陳道龍,康瑞清,李新穎

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

1 概述

鈉是高電導(dǎo)率的金屬,鈉液位測(cè)量方法都是基于電導(dǎo)率的技術(shù)。目前在鈉試驗(yàn)裝置上使用的單點(diǎn)鈉液位計(jì)大多是電接點(diǎn)式鈉液位計(jì)。電接點(diǎn)式鈉液位計(jì)是一種直接接觸式鈉液位計(jì),其運(yùn)轉(zhuǎn)原理十分簡單,即當(dāng)鈉液位升高到與電極相接觸時(shí),外電路接通。電接點(diǎn)式鈉液位計(jì)的缺點(diǎn)在于：(1)鈉蒸汽可能凝結(jié)在絕緣上,造成誤接通;(2)氧化物沉積在電接點(diǎn)上,使得該導(dǎo)通時(shí)不能接通。因此它只適用于溫度較低的短期測(cè)量。

本文介紹的電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)是由電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器、交流穩(wěn)壓電源箱和光柱顯示報(bào)警儀組成的。電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器是一種非接觸式鈉液位探測(cè)手段,它的敏感元件裝在一根端部密封的不銹鋼套管內(nèi),不破壞鈉設(shè)備的密封性,可以在設(shè)備運(yùn)行情況下進(jìn)行更換和維修。避免了電接點(diǎn)式鈉液位計(jì)所固有的那些缺點(diǎn),可以承受高達(dá)600℃高溫的長期作用,可靠性高,具有良好的靈敏度和準(zhǔn)確度,適合于單點(diǎn)高溫鈉液位精確測(cè)量。

2 傳感器原理結(jié)構(gòu)

圖1表示出電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The p rincip le construction scheme o f induction type sing le point sodinm level transducer

以不銹鋼為包殼材料、氧化鎂為絕緣的雙芯鎧裝電纜中的兩根芯線分別作為繞組1A-2A、1B-2B和3A-4A、3B-4B盤繞在鐵芯2上段和下段上。繞組在鐵芯上的布置如圖1a所示。鎧裝電纜穿在電纜導(dǎo)管1內(nèi)引出。這樣就構(gòu)成了電感式鈉液位傳感器的敏感元件。敏感元件插在一端密封的不銹鋼套管4中,而該套管則浸在液態(tài)金屬鈉中。由繞組 1A-2A、1B-2B、3A-4A和3B-4B組成如圖1b所示的橋路。橋路由頻率為6 kHz的交流穩(wěn)壓電源供電。從橋路對(duì)角線取出傳感器的輸出電壓E。

當(dāng)敏感元件全裸露、未被鈉淹沒時(shí),通過調(diào)整平衡電位器R,使傳感器輸出電壓E為最小值。當(dāng)鈉液位上升時(shí),隨著No.1繞組被鈉淹沒,鈉中產(chǎn)生感應(yīng)渦流,使得1A-2A、1B-2B繞組阻抗發(fā)生變化,造成橋路愈加不平衡。當(dāng)鈉液位到達(dá)敏感元件中心區(qū)域M時(shí),橋路達(dá)到最大不平衡點(diǎn),此時(shí)傳感器輸出電壓為最大值Em。當(dāng)鈉液位繼續(xù)上升時(shí),隨著No.2繞組被鈉淹沒,橋路又恢復(fù)到平衡狀態(tài),此時(shí)傳感器輸出電壓E又恢復(fù)到最小值。這樣,可以通過測(cè)量出現(xiàn)傳感器輸出電壓峰值時(shí)的傳感器位置標(biāo)高,精確測(cè)定鈉液位。圖1c表示出傳感器輸出電壓隨鈉淹沒高度的變化情況。圖1a所示的No.1與No.2繞組均采用雙重繞組,并把雙重繞組布置在如圖1b所示的橋路對(duì)邊上,目的在于提高靈敏度。這種橋路布置的靈敏度比單繞組橋路提高了1倍。

3 傳感器勵(lì)磁電流頻率的確定

傳感器制造、裝配完成之后,首先要確定的電參數(shù)是繞組勵(lì)磁電流頻率f。頻率f的選擇原則是要使得傳感器的靈敏度為最大值,即傳感器輸出電壓峰值Em為最大值。根據(jù)在橋路供電電壓恒定情況下,E與f的關(guān)系曲線,E的最大值出現(xiàn)在f=6 kHz處。因此,選定傳感器繞組勵(lì)磁電流頻率為6 kH z。

4 測(cè)量系統(tǒng)組成

圖2示出電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)框圖。其中,正弦波振蕩器1產(chǎn)生頻率為6 kHz的穩(wěn)定正弦波,經(jīng)功率放大與穩(wěn)壓、調(diào)壓單元2,提供頻率恒定、有效值可調(diào)的交流穩(wěn)定電壓U1給傳感器3的橋路。傳感器橋路對(duì)角線上的輸出電壓E經(jīng)交流-直流轉(zhuǎn)換單元4和放大單元5后,提供0～5 V直流電壓U2給光柱指示報(bào)警儀6。當(dāng)光柱指示報(bào)警儀上出現(xiàn)光柱峰值及其相應(yīng)的越限報(bào)警時(shí),就可知道此時(shí)鈉液位正處于傳感器的敏感元件中心區(qū)域,并由此可以確定鈉液位高度。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.2 The scheme o fmeasurement system

在圖 2中 ,單元 1、2、4、5 合在一個(gè)機(jī)箱交流穩(wěn)壓電源箱7中。傳感器通過兩根雙芯屏蔽電纜8、9與交流穩(wěn)壓電源箱后面板的4芯插座相連接。光柱指示報(bào)警儀通過雙芯屏蔽電纜10與交流穩(wěn)壓電源箱后面板的雙芯插座相連接。采取市售的SXG型光柱指示報(bào)警儀。在交流穩(wěn)壓電源箱的正面板上布置有“傳感器輸出電壓測(cè)試”端子及其相配合的“傳感器橋路調(diào)零”電位器,后者用于橋路平衡調(diào)節(jié)。正面板上還布置有“傳感器輸入電壓測(cè)試”端子及其相配合的“電壓調(diào)節(jié)”電位器,后者用于調(diào)節(jié)傳感器的輸入電壓,亦即交流穩(wěn)壓電源的輸出電壓。正面板右下角布置有電源開關(guān)與指示燈。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

由于本項(xiàng)工作研制的單點(diǎn)鈉液位傳感器要應(yīng)用于鈉試驗(yàn)回路試驗(yàn)段的鈉液位測(cè)量,傳感器總長為4 273 mm,無現(xiàn)成的鈉設(shè)備可用來進(jìn)行該傳感器的實(shí)驗(yàn)。為此,研制了一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)裝置,以便進(jìn)行傳感器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定在模擬的液態(tài)鈉工作條件下傳感器的輸出特性。

鈉液位傳感器模擬實(shí)驗(yàn)裝置的核心是用一個(gè)可控溫度的金屬圓柱體來模擬液態(tài)金屬鈉。為了模擬工作條件的真實(shí)性,金屬圓柱體的電阻率要和液態(tài)鈉相近[1]。液態(tài)鈉和鋁青銅的電阻率與溫度的關(guān)系曲線在100～600℃感興趣的溫度范圍,二者電阻率的最大差別Δρmax=10.34μΩ?cm出現(xiàn)在 600℃處,并且,兩條曲線在260℃處交叉。使用鋁青銅圓柱體的另一優(yōu)點(diǎn)在于它很容易加熱升溫到600℃。因此,使用鋁青銅來模擬液態(tài)鈉進(jìn)行電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器的輸出特性實(shí)驗(yàn)研究是可行的。

在該模擬實(shí)驗(yàn)裝置中,借助于鎧裝熱電偶、溫控儀和鎧裝電熱器組成的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),使得金屬圓柱體的溫度自動(dòng)保持在給定值上。當(dāng)金屬圓柱體溫度恒定時(shí),在傳感器全插在金屬圓柱體內(nèi)情況下,調(diào)定交流穩(wěn)壓電源輸出電壓并調(diào)節(jié)橋路平衡,隨后按刻度逐級(jí)快速抽出傳感器,并快速記錄直流轉(zhuǎn)換電壓U2。這樣,就可以作出傳感器的淹沒高度H與它的直流轉(zhuǎn)換電壓U2的關(guān)系曲線。

6 鈉液位測(cè)量操作與應(yīng)用

每次進(jìn)行鈉液位測(cè)量時(shí),首先要調(diào)定交流穩(wěn)壓電源輸出電壓并調(diào)節(jié)橋路平衡。

使用電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)進(jìn)行鈉液位測(cè)量可以有2種方式：

(1)鈉液位傳感器位置固定,觀察傳感器的直流轉(zhuǎn)換電壓U2的變化情況,當(dāng)U2為峰值時(shí),即鈉液位到達(dá)傳感器的中心區(qū)域。

(2)鈉液位傳感器在其不銹鋼套管內(nèi)上下移動(dòng),觀察傳感器的直流轉(zhuǎn)換電壓U2的變化情況,當(dāng)U2為峰值時(shí),即鈉液位處于傳感器的中心區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)目前傳感器的直流轉(zhuǎn)換電壓U2峰值出現(xiàn)在H坐標(biāo)13mm處,即中心區(qū)域下偏3 mm。U2峰值左右±2 mm區(qū)域?yàn)榉逯祬^(qū)域。

2006年7月至今,電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)已成功地應(yīng)用于ESPRESSO鈉試驗(yàn)回路的鈉液位測(cè)量。2009年6月自主研制的電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)2次應(yīng)用在中國實(shí)驗(yàn)快堆二回路鈉緩沖罐俄制鈉液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)分度標(biāo)定工作中作為參考標(biāo)準(zhǔn)取得圓滿成功。

7 結(jié)論

(1)以鎧裝雙芯電纜為繞組的電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器可以在100～600℃鈉溫度范圍長期可靠工作,它的安裝、使用和維修十分方便。

(2)電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)是由電感式單點(diǎn)鈉液位傳感器、交流穩(wěn)壓電源箱和光柱指示報(bào)警儀組成的,其結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)是合理的、實(shí)用的。

(3)電感式單點(diǎn)鈉液位計(jì)的測(cè)量誤差為±2mm,這對(duì)于鈉冷實(shí)驗(yàn)快堆及其鈉試驗(yàn)裝置的單點(diǎn)鈉液位測(cè)量來說是令人滿意的。

[1] Foust O J.Sodium-NaK Engineering H andbook[M].Gordon and Breach Science Publishers INC.,New York,1978,1：92.