液態(tài)金屬液位測量的感應(yīng)式液位計(jì)
現(xiàn)有的測量金屬液位的方法可以分成接觸式和非接觸式兩種。接觸式液位計(jì)的工作原理是基于液態(tài)金屬的導(dǎo)電性,其敏感元件插入液態(tài)金屬中,當(dāng)金屬液面與敏感元件接觸時(shí),外電路接通。接觸式液位計(jì)的缺點(diǎn)是氧化物容易沉淀在液位計(jì)的敏感元件上,造成該導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通,容易誤報(bào)警。非接觸式敏感元件則安裝在液態(tài)金屬容器外面或密封套管里,這種液位計(jì)探頭應(yīng)用初級線圈和次級線圈的互感原理,由兩個(gè)纏繞在一個(gè)獨(dú)立的完全無磁鐵芯的同心線圈作為敏感元件。初級線圈輸入穩(wěn)定的交流電流,在次級線圈中感應(yīng)出來的電壓隨液態(tài)金屬淹沒的高度的增大而線性地下降,從而監(jiān)測容器中的液位值。該種形式的液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,不破壞設(shè)備的密封性,維修方便。
本文介紹了一種感應(yīng)式液位傳感器(探頭)的設(shè)計(jì)原理,以及與之配套的信號處理單元/二次儀表的原理,介紹了影響傳感器的幾種主要參數(shù),給出了在實(shí)驗(yàn)室條件下的探頭的模擬測試結(jié)果。
1 感應(yīng)式液位計(jì)測量原理
圖1 感應(yīng)式液位計(jì)原理示意圖
圖1給出了感應(yīng)式液位計(jì)的原理圖,該液位計(jì)采用非接觸的感應(yīng)式敏感元件測量,主要由恒流激勵(lì)源、一次傳感器、信號處理單元/二次儀表構(gòu)成。一次傳感器的由骨架、初級線圈、次級線圈、補(bǔ)償線圈以及保護(hù)盲管等構(gòu)成。
根據(jù)電磁場理論,當(dāng)在初級繞組中通有恒定的交流電流時(shí),在次級繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,感應(yīng)電動勢的大小會受到環(huán)繞繞組介質(zhì)的影響,此時(shí)初級繞組產(chǎn)生的交變磁通,一方面與次級繞組交鏈形成感應(yīng)電動勢,另一方面在液位計(jì)外套管及被測介質(zhì)鈉中產(chǎn)生感應(yīng)渦流,從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場,引起總磁通減小,進(jìn)而減小了次級繞組的感應(yīng)電動勢。因此,被測介質(zhì)的液位與次級繞組感應(yīng)電動勢在一定條件下成反比關(guān)系。利用此原理,忽略一些影響因素,次級的輸出電動勢與被測介質(zhì)的液位成線性的反比關(guān)系。
1.1 一次探頭
圖2 感應(yīng)式液位計(jì)一次探頭示意圖
感應(yīng)式液位計(jì)一次傳感器形式采用縱向繞線結(jié)構(gòu)形式,如圖2所示。將初級線圈、次級線圈及補(bǔ)償線圈均環(huán)繞于傳感器軸向方向繞制,次級線圈縱向繞制的長度為測量段全程,補(bǔ)償線圈繞制與感應(yīng)線圈上端,不與感應(yīng)線圈重疊,初級線圈縱向繞制長度為感應(yīng)線圈與補(bǔ)償線圈長度之和,重疊于它們之間。
感應(yīng)式液位計(jì)一次傳感器的磁場的仿真模型如圖3所示。
圖3 縱向纏繞仿真模型
假設(shè)以下條件是合理的,推導(dǎo)液位和輸出電壓之間的關(guān)系:
1)本傳感器電磁系統(tǒng)具有對稱軸線。
2)繞組長度與直徑的比值非常大,因此認(rèn)為繞組長度為無限長,而且繞組內(nèi)部磁場是均勻的。
3)次級繞組中無電流通過。
4)角頻率為ω的正弦形電磁場。
5)忽略液態(tài)金屬自由表面附近的磁場擾動。
在這些條件下,可以推導(dǎo)出感應(yīng)式鈉液位傳感器的輸出電壓U2的公式:
式中:ω——初級勵(lì)磁電流角頻率;
n1,n2——分別為初級繞組和次級繞組的匝數(shù);
μ0——真空磁導(dǎo)率;
μr——鐵芯的相對磁導(dǎo)率;
R——繞組半徑;
L——繞組長度;
I1——初級繞組勵(lì)磁電流;
Ie——液態(tài)金屬中的感應(yīng)渦流。
式中:H—傳感器被液態(tài)金屬淹沒的高度;
K—常數(shù)。
因此,在初級電流I1穩(wěn)頻恒流情況下,就存在下列定性關(guān)系:
式中:A、B—隨被測介質(zhì)溫度而變化的系數(shù)。
亦即,鈉液位傳感器的輸出電壓與液位之間存在線性關(guān)系。
1.2 信號處理單元/二次儀表
感應(yīng)式液位計(jì)信號處理單元的原理框圖如圖4所示。
圖4 互感式液位計(jì)二次儀表框圖
感應(yīng)式鈉液位計(jì)信號處理單元具有以下幾點(diǎn)功能:
1)信號處理單元對一次傳感器輸出電壓信號進(jìn)行采集和處理。
2)信號處理單元對熱電偶溫度信號進(jìn)行采集,并實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度變化而引起的傳感器分度特性的變化。
3)信號處理單元應(yīng)具有監(jiān)測并顯示激勵(lì)電流、頻率功能、修正參數(shù)輸入功能。
4)信號處理單元具有自檢、掉電保護(hù)、滿度設(shè)置、斷偶報(bào)警等功能,并具有4m A~20m A直流模擬信號輸出。
液位測定值是由互感式鈉液位傳感器的輸出電壓及被測介質(zhì)的溫度而確定的。因此需要實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度變化而引起的液位傳感器分度特性的變化。二次儀表接收次級測量線圈感應(yīng)的電動勢及熱電偶信號,并通過下列公式進(jìn)行液位計(jì)分度特性方程的擬合,顯示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4m A~20m A信號輸出。
式中:H——傳感器的插入深度,mm
U2——傳感器的輸出電壓,m V
T——被測介質(zhì)溫度,℃
a、b、c、d、e、f——根據(jù)液位計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定的補(bǔ)償系數(shù)。
2 感應(yīng)式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式
結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
圖5 縱向繞線式液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
感應(yīng)式液位計(jì)功能模塊主要由液位保護(hù)隔離模塊、液位感應(yīng)模塊、溫度補(bǔ)償模塊、液位變送模塊和相應(yīng)的連接電纜組成。
初級線圈采用1k Hz,200m A的交流恒流源作為激勵(lì)源。通過熱電偶測量測量介質(zhì)溫度。
3 模擬實(shí)驗(yàn)
當(dāng)初級輸入采用1k Hz,200m A的交流恒流源,通過退火爐模擬不同的運(yùn)行溫度,采用金屬套管模擬液態(tài)金屬液位進(jìn)行測試,結(jié)果見圖6所示。
圖6 模擬測試曲線
4 結(jié)論
1)電感式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,用其測量液態(tài)鈉、鈉等液態(tài)金屬液位,具有高的靈敏度、分辨率和較好的線性度。
2)用電感式液位計(jì)測量易氧化、具有腐蝕性的介質(zhì)時(shí),不受介質(zhì)的影響,不破壞系統(tǒng)的密封性,可廣泛應(yīng)用核領(lǐng)域和化工領(lǐng)域。