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新型水平互感式液位傳感器的工作原理和結構的設計分析

來源：上海自動化儀表有限公司作者：發表時間：2018-04-08 09:55:55【小中大】

摘要：通過對中國實驗快堆使用的鈉液位計調研，發現大量程連續測量液位計幾乎依靠進口。為此，上海自動化儀表有限公司研制了一種水平結構互感式液位傳感器。我們上海自儀儀表有限公司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據和理論支撐。

液位測量是反應堆必備的測量參數，由于鈉冷快堆采用液態金屬鈉作為冷卻劑，其鈉液位的測量具有其獨有的特點，在對鈉液位進行連續測量時互感式鈉液位計應用最廣泛。根據對中國實驗快堆上使用鈉液位計調研，我國對于大量程連續測量液位計幾乎依靠進口。另外，國內對鈉液位計的研究多數為小量程互感式液位計、互感式單點液位計及差動變壓器液位計，對適用于大量程連續測量的鈉液位計研究極少。

為此，上海自動化儀表有限公司研制了一種能適用于大量程的連續監測的液位傳感器即水平結構式互傳感器，介紹了其工作原理及其結構設計。另外，加工3m量程樣機，進行模擬試驗，分析了基本特性。

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，對初級線圈施加穩定交流穩流源，根據法拉第電磁定律，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。

表1 常溫下部分試驗數據

圖1 互感式液位傳感器原理圖

圖2 傳感器結構

圖3 與頻率的曲線圖

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測環境溫度，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、能節約成本。

3、試驗方案及數據分析：

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流源，振蕩頻率可在0.3～7kHz內連續設定。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流條件下的分度特性

透深度可由下式確定：=5033(/)1/2 (1)其中：為穿透深度，cm；為電阻率，Ω/cm；為頻率，Hz。在試驗之前，需要將加工好的傳感器進行退火（升溫到600℃,保溫半小時，然后自然降溫，共3次）來消除傳感器應力。在常溫條件下，對初級線圈施加恒定交流源，得到在不同頻率下次級線圈感應電壓隨液位變化的試驗數據，部分數據如表1所示。

該實驗數據在相同試驗環境條件下重復10次，取平均值得出。10次試驗結果輸出電壓測量值最大誤差小于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，線圈纏繞匝數受限。

3.1、最佳激勵源頻率選擇：

液位計傳感器制造加工裝配后，首先要確定的是電參數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最大值，即在零液位與滿液位情況下輸出電壓差值為最大值。圖2為初級線圈在不同激勵電流下與頻率的關系曲線的最大值均出現在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。

3.2、線性度分析：

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流情況下，在不同溫度環境下，次級輸出電壓與介質液位關系。

可以看出，在高溫環境下，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，線圈匝數少，導致輸出信號及靈敏度較小，需要改善優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。

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