一種新型結構互感式鈉液位傳感器的研究
摘 要：通過對中國實驗快堆使用的鈉液位計調研，發(fā)現(xiàn)大量程連續(xù)測量液位計幾乎依靠進口。為此，研制了一種水平結構互感式液位傳感器。該文介紹了其工作原理和結構設計。通過加工3m量程樣機，用鋁代替鈉進行模擬試驗，結果顯示該傳感器工作穩(wěn)定、線性度好。由于實際情況，液鈉溫度波動范圍廣，需考慮溫度效應，進行溫度補償。該傳感器的研究為大量程鈉液位計的研制和應用提供數(shù)據(jù)和理論支撐。
1、工作原理：
液位計傳感器的原理如圖1所示。當液位計工作時，對初級線圈施加穩(wěn)定交流穩(wěn)流源，根據(jù)法拉第電磁定律，次級線圈中產生的感應電勢將隨著鈉液位上升而下降。這是因為隨著鈉液位的上升，鈉中產生感應渦流，其磁場的方向與初級線圈磁場方向相反，從而使通過次級線圈的磁場減弱，致使次級線圈的感應電壓隨鈉液位升高而下降。這樣就可以通過測量次級線圈電壓值得到對應液位。
圖1 互感式液位傳感器原理圖
圖3 ?與頻率的曲線圖 Fig.3 Thegraphof?-frequency
2、傳感器結構設計：
傳感器由骨架、初級線圈、次級線圈、外套管、密封法蘭及其信號引出機構等組成，其結構如圖2所示。
初級線圈采用雙芯鎧裝電纜水平纏繞在骨架中軸線上；次級線圈采用單芯鎧裝電纜纏繞在初級線圈兩側。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。骨架采用的弱磁導性的304不銹鋼，為了固定線圈防止松動，保證機械穩(wěn)定性，骨架兩端開鑿，在骨架上加工導線槽，此外用壓片將線圈點焊在骨架。外套管為304不銹鋼，一是用來隔離被測介質充當密封邊界，二是用來保護線圈。在測量段布置熱電偶用來實時監(jiān)測環(huán)境溫度，并將溫度傳給處理單元進行溫度補償。該結構傳感器相比于其他互感式傳感器，其結構簡單、加工工藝難度較低；相比同量程而言，該傳感器對鎧裝電纜使用量少、能節(jié)約成本。
3、試驗方案及數(shù)據(jù)分析：
由于液位計用于順磁性的堿金屬鈉，因此模擬試驗選取易獲取的典型順磁性物質鋁（質量磁化率為0.6×4π×10-9m3/kg,電阻率為2.83×108Ω/m）來模擬鈉金屬以進行相關測試[4]。激勵源采用振蕩頻率和激勵電流均可調的正弦穩(wěn)流源，振蕩頻率可在0.3～7kHz內連續(xù)設定。次級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 液位計傳感器在初級線圈穩(wěn)流條件下的分度特性
該實驗數(shù)據(jù)在相同試驗環(huán)境條件下重復10次，取平均值得出。10次試驗結果輸出電壓測量值***大誤差小于0.1mV，說明該傳感器重復性非常好。
無模擬體與零液位時，次級線圈輸出電壓值相同，端部效應不明顯。次級輸出電壓信號較小，這是由于傳感器自身結構限制，線圈纏繞匝數(shù)受限。
液位計傳感器制造加工裝配后，首先要確定的是電參數(shù)是初級線圈激勵電流頻率。頻率選擇的原則是要使得傳感器的靈敏度為***大值，即在零液位與滿液位情況下輸出電壓差值?為***大值。圖2為初級線圈在不同激勵電流下，?與頻率的關系曲線，?的***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源幅值成正比。
從圖3可以看出在700～2000Hz都是頻率可取范圍，對該頻率范圍進行線性分析，結果如圖4所示。從圖4可以看出，在初級線圈電流頻率穩(wěn)定時，輸出電壓與液位呈線性關系。此外，頻率越低線性度越好，且在小于1000Hz時，線性誤差小于2%。
3.3、溫度效應分析：
此外，為了模擬實際情況，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。圖5表示出了液位計傳感器在初級線圈穩(wěn)流情況下，在不同溫度環(huán)境下，次級輸出電壓與介質液位關系。
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，在相同的介質液位下，次級輸出電壓隨介質溫度升高而增大。溫度效應的原因：(1)金屬介質的電阻率隨溫度升高而增大，電阻率變大導致渦流損耗減少；(2)溫度升高，熱膨脹使次級線圈有效面積增大，致使次級線圈磁通量增大；(3)溫度升高，使不銹鋼外套管及骨架電阻率增大。這三個原因都有利于提高次級線圈的輸出電壓。因此當被測介質溫度變化范圍較大時，必須采取溫度補償，來消除溫度帶來的測量誤差。
4、結論：
(1)互感式液位計傳感器結構簡單、無運動部件。其敏感裝置裝在外套管內，不與被測介質接觸，便于維修和更換。
(2)工作可靠。用其測量液態(tài)金屬等液位，具很好的線性度，在工作頻率范圍內線性誤差小于2%；但由于自身結構限制，線圈匝數(shù)少，導致輸出信號及靈敏度較小，需要改善優(yōu)化結構提高輸出信號或者激勵幅值大的激勵源，必要時需要二次儀表對輸出信號進行放大。
(3)試驗結果證明該互感式液位計能夠用于大量程的連續(xù)金屬液位探測。
(4)當被測介質溫度變化范圍較大時，會給測量帶來較大誤差，必須進行溫度補償。
(5)由于該試驗是在鋁中模擬，要想該傳感器應用于鈉液位計測量，需要在鈉中進行重新標定。