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新型水平互感式液位傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析
來源：上海自動(dòng)化儀表有限公司作者：發(fā)表時(shí)間：2018-04-08 09:55:55【小中大】
摘要：通過對(duì)中國實(shí)驗(yàn)快堆使用的鈉液位計(jì)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大量程連續(xù)測(cè)量液位計(jì)幾乎依靠進(jìn)口。為此，上海自動(dòng)化儀表有限公司研制了一種水平結(jié)構(gòu)互感式液位傳感器。我們上海自儀儀表有限公司介紹了其工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過加工3m量程樣機(jī)，用鋁代替鈉進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果顯示該傳感器工作穩(wěn)定、線性度好。由于實(shí)際情況，液鈉溫度波動(dòng)范圍廣，需考慮溫度效應(yīng)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該傳感器的研究為大量程鈉液位計(jì)的研制和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論支撐。
液位測(cè)量是反應(yīng)堆必備的測(cè)量參數(shù)，由于鈉冷快堆采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，其鈉液位的測(cè)量具有其獨(dú)有的特點(diǎn)，在對(duì)鈉液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)互感式鈉液位計(jì)應(yīng)用最廣泛。根據(jù)對(duì)中國實(shí)驗(yàn)快堆上使用鈉液位計(jì)調(diào)研，我國對(duì)于大量程連續(xù)測(cè)量液位計(jì)幾乎依靠進(jìn)口。另外，國內(nèi)對(duì)鈉液位計(jì)的研究多數(shù)為小量程互感式液位計(jì)、互感式單點(diǎn)液位計(jì)及差動(dòng)變壓器液位計(jì)，對(duì)適用于大量程連續(xù)測(cè)量的鈉液位計(jì)研究極少。
為此，上海自動(dòng)化儀表有限公司研制了一種能適用于大量程的連續(xù)監(jiān)測(cè)的液位傳感器即水平結(jié)構(gòu)式互傳感器，介紹了其工作原理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，加工3m量程樣機(jī)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析了基本特性。
1、工作原理：
液位計(jì)傳感器的原理如圖1所示。當(dāng)液位計(jì)工作時(shí)，對(duì)初級(jí)線圈施加穩(wěn)定交流穩(wěn)流源，根據(jù)法拉第電磁定律，次級(jí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)將隨著鈉液位上升而下降。這是因?yàn)殡S著鈉液位的上升，鈉中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，其磁場(chǎng)的方向與初級(jí)線圈磁場(chǎng)方向相反，從而使通過次級(jí)線圈的磁場(chǎng)減弱，致使次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓隨鈉液位升高而下降。這樣就可以通過測(cè)量次級(jí)線圈電壓值得到對(duì)應(yīng)液位。
表1 常溫下部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖1 互感式液位傳感器原理圖
圖2 傳感器結(jié)構(gòu)
圖3 與頻率的曲線圖
2、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
傳感器由骨架、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈、外套管、密封法蘭及其信號(hào)引出機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
初級(jí)線圈采用雙芯鎧裝電纜水平纏繞在骨架中軸線上；次級(jí)線圈采用單芯鎧裝電纜纏繞在初級(jí)線圈兩側(cè)。鎧裝電纜外殼均采用耐高溫的奧氏體無磁不銹鋼，芯線材料為純鎳，絕緣材料為MgO粉。骨架采用的弱磁導(dǎo)性的304不銹鋼，為了固定線圈防止松動(dòng)，保證機(jī)械穩(wěn)定性，骨架兩端開鑿，在骨架上加工導(dǎo)線槽，此外用壓片將線圈點(diǎn)焊在骨架。外套管為304不銹鋼，一是用來隔離被測(cè)介質(zhì)充當(dāng)密封邊界，二是用來保護(hù)線圈。在測(cè)量段布置熱電偶用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，并將溫度傳給處理單元進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該結(jié)構(gòu)傳感器相比于其他互感式傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝難度較低；相比同量程而言，該傳感器對(duì)鎧裝電纜使用量少、能節(jié)約成本。
3、試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析：
由于液位計(jì)用于順磁性的堿金屬鈉，因此模擬試驗(yàn)選取易獲取的典型順磁性物質(zhì)鋁（質(zhì)量磁化率為0.6×4π×10-9m3/kg,電阻率為2.83×108Ω/m）來模擬鈉金屬以進(jìn)行相關(guān)測(cè)試[4]。激勵(lì)源采用振蕩頻率和激勵(lì)電流均可調(diào)的正弦穩(wěn)流源，振蕩頻率可在0.3～7kHz內(nèi)連續(xù)設(shè)定。次級(jí)線圈輸出電壓可以直接用萬用表讀出，分辨率為0.1mV。
鋁棒被機(jī)械加工成管狀，并確信此管壁厚度超過頻率為300Hz的電磁波在其中的穿透深度。電磁波在金屬中的穿
圖4 傳感器在穩(wěn)流條件下，輸出電壓與液位的擬合曲線
圖5 液位計(jì)傳感器在初級(jí)線圈穩(wěn)流條件下的分度特性
透深度可由下式確定：=5033(/)1/2 (1)其中：為穿透深度，cm；為電阻率，Ω/cm；為頻率，Hz。在試驗(yàn)之前，需要將加工好的傳感器進(jìn)行退火（升溫到600℃,保溫半小時(shí)，然后自然降溫，共3次）來消除傳感器應(yīng)力。在常溫條件下，對(duì)初級(jí)線圈施加恒定交流源，得到在不同頻率下次級(jí)線圈感應(yīng)電壓隨液位變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。
該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在相同試驗(yàn)環(huán)境條件下重復(fù)10次，取平均值得出。10次試驗(yàn)結(jié)果輸出電壓測(cè)量值最大誤差小于0.1mV，說明該傳感器重復(fù)性非常好。
無模擬體與零液位時(shí)，次級(jí)線圈輸出電壓值相同，端部效應(yīng)不明顯。次級(jí)輸出電壓信號(hào)較小，這是由于傳感器自身結(jié)構(gòu)限制，線圈纏繞匝數(shù)受限。
3.1、最佳激勵(lì)源頻率選擇：
液位計(jì)傳感器制造加工裝配后，首先要確定的是電參數(shù)是初級(jí)線圈激勵(lì)電流頻率。頻率選擇的原則是要使得傳感器的靈敏度為最大值，即在零液位與滿液位情況下輸出電壓差值為最大值。圖2為初級(jí)線圈在不同激勵(lì)電流下與頻率的關(guān)系曲線的最大值均出現(xiàn)在1300Hz左右，大概為24mV，靈敏度為0.008mV/mm。另外，可以看出靈敏度與激勵(lì)源幅值成正比。
3.2、線性度分析：
從圖3可以看出在700～2000Hz都是頻率可取范圍，對(duì)該頻率范圍進(jìn)行線性分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在初級(jí)線圈電流頻率穩(wěn)定時(shí)，輸出電壓與液位呈線性關(guān)系。此外，頻率越低線性度越好，且在小于1000Hz時(shí)，線性誤差小于2%。
3.3、溫度效應(yīng)分析：
此外，為了模擬實(shí)際情況，將傳感器及模擬件鋁管一起放在加熱爐升溫降溫，分析了其溫度效應(yīng)。圖5表示出了液位計(jì)傳感器在初級(jí)線圈穩(wěn)流情況下，在不同溫度環(huán)境下，次級(jí)輸出電壓與介質(zhì)液位關(guān)系。
可以看出，在高溫環(huán)境下，該傳感器也具有很好的線性度。此外，在相同的介質(zhì)液位下，次級(jí)輸出電壓隨介質(zhì)溫度升高而增大。溫度效應(yīng)的原因：
(1)金屬介質(zhì)的電阻率隨溫度升高而增大，電阻率變大導(dǎo)致渦流損耗減少；
(2)溫度升高，熱膨脹使次級(jí)線圈有效面積增大，致使次級(jí)線圈磁通量增大；
(3)溫度升高，使不銹鋼外套管及骨架電阻率增大。這三個(gè)原因都有利于提高次級(jí)線圈的輸出電壓。因此當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度變化范圍較大時(shí)，必須采取溫度補(bǔ)償，來消除溫度帶來的測(cè)量誤差。
4、結(jié)論：
(1)互感式液位計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件。其敏感裝置裝在外套管內(nèi)，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，便于維修和更換。
(2)工作可靠。用其測(cè)量液態(tài)金屬等液位，具很好的線性度，在工作頻率范圍內(nèi)線性誤差小于2%；但由于自身結(jié)構(gòu)限制，線圈匝數(shù)少，導(dǎo)致輸出信號(hào)及靈敏度較小，需要改善優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高輸出信號(hào)或者激勵(lì)幅值大的激勵(lì)源，必要時(shí)需要二次儀表對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。
(3)試驗(yàn)結(jié)果證明該互感式液位計(jì)能夠用于大量程的連續(xù)金屬液位探測(cè)。
(4)當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度變化范圍較大時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來較大誤差，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
(5)由于該試驗(yàn)是在鋁中模擬，要想該傳感器應(yīng)用于鈉液位計(jì)測(cè)量，需要在鈉中進(jìn)行重新標(biāo)定。
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