劉小清　朱佳佳

摘 要

本文將針對(duì)核電站廢水處理系統(tǒng)的液位監(jiān)測(cè)需求，研究基于光纖傳感技術(shù)的核廢水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用波紋管和不銹鋼基底封裝光纖液位傳感器，重點(diǎn)突破可溫度、液位同時(shí)連續(xù)測(cè)量的光纖光柵液位傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)核廢水系統(tǒng)的溫度、液位進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證裝置安全、長(zhǎng)期、有效運(yùn)行體現(xiàn)了重要的科學(xué)價(jià)值，創(chuàng)新意義和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞

光纖光柵液位傳感;核電液位監(jiān)測(cè);廢水溢出監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.013

0 引言

發(fā)展核電能源，對(duì)于保障能源安全，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展，對(duì)于綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升及工業(yè)水平的提升有非常重要的意義，但是潛在的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，核廢水處理過(guò)程中的安全監(jiān)測(cè)，是核電安全生產(chǎn)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，核廢水如果未達(dá)標(biāo)排出，會(huì)對(duì)土壤、水等環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并通過(guò)各種途徑進(jìn)入生物體內(nèi)，對(duì)人類(lèi)造成嚴(yán)重危害，因此，放射性廢水的處理研究備受重視。

目前核廢水液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍采用的是進(jìn)口傳感器，如羅斯蒙特的壓差式液位計(jì)等，現(xiàn)有傳感器能實(shí)現(xiàn)液位連續(xù)監(jiān)視，液位斷續(xù)報(bào)警，但是傳感器壽命與精度受輻射環(huán)境影響，每個(gè)傳感器需單獨(dú)配備變送器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜;液位的連續(xù)監(jiān)測(cè)和限位監(jiān)測(cè)需不同的模擬量、開(kāi)關(guān)量傳感器來(lái)完成，響應(yīng)時(shí)間緩慢，且均需供電，在事故工況下，將無(wú)法工作。

結(jié)合目前廢水處理裝置的要求，核電液位系統(tǒng)儀表的選取的基本要求是：

1）液位、溫度連續(xù)測(cè)量;

2）測(cè)量精度高、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便;

3）耐輻照、抗震、抗凝露;

4）可進(jìn)行核級(jí)鑒定。

近年來(lái)，光纖傳感器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)手段不足，光纖探頭無(wú)需要電、耐強(qiáng)磁強(qiáng)電、耐腐蝕、抗強(qiáng)輻射、高靈敏度、壽命長(zhǎng)、可靠性、穩(wěn)定性高、響應(yīng)迅速，一根光纖上可連接多數(shù)目、多參量傳感器，且共用同一變送器進(jìn)行信號(hào)處理，光纖傳感系統(tǒng)傳感單元為光纖（材質(zhì)為玻璃），無(wú)須供電，可在事故工況下安全運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器液位斷續(xù)測(cè)量、供電不變、無(wú)法進(jìn)行核級(jí)鑒定等不足，滿足上述要求，因此，本文提出用于核廢水監(jiān)測(cè)的光纖光柵液位傳感器。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是通過(guò)紫外光照射相位掩模版，使得光纖纖芯部位發(fā)生折射率周期性變化，從而可對(duì)入射光進(jìn)行選擇性反射的光學(xué)器件。

如圖1所示，光入射到FBG時(shí)，滿足Bragg條件的光反射，布拉格條件如式1：

λ=2neffΛ（1）

λ為 FBG 的中心波長(zhǎng)，neff：纖芯的有效折射率，Λ：光柵周期。

當(dāng)外部被測(cè)量（應(yīng)變場(chǎng)與溫度場(chǎng)或者液位場(chǎng)）發(fā)生變化時(shí)，光柵的中心波長(zhǎng)隨之發(fā)生變化，通過(guò)解調(diào)儀解調(diào)出中心波長(zhǎng)變化量，結(jié)合標(biāo)定好的待測(cè)量與光柵中心波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到傳感測(cè)量目的。

2 光纖光柵解調(diào)原理

光纖光柵波長(zhǎng)變化量為皮米級(jí)（1pm=10-9m），因此需要高精度的信號(hào)解調(diào)器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，為光、機(jī)、電、算結(jié)合的一個(gè)復(fù)雜精密儀器。

目前最主流的光柵解調(diào)方法為：可調(diào)FP濾波法，解調(diào)范圍寬、精度高、可大容量復(fù)用。

ASE光源的光入射后經(jīng)光纖光柵反射回可調(diào)濾波器，當(dāng)光柵的反射峰與濾波器的透射波峰相重合時(shí)，濾波器的透射光強(qiáng)達(dá)到最大，得到光柵的高斯光譜信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)放大、濾波等調(diào)理電路，結(jié)合濾波器掃描電壓和透射波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)，最終送入計(jì)算機(jī)結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行信號(hào)處理，解調(diào)出被測(cè)信號(hào)。

3 核電光纖光柵液位傳感器設(shè)計(jì)

本文提出的光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3，傳感器使用316不銹鋼外殼封裝，內(nèi)置波紋管，波紋管上部留有進(jìn)液口，底部密封，外殼上端設(shè)置有與使傳感器內(nèi)外保持大氣壓的導(dǎo)氣管。其中FBG2上下端分別與外殼頂部和波紋管底部連接，F(xiàn)BG1所在環(huán)境溫度和靈敏度與FBG2保持一致，用于溫度測(cè)量和溫度補(bǔ)償.測(cè)量時(shí)，將整個(gè)傳感器固定在容器底部，兩根FBG通過(guò)光纖引出并輸入到解調(diào)設(shè)備中。

對(duì)傳感器進(jìn)行受力分析，當(dāng)傳感器投入待測(cè)液體時(shí)，水經(jīng)過(guò)波紋管的進(jìn)液孔流入，產(chǎn)生拉伸力，帶動(dòng)液位光柵（FBG2）受到軸向拉力。如圖（b）所示，其中FP：波紋管豎直方向的液壓;G：質(zhì)量;FA：大氣壓力;F：彈力。

FBG2因液壓產(chǎn)生軸向應(yīng)力后，中心波長(zhǎng)發(fā)生飄移，通過(guò)中心波長(zhǎng)的變化量檢測(cè)，得到液位數(shù)值。

當(dāng)待測(cè)液體的溫度和高度同時(shí)發(fā)生變化，則液位光柵FBG2中心波長(zhǎng)變化量Δλ2為：

Δλ2=ΔλL+ΔλT（2）

ΔλL：液位產(chǎn)生的中心波長(zhǎng)變化量，ΔλT：溫度造成的波長(zhǎng)變化量，F(xiàn)BG1僅受溫度的變化，且溫度光柵（FBG1）和液位光柵（FBG2）溫度度靈敏度相同，因此溫度引起的波長(zhǎng)偏移量相同，使用溫度光柵對(duì)液位光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償，則液位光柵（FBG2）的中心波長(zhǎng)變化量為：

ΔλL=Δλ2-ΔλT （3）

液位導(dǎo)致的中心波長(zhǎng)的變化量為：

ΔλB/λB（1-pe）ε（4）

波紋管伸長(zhǎng)量、液壓的關(guān)系為：

ΔY=X（N*PA*（1-μ2）R22）/（Er3） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：X：波紋管的修正系數(shù);N：波紋管的波紋數(shù)目;P=ρgh;A=π（R1+R2）2/4，R1、R2：波紋管內(nèi)外徑;E：材料的彈性模量;μ：泊松比、r為波紋管壁厚。

聯(lián)立上式可得

ΔλB/λB=η*h ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：η=Cc（nρg AeqR22（1-μ2）（1-pe）/（Er3），為變化系數(shù);h：液面高度。

因此，通過(guò)液位光柵中心波長(zhǎng)的變化量，且使用FBG2進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可測(cè)得液面高度。

此封裝形式的優(yōu)點(diǎn)為：

液位、溫度光柵均密封在外殼內(nèi)，不與核廢水直接接觸，避免長(zhǎng)時(shí)間浸泡在核廢水中，可提高壽命。

傳感器封裝2支光柵，可同時(shí)對(duì)核廢水液位、溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

波紋管為核電常用標(biāo)準(zhǔn)件，利用成熟核電標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行封裝，成熟、可靠，可進(jìn)行核級(jí)鑒定。

4 光纖光柵液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖4所示，光纖光柵液位計(jì)投入到待監(jiān)測(cè)罐體里，感知罐體液位變化，傳輸光纜將攜帶液位信息的光信號(hào)傳遞至光纖傳感分析儀進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，輸出液位值，可在光纖傳感分析儀的上位軟件中設(shè)置液位報(bào)警閾值及級(jí)別，進(jìn)行液位溢出報(bào)警。

系統(tǒng)組成及各部分功能如下：

a）光纖光柵液位計(jì)：安裝在水箱內(nèi)，對(duì)廢水處理系統(tǒng)罐體液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);

b）光纖傳感分析儀：對(duì)光纖液位計(jì)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，輸出液位數(shù)據(jù);

c）傳輸光纜：傳輸液位信號(hào)

d）報(bào)警裝置：液位超出預(yù)警時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。

5 光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

本文采用耐輻射、體積小、重量輕、防水型光纖光柵傳感器進(jìn)行液位測(cè)量，精度高、壽命長(zhǎng);傳感器內(nèi)封裝2支光柵，可同時(shí)對(duì)核廢水液位、溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量;傳感器傳輸信號(hào)為光信號(hào)，可在事故工況下安全運(yùn)行;使用光纖傳感系統(tǒng)，一根光纖上可連接多數(shù)量、多參量傳感器，共用同一變送器進(jìn)行信號(hào)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

6 總結(jié)

本技術(shù)將針對(duì)核電站廢水處理系統(tǒng)的液位監(jiān)測(cè)需求，使用耐輻射、不帶電、溫度、液位同時(shí)測(cè)量的光纖光柵液位傳感器組成液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、持續(xù)測(cè)量，當(dāng)液位溢出報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

參考文獻(xiàn)

[1]余有龍，譚玲，李茜，等.壓電陶瓷發(fā)熱對(duì)光纖光柵傳感信號(hào)干涉解調(diào)的影響[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（5）：0506005.

[2]陳顯，余尚江，楊吉祥，等.線性濾波法高速解調(diào)技術(shù)中的測(cè)量有效性研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（1）：145-150.

[3]劉琨，劉鐵根，江俊峰，等.基于FBG 傳感系統(tǒng)的可調(diào)光濾波器非線性研究[J].光電子·激光，2010，21（7）：970-973.