CN103871521A - 一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种核电厂堆坑关键参数测量方法，具体涉及一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法。一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，它包括如下步骤，步骤一：选择参考工作点；步骤二：测量平均相对介电常数；步骤三：标定；步骤四：计算水位高度H。本发明的优点是，采用分段的基于电容测量介电常数来测量堆坑水位的方法原理简单，性能可靠，实用性强。特别是采用分段连续的方法，消除了各段内部模拟处理时的累积误差，将模拟处理的误差限定在一个测量单元内，大大提高了测量精度。

Description

一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法

技术领域

本发明属于一种核电厂堆坑关键参数测量方法，具体涉及一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法。 

背景技术

在三代核电技术中，部分核电厂采用了IVR技术，能够在严重事故条件下通过在反应堆压力容器外部注入冷却水对反应堆进行冷却，防止反应堆压力容器熔穿，减轻严重事故后果。在这样的系统中，大多需要测量堆坑中冷却水的水位，以更好地对冷却注水进行控制。 

但是，由于堆坑结构复杂，事故（特别是严重事故）条件下堆坑内流场和温度场都不稳定，波动很大，因此，采用传统的差压法测量堆坑水位非常困难。 

由于水和水蒸气之间的相对介电常数存在很大的差异，见下表，因此，利用该物理特性测量水和气的分界面是可行的。 

温度（℃）	饱和水相对介电常数	饱和水蒸气相对介电常数
			100	55.5271	1.0059
110	53.0183	1.0079
			120	50.6197	1.0105
130	48.3259	1.0138
			140	46.1313	1.0177

由于电容法是测量相对介电常数常用的方法，因此，研制一种结构简单、安全可靠的采用电容变化量的新型水位测量方法十分必要。 

发明内容

本发明的目的是提供一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，它的结构简单，性能可靠，可以在严重事故条件下连续测量堆坑水位的测量方法。 

本发明是这样实现的，一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，它包括如下步骤， 

步骤一：选择参考工作点； 

步骤二：测量平均相对介电常数； 

步骤三：标定； 

步骤四：计算水位高度H。 

所述的步骤一为选择100℃的饱和含硼水和100℃饱和蒸汽作为参考工作点。 

所述的步骤二为通过在堆坑中设置正负电极构成电容，通过测量电容可以计算出电容极板间介质的平均相对介电常数。将这样一对正负极板构成的电容定义为基本测量单元，通过从下往上设置多个基本测量单元构成测量系统，测量单元个数不小于3个，记录下每一个测量单元的高度以及其底部与测量水位零点之间的相对高度差。 

所述的步骤三为用测量单元在参考工作点分别测量水和蒸汽的介电常数，其中水的介电常数记为ε_rw，蒸汽的介电常数记为ε_rs。 

所述的步骤四为测量系统获得所有测量单元得到的平均相对介电常数后，根据安装位置从下往上的顺序，找出第一个测量相对介电常数小于5的测量单元，该测量单元标记为测量单元B，其测量得到的相对介电常数记为ε_rB，安装在其下面依次相邻两个测量单元分别标记为测量单元C和测量单元D，其测量得到的相对介电常数分别记为ε_rC，ε_rD，安装在测量单元B之上相邻的一个测量单元标记为测量单元A，其测量得到的相对介电常数分别记为ε_rA，A、B、C、D四个测量单元底部距离测量水位零点之间的相对高度差分别记为L_A、L_B、L_C、L_D，三个测量单元的自身高度分别为H_A、H_B、H_C、H_D； 

1）如果测量单元B是最下面一个测量单元，则当前水位为： 

$H=H_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rB}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

2）如果测量单元B是最上面一个测量单元，则比较ε_rC和ε_rD，如果两者的差值小于ε_rB，则 

$H=L_B+H_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rB}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

反之： $H=L_C+H_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rC}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

3）其余情况：比较ε_rA和ε_rB，如果两者的差值小于1，则当前水位为： 

$H=L_C+H_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rC}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}.$

本发明的优点是，本发明采用分段的基于电容测量介电常数来测量堆坑水位的方法原理简单，性能可靠，实用性强。特别是采用分段连续的方法，消除了各段内部模拟处理时的累积误差，将模拟处理的误差限定在一个测量单元内，大大提高了测量精度。此外，探测器无可动部件，在材料选择上范围广泛，寿命长，维护任务轻，不需要定期标定，非常适合于长期工作在恶劣环境以及放射性强的区域。 

附图说明

图1为测量系统示意图。 

图中，1测量单元A，2测量单元B，3测量单元C，4测量单元D。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍： 

本发明要解决的技术问题是通过充分的对象分析，采用基于水和水蒸气相对介电常数存在明显差异来实现高性能、高可靠性的堆坑连续水位测量。 

一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，包括： 

步骤一：选择参考工作点 

由于水和蒸汽的相对介电常数随介质的温度和是否有杂质都会有一定的 变化，因此选择良好的工作点十分必要。由于需要测量堆坑水位的工况一般发生在严重事故条件下，冷却水在流经压力容器外壁时被加热。通常不论是采用强迫循环还是自然循环冷却，冷却水在流出堆坑时基本都处于沸腾状态，且最高温度通常不会超过120℃。因此，选择100℃的饱和含硼水和100℃饱和蒸汽作为参考工作点是合适的，其他工况所产生的误差通常可以接受。 

步骤二：测量平均相对介电常数 

通过在堆坑中设置正负电极构成电容。电容的形式可以是圆筒形，也可以是平板型。电容极板应是上下均匀，正负极板间区域应为规则的矩形或者圆通形。通过测量电容可以计算出电容极板间介质的平均相对介电常数。 

将这样一对正负极板构成的电容定义为基本测量单元。通过从下往上设置多个基本测量单元构成测量系统，测量单元个数建议不小于3个。不同的测量单元高度可以不同，对于测量精度要求较高的区域测量单元应尽可能地小，最多小到允许误差的1/2高度。记录下每一个测量单元的高度以及其底部与测量水位零点之间的相对高度差。 

步骤三：标定 

标定的目的是得到参考的介电常数。用测量单元在参考工作点分别测量水和蒸汽的介电常数，其中水的介电常数记为ε_rw，蒸汽的介电常数记为ε_rs。 

步骤四：计算水位高度H 

测量系统获得所有测量单元得到的平均相对介电常数后，根据安装位置从下往上的顺序，找出第一个测量相对介电常数小于5的测量单元，该测量单元标记为测量单元B，其测量得到的相对介电常数记为ε_rB，如果所有测量单元获得的相对介电常数都大于5，则表示堆坑是满水状态。安装在测量单元B下面依次相邻两个测量单元分别标记为测量单元C和测量单元D，其测量得到的相对介电常数分别记为ε_rC，ε_rD。安装在测量单元B之上相邻的一个测量单元标记为测量单元A，其测量得到的相对介电常数分别记为ε_rA。 

A、B、C、D四个测量单元底部距离测量水位零点之间的相对高度差分别记为L_A、L_B、L_C、L_D，三个测量单元的自身高度分别为H_A、H_B、H_C、H_D。 

1）如果测量单元B是最下面一个测量单元，则当前水位为： 

$H=H_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rB}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

2）如果测量单元B是最上面一个测量单元，则比较ε_rC和ε_rD，如果两者的差值小于ε_rB，则 

$H=L_B+H_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rB}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

反之： $H=L_C+H_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rC}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

3）其余情况：比较ε_rA和ε_rB，如果两者的差值小于1，则当前水位为： 

$H=L_C+H_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rC}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

该方法的误差分析：如果堆坑水温度小于100℃，反应堆应处于安全状态，此时水位不是重要变量，如果水温度高于100℃，通常不会超过120℃测量结果相对实际值略有偏低，是保守的，且在误差可接受范围内。 

Claims (5)

1.一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，其特征在于：它包括如下步骤，

步骤一：选择参考工作点；

步骤二：测量平均相对介电常数；

步骤三：标定；

步骤四：计算水位高度H。

2.如权利要求1所述的一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，其特征在于：所述的步骤一为选择100℃的饱和含硼水和100℃饱和蒸汽作为参考工作点。

3.如权利要求1所述的一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，其特征在于：所述的步骤二为通过在堆坑中设置正负电极构成电容，通过测量电容可以计算出电容极板间介质的平均相对介电常数。将这样一对正负极板构成的电容定义为基本测量单元，通过从下往上设置多个基本测量单元构成测量系统，测量单元个数不小于3个，记录下每一个测量单元的高度以及其底部与测量水位零点之间的相对高度差。

4.如权利要求1所述的一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，其特征在于：所述的步骤三为用测量单元在参考工作点分别测量水和蒸汽的介电常数，其中水的介电常数记为ε_rw，蒸汽的介电常数记为ε_rs。

5.如权利要求1所述的一种采用电容变化量测量堆坑水位的方法，其特征在于：所述的步骤四为测量系统获得所有测量单元得到的平均相对介电常数后，根据安装位置从下往上的顺序，找出第一个测量相对介电常数小于5的测量单元，该测量单元标记为测量单元B，其测量得到的相对介电常数记为ε_rB，安装在其下面依次相邻两个测量单元分别标记为测量单元C和测量单元D，其测量得到的相对介电常数分别记为ε_rC，ε_rD，安装在测量单元B之上相邻的一个测量单元标记为测量单元A，其测量得到的相对介电常数分别记为ε_rA，A、B、C、D四个测量单元底部距离测量水位零点之间的相对高度差分别记为L_A、L_B、L_C、L_D，三个测量单元的自身高度分别为H_A、H_B、H_C、H_D；

1）如果测量单元B是最下面一个测量单元，则当前水位为：

$H=H_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rB}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

2）如果测量单元B是最上面一个测量单元，则比较ε_rC和ε_rd，如果两者的差值小于ε_rB，则

$H=L_B+H_B\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rB}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

反之： $H=L_C+H_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rC}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}$

3）其余情况：比较ε_rA和ε_rB，如果两者的差值小于1，则当前水位为：

$H=L_C+H_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rC}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rw}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rs}}}.$

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