ИНДУКТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК G01F23/26 

Предлагаемое изобретение относится к приборам контроля уровня жидких металлов и может использоваться для измерения этого параметра в оборудовании и баках ядерных энергетических установок с реакторами на быстрых и промежуточных нейтронах.

Известен индуктивный уровнемер УИД-1М по патенту РФ №2252397, который применяется для решения этой задачи в буферных баках II контура реакторной установки БН-800 (4-й блок Белоярской АЭС).

Уровнемер по указанному патенту содержит равномерно распределенные по высоте изменения уровня обмотку возбуждения, измерительную и компенсационную обмотки, закрепленные внутри защитного чехла на фиксированном расстоянии друг от друга. Обмотка возбуждения подключена к генератору переменного тока звуковой частоты, а измерительная и компенсационная обмотки, включенные встречно, - к измерителю напряжения. При нулевой величине уровня коэффициент взаимоиндукции обмоток, а значит, и величина ЭДС измерительной и компенсационной обмоток максимальна. При увеличении уровня и «погружении» обмоток в жидкий металл коэффициент взаимоиндукции обмоток уменьшается за счет вихревых токов, наводимых в контролируемой среде переменным электромагнитным полем обмотки возбуждения, соответственно уменьшается ЭДС измерительной обмотки. Степень уменьшения ЭДС пропорциональна высоте «затопленной» части обмоток, т.е. величине уровня.

Компенсационная обмотка служит для уменьшения температурной погрешности уровнемера, она расположена выше диапазона изменения уровня. Уровнемер по патенту РФ №2252397 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.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому устройству является дискретно-аналоговый уровнемер по патенту РФ №2328704.

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 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 и обеспечения погрешности не более 1% от диапазона измерения внутри защитного чехла необходимо будет разместить до 60 пар катушек, т.е. 240 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. На изготовление одного такого уровнемера требуется несколько километров кабеля, намотка катушек осуществляется вручную, т.е. для реализации этой конструкции требуются большие материальные и трудовые затраты, прибор становится чрезвычайно дорогостоящим (от 10 до 14 миллионов рублей за единицу).

Кроме того, сложность конструкции первичного преобразователя снижает его надежность. Достаточно в процессе эксплуатации выйти из строя одной измерительной катушке, как в измеряемом диапазоне образуется неконтролируемый интервал. В процессе опроса катушек мультиплексор доходит до некондиционной катушки, сигнал которой равен нулю, передает его в вычислительное устройство, которое «бракует» нулевой сигнал, прекращает опрос остальных катушек и выдает во внешние цепи сигнал неисправности. Такие случаи были в процессе приемки натрия в сливные баки реакторной установки БН-800 (4-й блок Белоярской АЭС). Единственным способом вернуть работоспособность прибора в этой ситуации является исключение поврежденной катушки из числа опрашиваемых, что означает сознательно допустить наличие «бреши» в диапазоне измерения.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции уровнемера, повышение надежности его функционирования и снижение стоимости его изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что измерительная обмотка выполнена одновитковой короткозамкнутой, в роли которой выступает металлический трубный каркас обмотки возбуждения протяженностью не менее диапазона измерения уровня, на стенке которого с заданной дискретностью по высоте, равной абсолютной погрешности измерения уровня, диаметрально-противоположно один другому установлены электрически соединенные со стенкой каркаса потенциальные электроды (токосъемники), образующие измерительные пары для вывода индуцированных полем возбуждения разностей потенциалов в стенке трубного каркаса, являющихся мерой погружения уровнемера в жидкометаллический теплоноситель, на вход многоканального вторичного прибора.

Пересчет электрических сигналов, поступающих во вторичный прибор, в единицы уровня осуществляется на основе градуировки каждой измерительной пары потенциальных электродов имитационным методом или на стенде с натуральной контролируемой средой.

Устройство предлагаемого уровнемера поясняется представленными на фиг.1 и фиг.2 упрощенной конструкцией его первичного преобразователя и упрощенной электрической схемой соответственно.

Первичный преобразователь уровнемера содержит:

1 - технологический (защитный) чехол;

2 - трубный каркас чувствительного элемента;

3 - стенка трубного каркаса;

4, 4′ - продольные седлообразные обмотки возбуждения;

5 - потенциальные электроды (токосъемники), ℓ - шаг между соседними электродами;

6 - крепежно-дистанцирующие формирователи обмоток возбуждения;

7, 7′ - выводы обмоток возбуждения.

На упрощенной электрической схеме указаны только те элементы, которые позволяют понять сам принцип измерения:

L₁, L₂ - обмотки возбуждения;

R₁, R₂, R₃, …, R_n - сопротивления стенки трубного каркаса, заключенные на шаге между точками присоединения соседних электродов. Устройство вторичного прибора традиционно: он включает в себя генератор 8, мультиплексор 9, усилитель-нормопреобразователь 10, выпрямитель 11, микропроцессор 12, аналого-цифровой преобразователь 13 и цифроаналоговый преобразователь 14.

Фиг.3 иллюстрирует схему включения потенциальных электродов между собой. Каждую измерительную пару образуют электроды, расположенные на трубном каркасе диаметрально-противоположно: 1-1′, 1′-2, 2-2′…, (n-1)′-n. Общее количество электродов, установленных в диапазоне измерения уровнемера Н, равно 2n.

Работа предложенного уровнемера происходит следующим образом.

На обмотки возбуждения L1, L2 (фиг.2) подается переменное напряжение звуковой частоты 6-8 кГц от генератора 8. Стенка трубного каркаса представляет собой короткозамкнутый виток вторичной обмотки трансформатора, первичной обмоткой которого являются L1 и L2. Во вторичной обмотке (стенке каркаса 3 (фиг.1) по закону взаимоиндукции генерируются вихревые токи той же частоты, они создают вторичное электромагнитное поле, действующее встречно электромагнитному полю обмоток возбуждения. ЭДС взаимоиндукции, наведенная в стенке трубного каркаса, на котором намотаны продольные обмотки возбуждения, ставит стенку каркаса 3 под некоторый электрический потенциал φ₀ по отношению к физическому нулю («земле»). При погружении защитного чехла 1 (фиг.1) в жидкий металл вихревые токи начинают генерироваться и в нем, ослабляя поле обмоток возбуждения L1, L2 в значительно большей мере, чем токи в стенке чехла (благодаря большей электропроводности жидкого металла и большей толщине слоя, проницаемого электромагнитным полем обмоток возбуждения). За счет этого потенциал стенки каркаса, «погруженного» в жидкий металл φ_к, становится существенно меньше начального потенциала φ₀. Измеряя разность потенциалов (φ₀-φ_к)=u_i-i′ по стенке трубного каркаса 3 с помощью контактирующих с ней электродов 5, можно определить границу подъема жидкого металла по защитному чехлу 1. Признаком подъема уровня до отметки установки i-го электрода на стенке каркаса является уменьшение начальной разности потенциалов между электродами, образующими измерительную пару в порядке, указанном на фиг.3. Такое включение диаметрально-противоположно установленных электродов позволяет отслеживать уровень с дискретностью ℓ/2 по диапазону измерения Н. Характер изменения разности потенциалов u_i-i′, полученной на модели уровнемера длиной 1200 мм и шагом между противоположными электродами ℓ/2=40 мм, представлен на фиг.4. Ниспадающий участок каждой кривой u_1-1′, u_1′-2…u_(n-1)′-n позволяет отслеживать уровень по диапазону измерения непрерывно, причем сразу по нескольким парам электродов, поскольку кривые u=f(h) имеют перекрывающиеся участки. Это весьма важно с точки зрения надежности контроля уровня, так как выход из строя одного электрода (например, обрыв) не приводит к потере информации об уровне в этом диапазоне и не образует «брешь» в характеристике преобразования уровнемера. Градуировочные характеристики каждой пары электродов получены путем перемещения по защитному чехлу (фиг.1) дюралевого имитатора уровня (толстостенной дюралевой втулки).

Вычислительное устройство вторичного прибора рассчитывает уровень жидкого металла по формуле:

k_i-i′ - коэффициент преобразования измерительной пары, образованной диаметрально противоположными электродами с порядковыми номерами i и i′. Критерии «затопления» электродов выбираются на основе сравнения измеряемой разности потенциалов u_i-i′ с ее первоначальным значением (при отсутствии уровня между электродами (i-i′) пары). Например, для уверенного отсчета количества «затопленных» электродов началом «затопления» можно считать уменьшение разности потенциалов на 20% от первоначального значения, концом «затопления» - уменьшение разности потенциалов до 20% от первоначального значения. По сравнению с наиболее близкими по технической сущности решениями - индуктивными уровнемерами по патентам РФ №2252397 и РФ №2328704 - предложенное устройство значительно проще по конструкции, поскольку роль измерительной обмотки в нем играет стенка монтажного трубного каркаса для крепления продольных обмоток возбуждения, а для получения информации об уровне требуются только электрически соединенные со стенкой токосъемники. Расход дорогостоящего обмоточного провода в предложенном уровнемере на два порядка меньше, трудозатраты на его изготовление в несколько раз меньше, чем у известных устройств. Кроме того, надежность измерений уровня у предложенного устройства существенно выше за счет саморезервирования - перекрытия диапазонов измерения соседних измерительных пар потенциальных электродов.

Изобретение относится к области контроля уровня жидкометаллических теплоносителей реакторных установок атомных станций и исследовательских стендов. Уровнемер содержит обмотку возбуждения, питаемую переменным током звуковой частоты, и измерительную обмотку, заключенные в герметичный защитный чехол, погружаемый в контролируемую среду. Обмотка возбуждения выполнена в виде двух продольных седлообразных катушек индуктивности, навитых на металлическом трубном каркасе протяженностью не менее диапазона измерения уровня. Измерительная обмотка выполнена одновитковой короткозамкнутой и является стенкой трубного каркаса, на котором расположены катушки возбуждения. На стенке каркаса с заданной дискретностью по высоте, равной абсолютной погрешности измерения, диаметрально-противоположно один к другому в промежутках между катушками возбуждения установлены электрически соединенные со стенкой трубного каркаса потенциальные электроды (токосъемники), образующие измерительные пары для вывода индуцированных полем возбуждения разностей потенциалов в стенке каркаса, являющихся мерой погружения уровнемера в жидкометаллический теплоноситель. Потенциальные электроды соединены с входом многоканального вторичного прибора. Технический результат: упрощение конструкции, повышение надежности работы и снижение стоимости изготовления уровнемера. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Индуктивный уровнемер жидкометаллического теплоносителя, содержащий обмотку возбуждения, питаемую переменным током звуковой частоты, и измерительную обмотку, заключенные в герметичный защитный чехол, погружаемый в контролируемую среду, отличающийся тем, что измерительная обмотка выполнена одновитковой короткозамкнутой, в роли которой выступает металлический трубный каркас обмотки возбуждения протяженностью не менее диапазона измерения уровня, на стенке которого с заданной дискретностью по высоте, равной абсолютной погрешности измерения уровня, диаметрально-противоположно один к другому установлены электрически соединенные со стенкой каркаса потенциальные электроды (токосъемники), образующие измерительные пары для вывода индуцированных полем возбуждения разностей потенциалов в стенке трубного каркаса, являющихся мерой погружения уровнемера в жидкометаллический теплоноситель, на вход многоканального вторичного прибора.

2. Индуктивный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения выполнена в виде двух продольных седлообразных катушек индуктивности протяженностью не менее диапазона измерения.