свободен от их недостатков.

Фиксированное расположение катушек и надежная индикация их "затопления" обеспечивает грубый отсчет уровня, а изменение амплитуды сигнала измерительной катушки, расположенной вблизи уровня измеряемой среды, позволяет отслеживать колебания уровня, меньшие, чем расстояние между катушками.

Температурная погрешность предложенного уровнемера относится только к аналоговой части сигнала, т.е. к диапазону изменения уровня между соседними катушками. Например, если диапазон измеряемого уровня равен 1000 мм, уровнемер содержит 20 катушек, соответственно расстояние между ними 50 мм и температурная погрешность аналоговой части сигнала равна 20%, т.е. 20% от 50 мм, что составляет 10 мм, то общая температурная погрешность уровнемера составит 10:1000=1%.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит получить высокую точность контроля уровня в тяжелых условиях эксплуатации уровнемеров и увеличить ресурс их работы за счет использование в качестве обмоточных проводов катушек кабелей в металлической оболочке с минеральной изоляцией.

Изобретение относится к области контроля уровня жидких металлов и может использоваться преимущественно в атомной энергетике и металлургии. Сущность: уровнемер содержит обмотку возбуждения, выполненную в виде ряда катушек, закрепленных в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду, и ряда измерительных катушек, расположенных между катушками возбуждения на фиксированном расстоянии от них. Величина этого расстояния составляет не менее толщины стенки защитного чехла и не более трех диаметров катушек возбуждения. Сигналы измерительных катушек поступают на дискретно-аналоговый преобразователь, который определяет уровень по сигналам катушек, находящихся как ниже уровня, так и в зоне его текущего положения. Технический результат: в изобретении сочетаются преимущества аналоговых и дискретных уровнемеров, что позволяет обеспечить высокие метрологические характеристики измерителя уровня. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Индуктивный уровнемер, содержащий обмотку возбуждения и измерительную обмотку, заключенные в защитный чехол, погруженный в контролируемую среду, отличающийся тем, что обмотка возбуждения выполнена в виде ряда катушек, размещенных по высоте чехла, а измерительная обмотка также выполнена в виде ряда катушек, индуктивно связанных с катушками обмотки возбуждения, причем измерительные катушки удалены от катушек возбуждения на расстояние, величина которого больше толщины стенки защитного чехла, но не превышает трех диаметров катушек обмотки возбуждения.2. Индуктивный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что катушки измерительной обмотки установлены между катушками обмотки возбуждения.3. Индуктивный уровнемер по п.1 или 2, отличающийся тем, что измерительные катушки подключены ко входам компараторов и сигнальным входам коммутатора, выход коммутатора подключен ко входу усилителя, выходы компараторов и усилителя соединены со входом сумматора, одновременно выходы компараторов, связанных со смежными измерительными катушками, попарно подключены ко входам логических схем "Исключающее ИЛИ", а выходы этих схем подключены к управляющим входам коммутатора.