Индуктивный уровнемер Российский патент 2023 года по МПК G01F23/26 

Предполагаемое изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред, преимущественно жидкометаллических теплоносителей, и может быть использовано в реакторных установках атомных станций.

Известен дискретный уровнемер типа «Квант» для контроля уровня натрия в реакторных установках с натриевым теплоносителем. Уровнемер состоит из защитного чехла, внутри которого размещен ряд сигнальных индуктивных катушек. Число катушек определяется дискретностью преобразования в уровень и длиной измерительной части уровнемера. Защитный чехол с сигнальными катушками погружен в контролируемую среду. Каждая из сигнальных катушек включена в схему моста совместно с индуктивными катушками, размещенными снаружи погружной части уровнемера. В одну из диагоналей моста подается переменное напряжение от генератора, с другой снимается выходное напряжение и подается на измеритель сигнала.

Недостатками уровнемера являются большая сложность и трудоемкость балансировки мостов из-за разности длин линий связи от сигнальных катушек до места соединения с катушками, образующими мостовые схемы, зависимость баланса мостов от температуры контролируемой и окружающей среды, в которой находятся катушки, размещенные снаружи погружной части уровнемера, и соответственно, низкая точность измерения уровня.

Известен также уровнемер натрия Квант-10ЭМ [1].

В уровнемер входит первичный преобразователь (ПП), электрическая схема которого содержит n-параллельных измерительных полумостов и один опорный полумост, относительно которого формируются измерительные мосты. Измерительные полумосты состоят из сигнальных катушек, установленных на несущей трубе ПП в зоне действия контролируемой среды, и подстроечных катушек, размещенных в головной части ПП за пределами погружной части. Аналогично устроен опорный полумост, причем опорная катушка установлена на несущей трубе выше верхнего предела диапазона измерения вне зоны действия контролируемой среды.

Все мосты сбалансированы при отсутствии контролируемой среды в зоне действия сигнальных катушек. При работе уровнемера электропроводная среда, воздействуя на электромагнитные поля сигнальных катушек, разбалансирует мосты, сигнальные катушки которых находятся в зоне взаимодействия с контролируемой средой, т.е. под уровнем.

Выходы измерительных полумостов через аналоговые ключи, управляемые с выходов микроконтроллера вторичного преобразователя (ВП), поочередно подключаются к одному из входов инструментального усилителя, на второй вход которого в противофазе подключен выход опорного полумоста. Выход усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер. В аналого-цифровом преобразователе разность сигналов с измерительного и опорного полумостов поочередно преобразуется в цифровой сигнал для дальнейшей обработки и вычисления уровня.

К недостаткам уровнемера Квант-10ЭМ относятся:

- сложность и трудоемкость операций по балансировке мостов;

- температурная погрешность, которая является следствием изменения характеристик измеряемой среды, влияющих на внесенное комплексное сопротивление, и изменение собственных комплексных сопротивлений сигнальных катушек ПП и сопротивлений линий связи сигнальных катушек с подстроенными катушками из-за наличия температурного градиента в зоне измерения, что нарушает баланс мостов и снижает точность измерения уровня.

Применение для катушек в качестве обмоточных проводов с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) типа константана не дает существенного уменьшения погрешности, так как константан обладает высоким удельным сопротивлением, вследствие чего понижается чувствительность из-за резкого уменьшения внесенного сопротивления относительно собственного сопротивления катушки.

Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами за прототип является индуктивный уровнемер электропроводных жидкостей [2].

Уровнемер содержит обмотку возбуждения (ОВ) и измерительную обмотку (ОИ), размещенные в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду. Обмотка возбуждения и измерительная обмотка выполнены в виде соленоидов, представляющих собой индуктивные преобразователи трансформаторного типа. Соленоиды изготовлены из многожильного кабеля, жилы которого изолированы минеральной изоляцией и помещены в металлическую оболочку. 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. В качестве многожильного кабеля можно использовать также жаростойкий термопарный кабель в стальной герметичной оболочке с минеральной изоляцией жил.

При протекании тока в обмотках возбуждения соленоидов на выходе измерительных обмоток возникает сигнал, пропорциональный взаимной индуктивности М между обмотками.

Взаимная индуктивность М максимальна, если на соленоид не воздействует измеряемая среда. По мере «затопления» обмоток соленоида измеряемой средой взаимная индуктивность уменьшается, достигая минимального значения при полностью «затопленных» средой обмотках соленоида. Соответствующим образом меняется выходной сигнал измерительных обмоток соленоидов.

Уровень вычисляется по следующей формуле [2]:

где H_выч - вычисленное значение уровня;

N - число полностью «затопленных» соленоидов;

- длина соленоида;

(Е_вых)_макс - ЭДС на выходе индуктивного преобразователя при отсутствии измеряемой среды в зоне действия обмоток соленоида;

(Е_вых)_мин - ЭДС на выходе индуктивного преобразователя при полностью «затопленных» обмотках соленоида;

Е_вых - ЭДС на выходе индуктивного преобразователя частично «затопленного» соленоида.

В выражении (1) не учтено влияние «паразитной» емкостной составляющей, возникающей за счет ответвления части тока возбуждения через распределенную емкость между обмотками кабеля, которая зависит от длины кабеля намотки соленоида и от температуры среды, в которой находятся соленоиды. Причем при использовании для намотки соленоидов многожильного кабеля распределенная емкость увеличивается пропорционально числу параллельно соединенных жил.

Выходной сигнал измерительной обмотки с учетом емкостной составляющей будет равен

где U_L - информативная составляющая, зависящая от взаимной индуктивности обмоток индуктивного преобразователя;

U_C - «паразитная» емкостная составляющая выходного сигнала.

Величина емкостной составляющей выходного сигнала описывается следующим выражением [3]:

где Z₁, Z₂ - комплексные сопротивления обмотки возбуждения и измерительной обмотки;

Y₁₂ - комплексная проводимость емкостной составляющей выходного сигнала;

I₁ - ток обмотки возбуждения.

Зависимость Z₁, Z₂, Y₁₂, входящих в выражение (3), от температуры может привести к дополнительной температурной погрешности, достигающей 30% и более.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности и надежности измерения уровня и, следовательно, повышение безопасности при эксплуатации объектов, на которых может использоваться уровнемер, за счет исключения зависимости результата измерения уровня от емкостной составляющей выходного сигнала.

Указанная цель достигается тем, что в уровнемер, содержащий индуктивные преобразователи трансформаторного типа, установленные в пределах диапазона измерения в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду, и один индуктивный преобразователь, установленный выше диапазона измерения вне зоны действия контролируемой среды, источник переменного напряжения, к выходу которого подключены параллельно соединенные обмотки возбуждения индуктивных преобразователей, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, информационный вход которого соединен с шиной данных, а информационный выход с шиной управления аналого-цифрового преобразователя, введены ключи, с помощью которых по сигналам управления с дискретных выходов микроконтроллера формируется последовательность дифференциально-трансформаторных преобразователей подключением индуктивных преобразователей, установленных в пределах зоны измерения, к индуктивному преобразователю, установленному выше диапазона измерения, или попарным подключением индуктивных преобразователей со сдвигом на один индуктивный преобразователь.

Устройство предполагаемого изобретения поясняется конструкцией и функциональной схемой, приведенных, соответственно, на фиг. 1 и фиг. 2.

В защитном чехле 1 с шагом h размещены n индуктивных преобразователей трансформаторного типа 2 (ИП₁, ИП₂…ИП_n). Параллельно соединенные обмотки возбуждения 3 всех индуктивных преобразователей 2 подключены к выходу источника переменного напряжения 4. Первые выводы измерительных обмоток 5 индуктивных преобразователей ИП₁, ИП₂…ИП_n-1 через ключи 6, управляемые с выходов 3, 5, 7… микроконтроллера 7, подключены к отрицательному входу усилителя 8, а ИП₂, ИП₃…ИП_n - через ключи 9, управляемые с выходов 2, 4, 6… микроконтроллера 7, к положительному входу усилителя 8. Вторые выводы измерительных обмоток 5 всех индуктивных преобразователей ИП₁, ИП₂…ИП_n объединены, образуя среднюю точку индуктивных преобразователей дифференциально-трансформаторного типа ДТП₁, ДТП₂…ДТП_n-1.

Обмотки возбуждения 3 и измерительные обмотки 5 индуктивных преобразователей ИП₁, ИП₂…ИП_n наматываются в два провода или двухжильным термопарным проводом с минеральной изоляцией. Поэтому выходной сигнал индуктивных преобразователей помимо информативной индуктивной составляющей U_L содержит, как и прототип, «паразитную» емкостную составляющую U_C, которая вычитается при формировании индуктивных преобразователей дифференциально-трансформаторного типа ДТП₁, ДТП₂…ДТП_n-1, образованных последовательным подключением индуктивных преобразователей ИП₁, ИП₂…ИП_n-1 через ключи 6 к «опорному» индуктивному преобразователю ИП_n; при этом выходные сигналы ДТП₁, ДТП₂…ДТП_n-1 определяются из следующего выражения:

где U_макс - напряжение на выходе индуктивного преобразователя, обмотки которого не «затоплены» контролируемой средой;

U_мин - напряжение на выходе индуктивного преобразователя, обмотки которого полностью «затоплены» контролируемой средой;

Δh - длина частично «затопленных» обмоток индуктивного преобразователя.

Для полностью «затопленных» обмоток индуктивных преобразователей

Выходные сигналы ДТП₁, ДТП₂…ДТП_n-1 после усиления усилителем 8 преобразуются аналого-цифровым преобразователем 10 в цифровой код. Цифровой код по сигналам управления с информационного выхода 1 микроконтроллера 7 поступает на информационный вход 2 микроконтроллера 7 для дальнейшей обработки и вычисления уровня.

Уровень Н вычисляется суммированием преобразованных в длину выходных сигналов ДТП, т.е.

где Δh_i - приращение уровня, соответствующее сигналу с ДТП, сигнальный индуктивный преобразователь которого ИП_i находится в зоне действия измеряемой среды;

i - номер индуктивного преобразователя;

n - число индуктивных преобразователей, установленных в защитном кожухе уровнемера.

Возможен также режим измерения уровня с последовательным подключением на отрицательный вход усилителя 8 через ключи 9 первых выводов измерительных обмоток 5 индуктивных преобразователей ИП_i с одновременным подключением на положительный вход усилителя 2 вторых выводов измерительных обмоток 5 индуктивных преобразователей ИП_i+1.

Рассмотрим алгоритм определения уровня в этом режиме.

Если индуктивные преобразователи ИП₁…ИП_i полностью «затоплены» контролируемой средой, а все последующие индуктивные преобразователи, включая ИП_i+1 средой не «затоплены», то уровень

Если индуктивные преобразователи ИП₁…ИП_i полностью «затоплены» контролируемой средой, индуктивный преобразователь ИП_i+1 заполнен частично, а все последующие индуктивные преобразователи средой не «затоплены», то уровень

Если индуктивные преобразователи ИП₁…ИП_i-1 полностью «затоплены» средой, индуктивный преобразователь ИП_i частично «затоплен» средой, а все последующие индуктивные преобразователи средой не «затоплены», то уровень

Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом.

1. Результат измерения уровня не зависит от «паразитной» емкостной составляющей выходного сигнала дифференциально-трансформаторных преобразователей, что обеспечивает более высокую точность измерения и независимость результата измерения от длины кабеля, которым намотаны обмотки индуктивных преобразователей, и от температуры измеряемой среды.

2. Результат измерения не зависит от градиента температуры внутри защитного чехла, в котором размещены индуктивные преобразователи, что обеспечивает более точное измерение уровня.

3. Для повышения безопасности и надежности при измерении уровня возможно сочетание обоих режимов измерения с последующим сравнением результатов и принятием решения о работоспособности уровнемера.

Список литературы

1. Уровнемер индуктивный КВАНТ-10ЭМ. Руководство по эксплуатации СИКТ.407623.004 РЭ.

2. Индуктивный уровнемер электропроводных сред. Патент РФ №2558144.

3. Н.С. Анисимов, М.Г. Козлов, В.Н. Шмигора. Емкостные связи в индуктивных преобразователях трансформаторного типа. «Труды института» №87, НИИТеплоприбор. 1979.

Изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред, преимущественно жидкометаллических теплоносителей, и может быть использовано в реакторных установках атомных станций. Сущность: в защитном чехле 1 с шагом h размещены n индуктивных преобразователей трансформаторного типа 2 (ИП₁, ИП₂…ИП_n). Один индуктивный преобразователь установлен выше диапазона измерения вне зоны действия контролируемой среды. Параллельно соединенные обмотки возбуждения 3 всех индуктивных преобразователей 2 подключены к выходу источника переменного напряжения 4. Уровнемер содержит ключи 6, с помощью которых по сигналам управления с дискретных выходов микроконтроллера 7 формируется последовательность дифференциально-трансформаторных преобразователей подключением индуктивных преобразователей, установленных в пределах зоны измерения, к индуктивному преобразователю, установленному выше диапазона измерения, или попарным подключением индуктивных преобразователей со сдвигом на один индуктивный преобразователь. Технический результат: повышение точности и надежности измерения уровня за счет исключения зависимости результата измерения уровня от емкостной составляющей выходного сигнала. 2 ил.

Уровнемер, содержащий n индуктивных преобразователей трансформаторного типа, установленных в пределах диапазона измерения в защитном чехле, погруженном в контролируемую среду, и один индуктивный преобразователь, установленный выше диапазона измерения вне зоны действия контролируемой среды, источник переменного напряжения, к выходу которого подключены параллельно соединенные обмотки возбуждения индуктивных преобразователей, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, информационный вход которого соединен с шиной данных, а информационный выход - с шиной управления аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что введены ключи, с помощью которых по сигналам управления с дискретных выходов микроконтроллера формируется последовательность дифференциально-трансформаторных преобразователей подключением индуктивных преобразователей, установленных в пределах зоны измерения, к индуктивному преобразователю, установленному выше диапазона измерения, или попарным подключением индуктивных преобразователей со сдвигом на один индуктивный преобразователь.