液态金属液位测量的感应式液位计

图1给出了感应式液位计的原理图,该液位计采用非接触的感应式敏感元件测量,主要由恒流激励源、一次传感器、信号处理单元/二次仪表构成。一次传感器的由骨架、初级线圈、次级线圈、补偿线圈以及保护盲管等构成。

根据电磁场理论,当在初级绕组中通有恒定的交流电流时,在次级绕组中将产生感应电动势,感应电动势的大小会受到环绕绕组介质的影响,此时初级绕组产生的交变磁通,一方面与次级绕组交链形成感应电动势,另一方面在液位计外套管及被测介质钠中产生感应涡流,从而产生感应磁场,引起总磁通减小,进而减小了次级绕组的感应电动势。因此,被测介质的液位与次级绕组感应电动势在一定条件下成反比关系。利用此原理,忽略一些影响因素,次级的输出电动势与被测介质的液位成线性的反比关系。

感应式液位计一次传感器形式采用纵向绕线结构形式,如图2所示。将初级线圈、次级线圈及补偿线圈均环绕于传感器轴向方向绕制,次级线圈纵向绕制的长度为测量段全程,补偿线圈绕制与感应线圈上端,不与感应线圈重叠,初级线圈纵向绕制长度为感应线圈与补偿线圈长度之和,重叠于它们之间。

感应式液位计一次传感器的磁场的仿真模型如图3所示。

假设以下条件是合理的,推导液位和输出电压之间的关系:

1)本传感器电磁系统具有对称轴线。

2)绕组长度与直径的比值非常大,因此认为绕组长度为无限长,而且绕组内部磁场是均匀的。

3)次级绕组中无电流通过。

4)角频率为ω的正弦形电磁场。

5)忽略液态金属自由表面附近的磁场扰动。

在这些条件下,可以推导出感应式钠液位传感器的输出电压U₂的公式:

式中:ω——初级励磁电流角频率;

n₁,n₂——分别为初级绕组和次级绕组的匝数;

μ0——真空磁导率;

μr——铁芯的相对磁导率;

R——绕组半径;

L——绕组长度;

I₁——初级绕组励磁电流;

I_e——液态金属中的感应涡流。

式中:H—传感器被液态金属淹没的高度;

K—常数。

因此,在初级电流I₁稳频恒流情况下,就存在下列定性关系:

式中:A、B—随被测介质温度而变化的系数。

亦即,钠液位传感器的输出电压与液位之间存在线性关系。

感应式液位计信号处理单元的原理框图如图4所示。

感应式钠液位计信号处理单元具有以下几点功能:

1)信号处理单元对一次传感器输出电压信号进行采集和处理。

2)信号处理单元对热电偶温度信号进行采集,并实时在线补偿由于介质温度变化而引起的传感器分度特性的变化。

3)信号处理单元应具有监测并显示激励电流、频率功能、修正参数输入功能。

4)信号处理单元具有自检、掉电保护、满度设置、断偶报警等功能,并具有4m A~20m A直流模拟信号输出。

液位测定值是由互感式钠液位传感器的输出电压及被测介质的温度而确定的。因此需要实时在线补偿由于介质温度变化而引起的液位传感器分度特性的变化。二次仪表接收次级测量线圈感应的电动势及热电偶信号,并通过下列公式进行液位计分度特性方程的拟合,显示并转换为标准的4m A~20m A信号输出。

式中:H——传感器的插入深度,mm

U₂——传感器的输出电压,m V

T——被测介质温度,℃

a、b、c、d、e、f——根据液位计校准实验确定的补偿系数。

结构示意图如图5所示。

感应式液位计功能模块主要由液位保护隔离模块、液位感应模块、温度补偿模块、液位变送模块和相应的连接电缆组成。

初级线圈采用1k Hz,200m A的交流恒流源作为激励源。通过热电偶测量测量介质温度。

当初级输入采用1k Hz,200m A的交流恒流源,通过退火炉模拟不同的运行温度,采用金属套管模拟液态金属液位进行测试,结果见图6所示。

图6 模拟测试曲线 

1)电感式液位计结构简单,工作可靠,用其测量液态钠、钠等液态金属液位,具有高的灵敏度、分辨率和较好的线性度。

2)用电感式液位计测量易氧化、具有腐蚀性的介质时,不受介质的影响,不破坏系统的密封性,可广泛应用核领域和化工领域。