ИНДУКТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01F23/26 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам измерения уровня электропроводных сред и может использоваться преимущественно для измерения уровня жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике.

Известен уровнемер по патенту РФ №2252397. Этот уровнемер содержит обмотку возбуждения, питаемую переменным током и измерительную обмотку, индуктивно связанную с обмоткой возбуждения и подключенную к измерительной схеме. Обе обмотки размещаются в защитном чехле в зоне изменений уровня контролируемой среды, причем длина измерительной обмотки примерно равна или немного превышает диапазон изменения уровня. Этот уровнемер имеет хорошие метрологические характеристики при стационарной температуре внутри бака и отсутствии значительных температурных градиентов по высоте защитного чехла, однако при нарушении этих условий его температурная погрешность может превышать допустимые по условиям эксплуатации значения. Источниками температурной погрешности являются изменяющиеся с температурой величины электропроводности измеряемой среды и конструкционных материалов уровнемера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является индуктивный уровнемер по патенту РФ №2328704. В этом уровнемере обмотка возбуждения выполнена в виде ряда катушек, закрепленных внутри защитного чехла в зоне изменений уровня, а измерительная обмотка также состоит из цепочки катушек, индуктивно связанных с катушками обмотки возбуждения. Этот уровнемер имеет высокие метрологические характеристики, его температурная погрешность на порядок меньше, чем у уровнемера по патенту РФ №2252397, однако он требует для своего изготовления большого количества дорогостоящего жаростойкого кабеля, так как катушки возбуждающей и измерительной обмоток занимают более половины внутреннего объема защитного чехла в зоне изменений уровня. Кроме того, при конструировании и изготовлении этого уровнемера трудно разместить внутри него канал для перемещения индикатора уровня, необходимого для бездемонтажной поверки уровнемера на месте эксплуатации.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции уровнемера, уменьшение стоимости и трудоемкости его изготовления при сохранении высоких метрологических характеристик.

Указанная цель достигается, что в индуктивном уровнемере электропроводных сред, содержащем обмотку возбуждения и измерительные обмотки, размещенные в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду, обмотки возбуждения и измерительные обмотки выполнены в виде ряда соленоидов, изготовленных из многожильного кабеля и закрепленных внутри защитного чехла в зоне изменений контролируемого уровня, причем часть жил многожильного кабеля каждого из соленоидов подключена к генератору стабильного тока постоянной частоты и образует обмотку возбуждения, а остальные жилы многожильных кабелей каждого соленоида образуют измерительную обмотку и соединены с дискретно-аналоговым вычислителем уровня среды.

Устройство предложенного уровнемера поясняется его конструкцией и электрической схемой, приведенными на фиг.1 и фиг.2, где приняты следующие условные обозначения:

1 - несущий корпус; 2 - соленоид; 3 - защитный чехол; 4 - контролируемая среда (жидкий металл); 5 - отверстия в несущей трубе под выводы соленоидов; 6 - переходные втулки; 7 - гибкие выводы обмоток; 8 - оболочка многожильного кабеля; 9 - минеральная изоляция жил кабеля; 10 - жилы кабеля; 11 - генератор стабильного тока постоянной частоты; 12 - каналы дискретно-аналогового вычислителя уровня; Ф_в - электромагнитный поток обмотки возбуждения; Ф_т - электромагнитный поток вихревых токов; E₁, E₂…E_n - ЭДС, наводимые в измерительных обмотках; C₁, C₂…C_n - секции уровнемеров, I_в - ток обмоток возбуждения, ОВ - обмотка возбуждения; ОИ - обмотка измерительная. Уровнемер состоит из защитного чехла 3, погруженного в контролируемую среду 4. Внутри защитного чехла 3 закреплен несущий корпус 1, представляющий собой трубу с проточками, в которые уложены кабели соленоидов 2, выводы этих кабелей через отверстия 5 пропущены внутрь несущего корпуса 1 и выведены в его верхнюю часть, где жилы кабелей, в переходных втулках 6 распаяны на гибкие провода 7 для подключения внешних электрических цепей от генератора стабильного тока постоянной частоты 11 и дискретно-аналоговых вычислителей уровня 12.

Кабель соленоида 2 состоит из наружной герметичной оболочки 8, внутри которой расположены токоведущие жилы 10, изолированные друг от друга и от оболочки 8 минеральной изоляцией 9, обычно в качестве изоляции 9 используется порошок окиси магния MgO. Каждый соленоид 2 с прилегающими участками несущего корпуса 1 образует секцию уровнемера С₁, С₂…С_n-1, С_n. Количество секций и их длина выбираются в соответствии с диапазоном изменения уровня и заданной погрешностью измерения уровня.

Работа уровнемера происходит следующим образом. Обмотки возбуждения ОВ соленоидов 2 подключены к генератору стабильного тока 11. Стабилизированный ток звуковой частоты I_в, проходя по обмоткам возбуждения ОВ, создает вокруг соленоидов 2 переменное электромагнитное поле Ф_в. Если соленоиды 2 находятся выше уровня H измеряемой среды 4, то вокруг этих соленоидов образуется только электромагнитное поле Ф_в. Если соленоиды 2 находятся ниже уровня H, т.е. «затоплены», то электромагнитное поле Ф_в наводит в электропроводной среде 4 вихревые токи, которые создают свое электромагнитное поле Ф_т, направленное навстречу Ф_в, таким образом результирующее электромагнитное поле в зоне «затопленных» соленоидов равно Ф_в-Ф_т.

В измерительных обмотках ОИ соленоидов 2, находящихся в электромагнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС Е, которая для обмоток ОИ выше уровня H - «сухих обмоток» равна

а для «затопленных» обмоток ОИ равна

Таким образом, ЭДС полностью «затопленных» обмоток измерительных ОИ меньше, чем ЭДС «сухих» обмоток измерительных ОИ. На фиг.1 и фиг.2 полностью «затоплены» соленоиды 2, образующие секции С₁ и С_2, и ЭДС их измерительных обмоток ОИ соответствует (2), а соленоиды 2, образующие секции Сn-1, Сn-2, полностью «сухие» и ЭДС их измерительных обмоток ОИ соответствует (1). Измерительные обмотки ОИ подключены к каналам дискретно-аналогового вычислителя уровня 12, которые по величине ЭДС определяют «затоплены» или «сухие» соответствующие соленоиды 2 и, соответственно, вычисляют дискретную составляющую измеренной величины уровня среды 4. Погрешность дискретной составляющей вычисленного уровня равна половине шага размещения соленоидов 2, т.е. половине длины секции С₁, С₂…С_n. Для повышения точности контроля дискретно-аналоговый вычислитель уровня 12 анализирует величину аналоговой составляющей ЭДС измерительных обмоток ОИ. По мере «затопления» соленоида 2 величина вихревых токов в зоне его расположения изменяется от нулевого значения при «сухом» соленоиде до максимального значения при его полном «затоплении» и соответственно величина Ф_т в формуле (2) также изменяется. Зависимость Ф_т от степени «затопления» соответствующего соленоида 2 близка к линейной. Графики зависимости величины ЭДС измерительных обмоток ОИ от степени их «затопления» приведены на фиг.2. Таким образом, по поступающей на каналы дискретно-аналогового вычислителя уровня 12 информации о величинах ЭДС E₁, E₂…E_n-1, E_n с секцией соответственно С₁, С₂…С_n-1, С_n производится точное вычисление уровня по формуле:

Где H_выч - вычисленное значение уровня;

N - количество соленоидов, у которых ЭДС измерительных обмоток равна минимальной;

L - высота секции (С₁, С₂…С_n);

E_max, E_min - соответственно максимальная (для сухих) и минимальная (для полностью «затопленных») величины ЭДС измерительных обмоток ОИ;

E - величина ЭДС измерительной обмотки ОИ частично «затопленной» секции, находящейся в зоне текущей величины уровня H измеряемой среды 4.

Благодаря учету аналоговой составляющей, вычислитель 12 позволяет определять уровень H с точностью, заданной в технических требованиях к уровнемеру.

Принцип действия предложенного уровнемера аналогичен принципу действия уровнемера по патенту РФ №2252397, в котором обмотка возбуждения и измерительная обмотка составляют одну секцию длиной не менее диапазона измерения уровня, соответственно, погрешность контроля уровня равна погрешности одной секции, отнесенной к ее длине. В предлагаемом уровнемере число измерительных секций равно «n», соответственно общая погрешность контроля уровня в «n» раз меньше, так как шаг секций и их высота известны с абсолютной точностью, а погрешность аналоговой составляющей сигнала - это погрешность определения степени «затопления» одной секции. Преимущество предложенного устройства перед уровнемером по патенту РФ №2328704 - более простая конструкция, в несколько раз меньший расход жаростойкого кабеля, наличие достаточно свободного пространства внутри несущего корпуса 1 для размещения передвижного индикатора уровня, необходимого для периодической поверки уровнемера на месте эксплуатации без остановки технологического процесса и извлечения уровнемера из бака с контролируемой средой. На фиг.1 и фиг.2 показан двухжильный кабель для намотки соленоидов 2. Одна из жил выполняет роль обмотки возбуждения О_в, а другая - роль измерительной обмотки ОИ. Для уровнемера можно использовать и кабели с большим числом жил. Если для обмотки возбуждения в таких кабелях использовать более одной жилы, то их соединяют последовательно, параллельно или по комбинированной схеме для оптимального согласования генератора стабильного тока 11 с сопротивлением обмотки возбуждения О_в. Оставшиеся свободные жилы кабеля используют в качестве измерительной обмотки ОИ, причем их целесообразно соединять последовательно для увеличения выходного сигнала ОИ.

Основное назначение предложенного уровнемера - контроль уровня жидкометаллических теплоносителей - натрия, свинца, сплава свинец - висмут на атомных станциях с реакторами на быстрых нейтронах. Так как диапазон рабочих температур теплоносителей на таких реакторах находится в пределах 300÷600°C, то в качестве кабелей для соленоидов 2 предложенного уровнемера могут использоваться только кабели в стальной нержавеющей оболочке с минеральной изоляцией жил.

Это кабели типов КНМС (нагревательные) или КТМС (термопарные), которые выпускаются российскими и зарубежными заводами для тяжелых температурных условий эксплуатации.

Для подтверждения работоспособности предложенного уровнемера был изготовлен его макет, содержащий 5 однослойных соленоидов, намотанных кабелем КТМС ХК 2×0,06 диаметром 1,5 мм. Испытания макета подтвердили соответствие характеристик уровнемера требованиям условной эксплуатации.

Использование изобретения позволит решить проблему контроля уровня жидкометаллических теплоносителей на перспективных реакторных установках БН-1200, БРЕСТ-300, СВБР-100, так как предложенные уровнемеры имеют высокую эксплуатационную надежность, длительный ресурс работы и высокую точность контроля уровня.

Изобретение относится к устройствам измерения уровня электропроводных сред и может использоваться для контроля уровня жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике. Предложенный уровнемер содержит обмотку возбуждения, соединенную с генератором переменного тока постоянной частоты и измерительную обмотку, подключенную к дискретно-аналоговому вычислителю уровня. Обе обмотки выполнены в виде ряда соленоидов, изготовленных из многожильного кабеля и закрепленных внутри защитного чехла. Часть жил каждого соленоида образует обмотку возбуждения, а остальные - измерительную обмотку. В качестве многожильного кабеля может быть использован жаростойкий, термопарный или нагревательный кабель в стальной герметичной оболочке с минеральной изоляцией жил. По сравнению с известными уровнемерами жидких металлов предлагаемый уровнемер имеет более простую конструкцию при сохранении высоких метрологических характеристик и длительного ресурса работы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Индуктивный уровнемер электропроводных сред, содержащий обмотки возбуждения и измерительные обмотки, размещенные в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду, отличающийся тем, что обмотки возбуждения и измерительные обмотки выполнены в виде ряда соленоидов, изготовленных из многожильного кабеля и закрепленных внутри защитного чехла в диапазоне изменений контролируемого уровня, причем часть жил многожильного кабеля каждого из соленоидов подключена к генератору стабильного тока постоянной частоты и образует обмотку возбуждения, а остальные жилы многожильного кабеля каждого из соленоидов образуют измерительную обмотку и соединены с дискретно-аналоговым вычислителем уровня среды.

2. Индуктивный уровнемер электропроводных сред по п.1, отличающийся тем, что в качестве многожильного кабеля для намотки соленоидов используется жаростойкий термопарный или нагревательный кабель в стальной герметичной оболочке с минеральной изоляцией жил.