Индуктивный уровнемер

 

Изобретение относится к области контроля уровня жидкометаллических теплоносителей и может быть использовано преимущественно в атомной энергетике. Уровнемер жидкого металла содержит излучатель и приемник электромагнитного излучения, которые выполнены в виде удлиненных прямоугольных рамок, окруженных защитной оболочкой и погруженных в резервуар с измеряемой средой. Обмотка приемника размещена внутри обмотки излучателя в одной с ней плоскости. Толщина слоя контролируемой среды между обмотками приемника и излучателя выбрана в интервале от двух до пяти глубин затухания электромагнитного излучения для выбранной частоты тока, питающего обмотку излучателя, и средней электропроводности среды в диапазоне ее рабочих температур. Технический результат состоит в исключении влияния электропроводности среды на метрологические характеристики уровнемера, увеличении чувствительности и прочности конструкции устройства. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области контроля уровня жидкометаллических теплоносителей, основная отрасль применения - атомная энергетика. Известен уровнемер по а.с. №901833, содержащий рабочую и компенсационную обмотки, в каждой из которых содержится проводник-излучатель и проводник-приемник электромагнитного поля, изолированные друг от друга и заключенные в общую защитную оболочку. Коэффициент взаимоиндукции излучателя и приемника зависят от наличия за защитной оболочкой электропроводной среды, соответственно ЭДС, наводимая в приемнике будет пропорциональна уровню среды.

Недостатком этого уровнемера является небольшая величина изменения сигнала приемника по сравнению с ее начальным значением при нулевом уровне, т.к. приемник и излучатель расположены на близком расстоянии друг от друга и степень влияния среды на их индуктивную связь невелика. Кроме того, в силу зависимости электропроводности жидкого металла от температуры последняя также будет влиять на выходной сигнал датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является патент ФРГ №1290998, в котором излучатель и приемник выполнены в виде двух плоских рамок, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, а пространство между этими обмотками занимает измеряемая среда. Степень экранирования приемника от излучателя зависит от уровня среды, соответственно меняется и выходное напряжение обмотки приемника.

Недостатком рассмотренного уровнемера является сложность его конструктивной реализации для высокотемпературных сред под большим избыточным давлением, каковыми являются контуры с жидким металлом атомных энергетических установок. К уровнемерам этих установок предъявляется требование исполнения в виде жесткой, преимущественно трубной конструкции, способной сохранять постоянную геометрию, прочность и быть герметичной во всем диапазоне температур, давлений, динамических воздействий среды и вибраций оборудования. Размещение плоских рамок излучателя и приемника в двух параллельных трубах для выполнения указанных требований приведет к большому удалению их друг от друга и соответственно уменьшению чувствительности уровнемера, а размещение рамок в плоских защитных оболочках не обеспечит жесткость и прочность конструкции уровнемера. Кроме того, в патенте №1290998 не учитывается влияние частоты тока, питающего излучатель, и величины зазора между рамками на погрешность уровнемера.

Суть экранирующего воздействия среды на коэффициент взаимоиндукции излучателя и приемника связана с вихревыми токами, наводимыми излучателем в электрических проводниках. Эти токи создают собственное поле, ослабляющее поле излучателя, мерой этого ослабления является глубина затухания δ - расстояние от поверхности проводника, на котором индукция внешнего поля ослабляется в "е" раз, где "е" - основание натуральных логарифмов, равное 2,718. Глубина затухания δ определяется формулой:

где ρ - удельное электросопротивление проводника;

μ - магнитная проницаемость проводника;

f - частота возбуждающего электромагнитного поля.

Если в уровнемере по патенту ФРГ №1290998 расстояние между плоскостями излучателя и приемника меньше глубины затухания, то в месте расположения приемника будет еще достаточно сильное поле, но его величина будет зависеть от изменений электропроводности среды под действием переменных температур.

Целью настоящего изобретения является полное исключение влияния электропроводности среды на метрологические характеристики уровнемера, увеличение его чувствительности и прочности конструкции.

Указанная цель достигается тем, что приемник размещен внутри излучателя в одной с ним плоскости, причем толщина слоя контролируемой среды между витками обмоток излучателя и приемника выбрана в 2-5 раз большей, чем глубина затухания электромагнитного поля частоты излучателя в измеряемой среде с учетом ее электропроводности и магнитной проницаемости. Размещение рамки приемника внутри рамки излучателя, во-первых, позволяет увеличить чувствительность, т.к. индукция поля внутри соленоида больше, чем снаружи его, во-вторых, рамку приемника можно разместить внутри трубы, как жесткой несущей конструкции датчика, а рамку излучателя закрепить на этой трубе снаружи на расстоянии 2-5 глубины затухания от ее поверхности. На таком расстоянии величина индукции в измеряемой среде уменьшается соответственно в е²-е⁵ (7,4-148,4) раз, т.е. в части рамки приемника, находящейся под уровнем среды наведенную ЭДС можно считать близкой к нулю, соответственно влияние изменений электропроводности среды с температурой также будет практически нулевым. В то же время, часть рамки приемника над поверхностью среды находится в поле излучателя, ослабленном всего лишь в 2-5 раз по сравнению с полем на расстоянии одной глубины затухания, т.к. напряженность поля длинного проводника с током в воздухе линейно убывает с расстоянием от проводника [2]. Таким образом, при изменении уровня от нижнего до верхнего края рамки приемника наведенная в рамке ЭДС будет линейно убывать от начального значения до нуля во всем диапазоне изменений электропроводности среды, т.е. исключается основной источник погрешности уровнемеров жидкого металла. Разносить витки рамок излучателя и приемника на расстояние, большее 5δ, нет смысла, так как на практике в действующей энергетической установке погрешность контроля уровня меньше 1% как правило не требуется.

Для количественной оценки предложенного технического решения в таблице приведены глубины затухания для наиболее распространенных жидкометаллических теплоносителей и конструкционных материалов при разных температурах и частотах.

Из таблицы видно, что глубины затухания в свинце и конструкционной нержавеющей стали близки. Обычно толщина защитной стальной оболочки обмоток излучателя и приемника должна в сумме составлять 4-6 мм. Чтобы оболочка такой толщины была достаточно "прозрачной" для электромагнитного поля, его частоту в этом случае следует выбирать невысокой. Так, для частоты 1000 Гц и температуры 200°С ослабление поля будет составлять [1]

где В - индукция поля после оболочки;

В₀ - индукция поля до оболочки;

х - толщина оболочки, равная 5 мм.

Таким образом, ослабление поля будет составлять 30%. Толщина слоя жидкого металла, обеспечивающая ослабление поля в среде в 50-100 раз, должна быть соответственно (4-5)δ=60-70 мм для уровнемеров высокого класса точности, а для уровнемеров низкого и среднего класса ослабление достаточно в 10-30 раз, что обеспечивается толщиной слоя (2-3)δ=30-45 мм.

При выборе более высокой рабочей частоты "прозрачность" защитных оболочек ниже, но и толщину слоя среды между излучателем и приемником можно выбрать меньше, что уменьшает поперечные габариты датчика уровня. Оптимальное решение находится с учетом совокупности технических требований. Рекомендованные в патенте ФРГ №1210998 расстояния между излучателем и приемником 5-10 мм не являются оптимальными для натрия и не приемлемы для свинца, т.к. для него при таких расстояниях влияние среды и конструкционных материалов на индукцию поля у обмотки приемника будет соизмеримо, чувствительность - невысокой, а температурная погрешность - достаточно большой.

Конструкция предложенного уровнемера представлена на фиг.1, фиг.2.

В резервуаре 1 с жидким металлом 2 установлены обмотка-излучатель 3 и обмотка - приемник 4, подключенные соответственно к генератору переменного тока 6 и измерителю напряжения 10. Толщина слоя контролируемой среды 5 между излучателем и приемником обозначена как α, ее величина составляет 2-5 глубин затухания переменного электромагнитного поля для существующей электропроводности среды при выбранной частоте тока, питающего обмотку-излучатель 3. Обмотки излучателя и приемника представляют собой прямоугольные рамки, состоящие из одного или нескольких витков жаростойкого кабеля, например кабеля, выполненного в виде токоведущей жилы 7, окруженной минеральной изоляцией 8, заключенных в металлическую оболочку 9. Обмотка приемника 4 размещена внутри обмотки излучателя 3 в одной с ней плоскости. Обмотка-излучатель 3 питается переменным током от генератора 6, а обмотка-приемник 4 подключена к измерителю переменного напряжения 10. Реальное конструктивное исполнение предложенного устройства показано на фиг.3, фиг.4. Датчик уровнемера представляет собой несущую прочную трубу 11, внутри которой размещена обмотка приемника 4. На этой трубе закреплена обмотка-излучатель 3 в своей защитной оболочке 12. Таким образом, чувствительный элемент датчика уровня представляет собой жесткую Ф-образную конструкцию, установленную на крышке 13 бака с измеряемой средой. Подключение обмоток излучателя и приемника соответственно к генератору переменного тока и измерителю напряжения осуществляется через разъем 14.

Использование предложенного устройства позволит увеличить точность измерения уровня жидкометаллических теплоносителей в широком диапазоне рабочих температур и обеспечит необходимую прочность конструкции датчика уровня.

Литература

1. И. Ламмеранер, М. Штафль. Вихревые токи. Изд-во Энергия, 1967, с.34-35.

2. И.В. Савельев. Курс общей физики, том II. Изд-во "Наука", 1966, с.102-110.

Формула изобретения

Уровнемер жидкого металла, содержащий излучатель и приемник электромагнитного излучения, выполненные в виде удлиненных прямоугольных рамок, окруженных защитной оболочкой и погруженных в резервуар с измеряемой средой, отличающийся тем, что обмотка приемника размещена внутри обмотки излучателя в одной с ней плоскости, причем толщина слоя контролируемой среды между обмотками приемника и излучателя выбрана в интервале от двух до пяти глубин затухания электромагнитного излучения для выбранной частоты тока, питающего обмотку излучателя и средней электропроводности среды в диапазоне ее рабочих температур.

РИСУНКИ