CN101460815B - 液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置(2)，该装置基于已加热的热电偶(HT)和未加热的热电偶(UHT)作为信号发生器的应用，用于在液体容器里、尤其是在核技术设备的反应堆容器(4)里测量液位，本发明可以在保持结构简单以及高的故障安全性的情况下实现特别精确和可靠的对于液位的测量。为此，提供了多个长的、相互间隔开的测量管(6)，其中每个测量管(6)具有一些在纵向方向上分散设置的热电偶(HT，UHT)，而且其中一个布置在第一个测量管(6)上的、通过加热元件(HE)加热并起到主信号发生器作用的热电偶(HT)在信号侧对应配置有起到参考信号发生器作用的、未加热的热电偶(UHT)，所述未加热的热电偶布置在一个与第一个测量管(6)不同的测量管(6)上。

Description

液位测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于已加热的和未加热的热电偶作为信号发生器的应用的装置，该装置用于测量液体容器中、尤其是核技术设备的反应堆容器中的液位。

背景技术

在测量装置或者液位探头中，根据由一个已加热的热电偶所产生的热应力可以推断出在一个液体容器中的液位高度，测量装置或者液位探头尤其被使用在核电厂里。因为它们相对于基于其它测量原理的测量装置来说对于放射性辐射比较不敏感并因此也可以在可能发生的辐射值升高的故障情况下可靠地工作。这种型式的测量装置尤其是应用在压水反应堆的反应堆压力容器里，以便在那里监测流过发电设备的主回路(Primaerkreislauf)的、在燃料元件上方的冷却液体的液位高度。

测量原理充分利用了各种不同的热传递特点，这些特点一方面在热量从一个加热元件传到一个包围住这个加热元件的液体冷却剂时出现，并且另一方面在传到一种气体状或者蒸气状介质上时出现。只要加热元件被液体冷却剂包围着，那么由它所产生的热量就被迅速地传出，从而即使在其紧靠的周围，温度也比在未加热情况下出现的那个周围环境温度高不了多少。例如，如果在反应堆正常运行期间或者也在反应堆有故障情况下出现以下情况：根据运行情况或者根据主回路里的压力损失，反应堆压力容器里的液位降低到加热元件的高度之下，该加热元件因此被蒸气状冷却剂包围了，那么传热性能就变差了。这造成了：在加热元件周围的温度升高，这种升高可以通过一个相邻于加热元件所安设的温度计或者一个温度探测器来证明。由于其可靠和牢固的运行方式，一般可以使用热电偶作为温度探测器，这些热电偶提供一种基本上与温度成比例的热应力。

通常在一个杆状或者管状支架上或者一个长的测量管上相互之间以大多有规律的间距布置了多个已加热的热电偶，该测量管浸入到就其液位而言要监测的液体里，并在其内部通过有供电-和信号线路，这些线路对于加热元件的供电和将信号传输给外部的评估单元来说是必要的。布置在不同高度上的传感器或检测位置因此可以实现对容器中的液位高度进行数字式的、空间上不连续的显示，其中(位置的)分辨率取决于每个高度段的温度传感器的数量。这种型式的测量装置例如已在RU2153712C1中公开。除了这些起到主信号发生器作用的已加热的热电偶之外，在测量管内部还布置了多个未加热的热电偶，这些热电偶提供一种配合于各个主信号的参考信号。这样就可以在评估温度信息以及由此推导求取液位高度时也考虑到液体的或周围环境的温度随时间的变化。如果没有这样的措施，那么例如液体温度的升高或者降低就可能错误地被表示为液体高度的变化或者液体高度实际上的变化被液体温度的同时的变化“掩盖”住。

在根据RU2153712C1所述的测量装置中未加热的热电偶分别相比于已加热的热电偶高度上偏置地设置在测量管内部，从而它们至少相当地防止了受到作用于加热热电偶上的加热元件或者加热区的影响。热变换作用，也就是说对本身未加热的热电偶的不受欢迎的加热，尽管如此没有排除，并且测量结果在一定情况下可能有错。

另一方面这些相互配合的已加热的和未加热的热电偶位于各个不同的高度水平上。如果(这在实践中经常出现)在包围住测量装置的液体高度上有一个不可忽视的温度梯度的话，那么这尤其可能导致测量结果的不准确和错误判断。此外在测量装置的一种这样的设计方案中，可能的测量位置的数量和由此液位显示的高度分辨率由于探头外壳或者说测量管外壳的几何设定值而大大受到限制。此外对于一个给定高度来说，只是可以实现一种测量单元或者说热传感器；并没有提供冗余。最后根据RU2153712C1所述的装置还有以下缺点：所有已加热的热电偶通过一个共同的具有串联的加热区的加热丝来加热。若加热丝受损并且电流中断的话，整个测量装置就失效了。

发明内容

因而本发明的任务是提出一种开头所述类型的用于测量液位的装置，这种装置在结构型式保持简单和在具有高的故障安全性的情况下可以实现对液位高度的特别精确和可靠的测量。

该任务根据本发明通过一种用于测量液位的装置或者说通过一种具有多个长的、相互间隔开的测量管的液位探头来解决，其中每个测量管具有一些在纵向方向上分散设置的热电偶，而且其中一个布置在第一个测量管上的、通过加热元件加热的并起到主信号发生器作用的热电偶在信号时间上对应配置有一个起到参考信号发生器作用的未加热的热电偶，该未加热的热电偶布置在一个与第一个测量管不同的测量管上。液位测量装置包括有至少三个测量管，其中一个布置在第一个测量管上的未加热的热电偶起到用于至少二个已加热的热电偶的参考信号发生器的作用，而且其中至少二个已加热的热电偶布置在与第一个测量管不同的、而且优选地也是相互不同的测量管上。所有在信号侧相互配合或者说相互对应配置的热电偶优选地分别位于相同的高度上。因此通过二个已加热的热电偶可以实现关于主信号的冗余。因为未加热的热电偶的功能由于不存在有受加热限制的误差-和故障源而较少受到故障情况的威胁，因此一般将一个唯一的，未加热的热电偶应用作为多个已加热的热电偶的参考信号发生器就足够了。未加热的热电偶因此也就是说是多个成对的、用于进行共同的信号评估的连接起来的信号发生器的组成部分。不言而喻，本领域技术人员可以在所述方案的框架内也还实现其它常用的冗余构造，例如主信号的三倍冗余或者也可以是关于参考信号的一个冗余。

本发明从以下考虑出发：虽然好像总是可以通过同时地应用多个已知的测量装置来实现冗余和故障安全性。但是这只是部分地弥补了单个测量装置的上述缺点，尤其是这关系到可以进行的测量精度。取而代之应该坚持不懈地转向以下认识：正是在一个反应推压力容器里的冷却液体中，当然也是在许多其它的系统中，液体温度在横向的，也就是说水平的方向上的变化通常比之在几何(geodaetisch)垂直的方向上的变化少多了。这就是说，在液体内的局部温度梯度(由外部(边界)条件和液体动力学以及在液体内的热量传输来预先规定或者产生)大部分在高度扩展方向上比在垂直于高度扩展方向的方向上重要得多，并且因此必须在由温度数据求出液位高度时也更重要地加以考虑。因此可以毫无困难地并且没有信息内容或测量精度的损失地将各个测量点在横向上，也就是说水平方向上相互分开或者说分布，并且充分利用这样赢得的自由度以实现一种特别可靠和准确的测量原理。

此处这种构思通过多个基本相互平行的并且垂直地浸入液体的测量管来实现，其中每个测量管装有一些热电偶。与已知类型的同样型式的测量管的简单的平行装配不同，其中这样已知类型的测量管的测量信号相互分开地被准备并被转换成(冗余的)液位信息，现在则提出使在信号侧直接相属的(zusammengehoerige)和相互配合的主信号发生器和参考发生器分布在各个不同的、空间上分开的测量管上。

换句话说：一个布置在某一个高度上的已加热的热电偶安装在第一个测量管上或者内部并且由此起到主信号发生器的作用，也就是说对于取决于周围介质的聚集态的传热性能方面的变化有反应，这个热电偶对应布置有一个布置在第二个测量管上或者内部的未加热的热电偶作为参考信号发生器，其中第一个和第二个测量管通过一个中间空间相互间隔开。同时由参考热电偶所提供的数据在一个评估单元里与主热电偶的数据一起进行处理，其中根据参考信号考虑受外部状况限制的冷却剂温度随时间的波动或者变化。例如可以由主信号和参考信号构成一个差别信号或者说差值信号作为用于考虑环境温度的特别简单的措施。

已加热的热电偶和信号时间上对应配置于它的未加热的热电偶优选地位于相同的高度上，因此尤其是在温度梯度沿着冷却剂高度上(也就是垂直方向上)分布时，保证了特别精密的测量和对数据的可靠的评估。对于所有相关的高度来说优选地设计有这种类型的成对的装在不同的测量管上或者测量管内部的、已加热的和未加热的热电偶。由于空间上分开并布置在分开的测量管上或者测量管内部，主发生器和参考信号发生器的不受人欢迎的相互影响被尽可能地抑制，这是因为从加热的至未加热的热电偶的直接涡流传导例如通过在测量管外壳内部的导热而排除了。

在另一种有利的设计方案中设计规定：一个测量管，但优选地是所有测量管，只包括有已加热的热电偶或者只包括有未加热的热电偶。尤其是一种具有三个测量管的变化方案是有利的，其中一个测量管只具有未加热的热电偶，另外二个测量管只具有已加热的热电偶，其中一个未加热的热电偶在信号侧分别配合有或者说对应配置有至少一个位于相同高度的已加热的热电偶。因此可以将所有的未加热的参考热电偶装在一个测量管里，在这个测量管里并没有布置会产生干扰的加热丝或其它的加热元件。除了由于在测量管内的导热引起未加热热电偶的一种不受欢迎的加热之外也避免了一种“对流的”交换作用，如果在一个唯一的测量管里，一个未加热的热电偶布置在另一个已加热的热电偶之上的话，那么总是可能存在这种交换作用。这样，因为已加热的热电偶可能加热围住它的介质，因而该介质就可能沿着管的外壁向上爬升并且在未加热的热电偶旁边流动经过。按照这从现在起设计的构思，热电偶的布置和格局避免了这样的问题并因此可以实现对参考温度的一种特别准确而不受干扰的测量。

因为在最后所述的情况下，具有已加热的热电偶的测量管不必装有未加热的热电偶，因此那里就有额外的安装空间可供使用，这个空间在一定条件下可以装配其它的测量位置，从而形成一种特别高的传感器密度，或者说一种高的位置分辨率。另一个可供选择的设计目标可以在于：将已加热的热电偶在确切地说低的“密度”时分布在多个测量管上，其中“密度”也就是说每个长度单位的数量，从而即使是在一个测量管内的已加热的热电偶也尽可能少地相互受到影响，例如由于在测量管外壳里或者在管内部的导热。

一个测量管的所有的已加热的热电偶有利地配合有或者说对应配置有一个共同的加热丝。其中该加热丝可以是指一种在所有待加热的电热偶旁边经过的加热丝，它具有串联连接的具有比较高的电阻的加热区，这些加热区分别定位于待加热的热电偶附近。在一种有利的备选实施方式中，一个测量管的每个已加热的热电偶配有一个自身的加热元件。在这种变化方案中通过单独调节加热电流或者说加热电压就可以对每个单个的热电偶进行特别精确而且按照需要的加热。一个热电偶则也可以有选择地被用作为加热的或者未加热的热电偶。

液压测量仪的测量探头优选地由一个共同的保护外壳包围，这外壳具有一些通孔用于与周围的液体液位平衡。保护外壳不仅防止测量管受到外来机械的作用，而且尤其是在将测量装置装入在核电厂的一个反应堆压力容器里时，阻止了在主回路里循环的、具有比较高的流动速度的冷却液体出现在测量管上，如果这样的话会使测量结果失真。而是使在测量管紧邻的周围的液体流动通过保护外壳而得以平静，然而其中这样来设计通孔的尺寸，即保护外壳内部的液位能够迅速地适应变化的外部液位。此外在二相混合时要求分开成液体和气体状成分，因而在保护外壳或者保护管的内部形成一个有效的液面，然后测量其高度。

如开头所述，用于监测液位的装置有利地是在一个核反应堆中，尤其是在一个压水反应堆中的安全装置的组成部分。不言而喻，也可以考虑其它的应用领域，在这些应用领域中，即使在周围环境的条件不利时，简单、精确和牢靠地测量液位也是可能的。

采用本发明所实现的优点尤其在于：通过将不同的在信号侧互补的传感器类型在空间上分离开并通过将它们分布在多个在空间上间隔开的测量管上，而实现一种特别适合于精密测量的用于测量液位的装置，这种装置很大程度上克服了产生干扰的外部和内部影响因素。此外在这种新的设计中，装置的所有主要部件可以不用花费很多地设计成冗余，这样恰恰对于安全关键的使用目的来说，例如在一种核技术设备中，是特别有利的。因为可以使每个起到主信号发生器作用的已加热的热电偶配合有或者说对应配置一个位于相同高度上的未加热的参考热电偶，因此可以不受周围环境影响地随时得到一种特别精密的对于液位的说明。

附图说明

以下按照附图对于本发明的实施例进行详细说明。附图所示为：

图1：一个用于测量液位的装置的示意性的局部侧剖简图；

图2：通过图1所示装置的剖视图；

图3：说明测量原理的图表，在该图表中展示了由一个主信号发生器和一个配合于或者说对应配置于它的参考信号发生器求出的数据以及所属的差别信号作为时间的函数。

在所有附图中对于相同的部分采用同一个标号。

具体实施方式

一个在图1中以局部侧剖视图示出并在图2中以剖视图示出的用于液位测量的装置2用于监测在一个未详细示出的压水反应堆的反应堆压力容器4里的冷却液体F的液位高度。装置2包括有三个分别设计成仪表长管型式的长的测量管6，它们在装配测量装置2时从上面经过为其设计的在盖板8里的开孔装入到反应堆压力容器4的内部，并且在核反应堆运行时至少部分地浸入冷却液体F里。液面高度或者液位高度在容器的底面之上在图1中用H表示，其中当然可以应用其它的参照水平。蒸气状的冷却介质，简称蒸气D位于液位之上。

液位探头2的三个测量管6都是垂直指向的并且相互间隔开地装在反应堆压力容器4里，也就是说它们相互平行，但并不接触。如在根据图2的剖面中可见的那样，三个测量管6大约布置在一个等边三角形角点或者说顶点上，也就是说在每二个测量管6之间的间距对于所有配对来说同样大小，通常为0.5cm至1.5cm。三个管6被一个圆柱形保护管10包围住，该保护管至少在下部和上部边缘区域具有一些在这里没有详细示出的通孔或者说通气孔，从而使得在保护管10内部的冷却液体F的液位总是可以在没有外界帮助和没有重大的时间延迟的情况下与反应堆压力容器4里的外部液位平衡。例如存在有的涡流或类似的流动被镇静下来，从而防止了该布置在保护管10内的测量管6受到这样的影响。在图1侧视图中为了清楚起见没有画出保护管10。

三个测量管6中的每个测量管具有一个在下端防水密封地封闭起来的圆柱形外壳12，其内经大约为1cm，壁厚为大约2cm，该外壳由一种不透水的、压力稳定的、耐腐蚀的和导热良好的材料组成：在实施例中为此目的使用了优质钢或者说不锈钢。在每个测量管6的内腔14里设有一些热电偶。用“管1”指示的测量管包含有二个已加热的热电偶(heated thermocouples)，即位于一个高度h₁上的已加热的热电偶HT1和位于其上方的、置于高度h₂上的已加热的热电偶HT3。标以“管3”的测量管在其内腔14里同样也包含有二个已加热的热电偶，即在高度h₁上的已加热的热电偶HT2和位于其上方的在高度h₃上的已加热的热电偶HT4。规定h₃＞h₂＞h₁，其中在实施例中在水平之间的间距是同样大小。此外在管1和管3的内腔14里布置有加热元件(heating elements)，也就是在管1中的HE1和管3中的HE2。加热元件分别设计成加热丝，它们在待加热的热电偶HT1和HT3或者说HT2和HT4旁边经过，其中加热丝具有位于该热电偶附近的加热区，借助于这些加热区使周围加热。无论是加热元件HE1或HE2还是热电偶HT1和HT3或HT2和HT4，都直接贴靠在导热良好的外壳12的内壁上，其中加热元件的二边分别被热电偶“围住”或者夹在中间(见图2)。加热丝以及用于热电偶的供电或信号传输所必要的信号和供电线路被导入在各个测量管6的内腔14里，一直到一个位于反应堆压力容器4的盖板8外部的连接适配器16。通过二个连接适配器16，热电偶HT1至HT4在信号侧与一个在这里只是示意性地示出的电子评估单元18相连接。

标以“管2”的测量管6在其内腔14里包含四个未加热的热电偶(unheated thermocouples)，其中二个布置在高度h₁上(UHT1和UHT2)，各有一个布置在高度h₂上和h₃(UHT3和UHT4)。未加热的热电偶UHT1至UHT4也分别与导热良好的外壳12的内腔直接接触并在信号侧通过一个这里未详细示出的连接适配器与外部配置的评估单元18连接。然而在管2里绝不设有加热装置或类似装置。

为了对信号进行评估并求出液位，每个已加热的热电偶(主信号发生器)和一个位于相同高度上(在另一个测量管内部)的未加热热电偶(参考信号发生器)联合在一起。在评估单元里进行信号处理时，构成四个配对(HT1，UHT1)至(HT4，UHT4)，这在图1中示意性地用框住互补的热电偶的虚线来示出。

已加热的和未加热的热电偶的作用方式和它们用于液位测量的应用示范性地以信号发生器配对(HT4，UHT4)为基础来加以说明。首先从一种常规的反应堆运行出发，这种运行在反应堆压力容器4里具有恒定的液位高度并具有完整的冷却回路，也就是说随时间而不变的冷却剂温度。只要冷却液体F的液位位于已加热的热电偶HT4的安装高度之上(H＞h₃)的话，那就将从热电偶HT4周围的加热元件HE2所输出的热量比较有效地通过外壳12的壁板传出并传输至冷却液体F。因为不断有新的，也就是说冷的冷却液体F跟着流入反应堆压力容器里(在热力学上为开放式系统)，因此在热电偶HT4周围的壁板温度相比于未加热的情况，以未加热的热电偶UHT4为代表，几乎不升高。从相互配合或者说对应配置的热电偶的热应力分别推导出的在热电偶的位置上的温度变化曲线(温度T_HT和T_UHT)作为时间的函数示范地在图3中示出。在到达时刻t₁之前该曲线相当于前面所描述的场景。同样也在图表中记录的有温度差T_HT-T_UHT，该温度差在直至时刻t₁前接近于零。

在时刻t₁处假设是一种反应堆故障，这种故障在反应堆压力容器4里的冷却液体F的液位高度H首先保持不变时导致冷却剂温度的(整体的)升高。因此在所有三个测量管6的外壁上的温度就升高。尤其是由热电偶UHT4和HT3所检测到的温度以相同程度升高。在一定条件下存在的温度层效应，也就是说在垂直方向上的温度梯度，就不起什么作用，这是因为二个相互配合的测量位置位于相同的高度上，也就是h₃。温度差T_HT-T_UHT因此在时间间隔t₁至t₂迫近等于零。

如果如这里所假设的那样，只有冷却液体F的液面高度H降低到水平h₃以下(H＜h₃)，那么上述情况才在时间t₂处发生变化。虽然在这二个测量位置处的环境温度变化开始并不是很大，因为位于液体液面之上的蒸气D具有与冷却液体F类似的温度。然而传热性能相对于在已加热的热电偶HT4的位置处的传热来说却突然地变差了。通过加热元件HE2提供的热量则不能再如同以前那样以相同的大小被输出到周围环境里，从而由热电偶HT4所测得的温度T_HT就急速地上升，见图3。因此自时刻t₂起在已加热的和未加热的热电偶之间的温度差的突然升高是降低到高度h₃以下的液位水平的一种可靠的指示。类似的考虑也适合于水平h₂和h₁。

因为冷却液体F降到水平h₁以下被认为是特别危险的，因此液位监测特别要保证这种水平：用二个传感器配对(HT1，UHT1)和(HT2，UHT2)设计了二种相互独立的、冗余的测量。在一种可选的、这里未示出的实施方式中只是关于二个已加热的热电偶HT1和HT2有冗余，而只有一个唯一的未加热的热电偶，也就是说或者UHT1或者UHT2，设计作为用于这二个已加热的热电偶的参考信号发生器。

标号表

2  测量装置/液位探头

4  反应压力容器

6  测量管

8  盖板

10  保护管

12  外壳

14  内腔

16  连接适配器

18  评估单元

HT  已加热的热电偶

UHT  未加热的热电偶

HE  加热单元

D  蒸气

K  冷却液体

H  液位高度

Claims (12)

1.用于在液体容器里测量液位的装置(2)，该装置具有至少三个长的、相互间隔开的测量管，包括第一测量管；其中每个测量管具有一些在纵向方向上分散设置的热电偶(HT，UHT)，这些热电偶包括：至少两个已加热的热电偶(HT)，所述已加热的热电偶(HT)通过加热元件(HE)加热并起到主信号发生器作用，每一个热电偶设置在这些测量管中的相应测量管中；以及未加热的热电偶(UHT)，所述未加热的热电偶在信号侧对应于所述已加热的热电偶配置，所述未加热的热电偶布置在一个与所述相应测量管不同的测量管上并且起到了用于至少两个已加热的热电偶(HT)的参考信号发生器的作用。

2.根据权利要求1所述的装置(2)，具有多个相互成对地对应配置的已加热的热电偶(HT)和未加热的热电偶(UHT)，其中每个已加热的热电偶(HT)在信号侧都对应配置有一个未加热的热电偶(UHT)，而且其中一个这样配对的两个热电偶(HT，UHT)分别布置在不同的测量管上。

3.根据权利要求2所述的装置(2)，在所述装置中至少两个已加热的热电偶(HT)布置在相互不同的测量管上。

4.根据权利要求1所述的装置(2)，在所述装置中，至少一个主信号-参考信号-配对的两个热电偶(HT，UHT)布置在相同高度上。

5.根据权利要求4所述的装置(2)，其中所有的主信号-参考信号-配对的各自的二个热电偶(HT，UHT)布置在相同高度上。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中一个测量管或者只包括已加热的热电偶(HT)或者只包括未加热的热电偶(UHT)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所有测量管或者只包括已加热的热电偶(HT)或者只包括未加热的热电偶(UHT)。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2)，具有三个测量管，其中一个只具有未加热的热电偶(UHT)，而另外两个只具有已加热的热电偶(HT)，其中每一个未加热的热电偶(UHT)在信号侧至少对应配置有一个布置在相同高度上的已加热的热电偶(HT)。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2)，其中一个测量管的所有已加热的热电偶(HT)对应配置有一个共同的加热丝。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2)，其中一个测量管的每个已加热的热电偶(HT)对应配置有一个自身的加热元件(HE)。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2)，其中所述测量管被一个共同的保护外壳或保护管(10)围住，所述保护外壳或保护管具有一些通孔用于与周围的液位平衡。

12.核技术设备，具有一个根据权利要求1至11中任一项所述的用于测量液位的装置(2)。

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