一种新型结构互感式钠液位传感器的研究

刘小申++杨建伟++董康乐++崔国生++段天英

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.094

摘 要：通过对中国实验快堆使用的钠液位计调研，发现大量程连续测量液位计几乎依靠进口。为此，研制了一种水平结构互感式液位传感器。该文介绍了其工作原理和结构设计。通过加工3 m量程样机，用铝代替钠进行模拟试验，结果显示该传感器工作稳定、线性度好。由于实际情况，液钠温度波动范围广，需考虑温度效应，进行温度补偿。该传感器的研究为大量程钠液位计的研制和应用提供数据和理论支撑。

关键词：钠液位传感器 结构设计 模拟试验 温度效应

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0094-04

Study on a New Structure Mutual Sodium Inductance Level Gauge

Liu Xiaoshen Yang Jianwei Dong Kangle Cui Guosheng Duan Tianying

（China Institute of Atomic Energy，Beijing，102413，China）

Abstract：Through the research of sodium level gauge of China experimental fast reactor， found that large-scale of level gauge mainly rely on imports. Therefore， developing a horizontal structure of mutual inductance level gauge. This paper introduces its working principle and structure design. Processing 3m range prototype and performing a simulation test by using aluminum instead of sodium， the results show that the sensor is stable and has good linearity. As a result of the actual situation， liquid sodium temperature fluctuation range， need to consider the temperature effect， the temperature compensation. The research of the sensor provides data and theoretical support for the development and application of large-scale sodium level gauge.

Key Words：Sodium level sensor；Structural design；Simulation test；Temperature effect

液位测量是反应堆必备的测量参数，由于钠冷快堆采用液态金属钠作为冷却剂，其钠液位的测量具有其独有的特点，在对钠液位进行连续测量时互感式钠液位计应用最广泛[1]。根据对中国实验快堆上使用钠液位计调研，我国对于大量程连续测量液位计几乎依靠进口。另外，国内对钠液位计的研究多数为小量程互感式液位計[2]、互感式单点液位计[3]及差动变压器液位计[4]，对适用于大量程连续测量的钠液位计研究极少。

为此，该文研制了一种能适用于大量程的连续监测的液位传感器即水平结构式互传感器，介绍了其工作原理及其结构设计。另外，加工3 m量程样机，进行模拟试验，分析了基本特性。

1 工作原理

液位计传感器的原理如图1所示。当液位计工作时，对初级线圈施加稳定交流稳流源，根据法拉第电磁定律，次级线圈中产生的感应电势U将随着钠液位h上升而下降。这是因为随着钠液位的上升，钠中产生感应涡流，其磁场的方向与初级线圈磁场方向相反，从而使通过次级线圈的磁场减弱，致使次级线圈的感应电压U随钠液位h升高而下降。这样就可以通过测量次级线圈电压值得到对应液位。

2 传感器结构设计

传感器由骨架、初级线圈、次级线圈、外套管、密封法兰及其信号引出机构等组成，其结构如图2所示。

初级线圈采用双芯铠装电缆水平缠绕在骨架中轴线上；次级线圈采用单芯铠装电缆缠绕在初级线圈两侧。铠装电缆外壳均采用耐高温的奥氏体无磁不锈钢，芯线材料为纯镍，绝缘材料为MgO粉。骨架采用的弱磁导性的304不锈钢，为了固定线圈防止松动，保证机械稳定性，骨架两端开凿，在骨架上加工导线槽，此外用压片将线圈点焊在骨架。外套管为304不锈钢，一是用来隔离被测介质充当密封边界，二是用来保护线圈。在测量段布置热电偶用来实时监测环境温度，并将温度传给处理单元进行温度补偿。

该结构传感器相比于其他互感式传感器，其结构简单、加工工艺难度较低；相比同量程而言，该传感器对铠装电缆使用量少、能节约成本。

3 试验方案及数据分析

由于液位计用于顺磁性的碱金属钠，因此模拟试验选取易获取的典型顺磁性物质铝（质量磁化率为0.6×4π×10-9 m3/kg，电阻率为2.83×108 Ω/m）来模拟钠金属以进行相关测试[4]。激励源采用振荡频率和激励电流均可调的正弦稳流源，振荡频率可在0.3～7 kHz内连续设定。次级线圈输出电压可以直接用万用表读出，分辨率为0.1 mV。

铝棒被机械加工成管状，并确信此管壁厚度超过频率为300 Hz的电磁波在其中的穿透深度。电磁波在金属中的穿透深度可由下式确定：

D=5 033（ρ/f）1/2 （1）

其中：D为穿透深度，cm；ρ为电阻率，Ω/cm；f为频率，Hz。

在试验之前，需要将加工好的传感器进行退火（升温到600 ℃，保温半小时，然后自然降温，共3次）来消除传感器应力。

在常温条件下，对初级线圈施加恒定交流源，得到在不同频率下次级线圈感应电压随液位变化的试验数据，部分数据如表1所示。

该实验数据在相同试验环境条件下重复10次，取平均值得出。10次试验结果输出电压测量值最大误差小于0.1 mV，说明该传感器重复性非常好。

无模拟体与零液位时，次级线圈输出电压值相同，端部效应不明显。

次级输出电压信号较小，这是由于传感器自身结构限制，线圈缠绕匝数受限。

3.1 最佳激励源频率选择

液位计传感器制造加工装配后，首先要确定的是电参数是初级线圈激励电流频率f。频率f选择的原则是要使得传感器的灵敏度為最大值，即在零液位与满液位情况下输出电压差值?U为最大值。图2为初级线圈在不同激励电流下，?U与频率f的关系曲线，?U的最大值均出现在1 300 Hz左右，大概为24 mV，灵敏度为0.008 mV/mm。另外，可以看出灵敏度与激励源幅值成正比。

3.2 线性度分析

从图3可以看出在700～2 000 Hz都是频率可取范围，对该频率范围进行线性分析，结果如图4所示。

从图4可以看出，在初级线圈电流频率稳定时，输出电压与液位呈线性关系。此外，频率越低线性度越好，且在小于1 000 Hz时，线性误差小于2%。

3.3 温度效应分析

此外，为了模拟实际情况，将传感器及模拟件铝管一起放在加热炉升温降温，分析了其温度效应。图5表示出了液位计传感器在初级线圈稳流情况下，在不同温度环境下，次级输出电压与介质液位关系。

可以看出，在高温环境下，该传感器也具有很好的线性度。此外，在相同的介质液位下，次级输出电压随介质温度升高而增大。温度效应的原因：（1）金属介质的电阻率随温度升高而增大，电阻率变大导致涡流损耗减少；（2）温度升高，热膨胀使次级线圈有效面积增大，致使次级线圈磁通量增大；（3）温度升高，使不锈钢外套管及骨架电阻率增大。这三个原因都有利于提高次级线圈的输出电压。因此当被测介质温度变化范围较大时，必须采取温度补偿，来消除温度带来的测量误差。

4 结论

（1）互感式液位计传感器结构简单、无运动部件。其敏感装置装在外套管内，不与被测介质接触，便于维修和更换。

（2）工作可靠。用其测量液态金属等液位，具很好的线性度，在工作频率范围内线性误差小于2%；但由于自身结构限制，线圈匝数少，导致输出信号及灵敏度较小，需要改善优化结构提高输出信号或者激励幅值大的激励源，必要时需要二次仪表对输出信号进行放大。

（3）试验结果证明该互感式液位计能够用于大量程的连续金属液位探测。

（4）当被测介质温度变化范围较大时，会给测量带来较大误差，必须进行温度补偿。

（5）由于该试验是在铝中模拟，要想该传感器应用于钠液位计测量，需要在钠中进行重新标定。

参考文献

[1] 李崇洋，桑维良.液态金属钠液位测量方法及比较[J].核工业自动化，1989（2）：34-36.

[2] 陈道龙，王轩，李新颖，等.智能型钠液位计及其分度标定装置[J].中国核科技报告，1998（S6）：593-609.

[3] 陈道龙，康瑞清，李新颖.电感式单点钠液位计的研制[J].核科学与工程，2010，30（4）：321-324.

[4] 毕可明，韩冶，柴宝华，等.差动变压器式单点液态金属液位计的研制[J].原子能科学技术，2014，48（s1）：608-611.

[5] 李崇祥，周学智.应用电感式液位传感器测量钠液位的实验研究[J].核工业自动化，1989（4）：19-23.