CN104296822A - 一种超导电力设备的液位测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种超导电力设备的液位测量方法，通过同步测量进入杜瓦(1)内部的低温液体体积，以及低温液体气化后排出杜瓦(1)的气体体积，经过计算获得杜瓦(1)内部贮存的液体体积，并利用杜瓦(1)和超导绕组(11)的几何位置信息，最终得到液位信息。应用本发明方法的液位测量装置，其低温液体流量计(4)串联接在杜瓦(1)与进液管道(2)之间，用于测量流入杜瓦(1)内的液体体积。气体流量计(5)串联接在杜瓦(1)与排气管道(3)之间，用于测量杜瓦(1)排出的气体体积。数据采集与处理部件(6)与低温液体流量计(4)、气体流量计(5)连接，并对低温液体流量计(4)和气体流量计(5)的输出信号进行同步采集、计算和存储。

Description

一种超导电力设备的液位测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种应用于高温超导电力设备杜瓦内低温液体液位的测量方法与装置。

背景技术

超导电力设备中的超导体必须运行在一定的温度下，而目前绝大多数情况下该温度环境都由液氮、液氩等低温液体提供。为保证超导体运行的安全，必须对杜瓦内的低温液体液位进行实时测量，以免超导体在运行时因露出低温液体而发生损伤。

可用于低温液体液位测量的测量方法有多种，包含电容电容或射频导纳液位测量法、差压或静压式液位测量法、雷达或超声波液位测量法、电阻或半导体液位测量法、浮球式液位测量法等。

电容或射频导纳液位测量法是将电容探头插入被测液体，由于液体和气体的介电常数不一样，由此导致电容探头的电容值与被测液位呈线性关系，通过测量电容值则可以反向得到被测液体的液位。中国发明专利201110340863.X公开了一种电容液位计，其通过测量电容值计算获得液位，其在静态液体的液位测量中得到广泛应用。但是由于超导电力设备一般均处于高压、大电流状态，杜瓦内部的电场强度较大，且往往为交变电场，使得基于电容或射频导纳液位测量方法的液位计在该种环境下的测量误差较大。

差压或静压式液位测量法是同时测量被测容器底部和顶部的压力，而容器底部的压力为顶部气体压力和内部液体压力的和，由此通过比较即得到液体柱引起的压力差，进而能够计算出液体柱高度。中国发明专利201110415020.1公开了一种差压式液位计，其通过分别位于杜瓦顶部和底部的压力传感器测量液体柱引起的压力差而得到液位，在较大容积的容器液位测量中得到广泛应用。但是，很多超导电力应用中杜瓦的液位高度较小，差压式测量方法灵敏度难以满足较高精度的测量要求。另外，对于交流超导磁体，其使用的杜瓦为非金属结构，工艺上难以满足在容器底部增加一个液体引出管道。

雷达或超声波液位测量方法是利用位于被测容器顶部的发射探头发射雷达或超声波，通过测量雷达或超声波发射及液体表面反射回波之间的时间差，计算得到雷达波或超声波的行程，进而反推出容器内部液体的高度。中国发明专利201010586373.3公开了一种雷达液位计，其发射电磁波或超声波，并接收容器内液体反射的回波信号，测量电磁波或超声波的行程来确定液位高度，在大型容器液位测量中应用广泛。但是超导电力设备杜瓦内部空间狭窄，且液位高度一般均较小，雷达或超声波液位测量方法的精度难以保证。

电阻或半导体液位测量法利用电阻或半导体在气体和液体中热交换的差异进行液位指示。中国发明专利200610011627.2公开了一种PN结类型液位计，其利用二极管在浸入低温液体后的电流-电压特性发生较大变化实现液位测量。本质上来看，半导体PN结液位计或类似的热电阻形式液位计都是通过给定恒定的电流，使得测试探头产生一定热量，而探头在低温液体和气体中的热交换系数差别较大，使得探头在浸入或露出低温液体时的电压-电流特性差别较大，从而反应液位。但基于电阻或半导体液位测量法的液位计只能是离散测量固定点的液位，不能实现液位连续测量，且测量装置需要大量的引线，使得结构较为繁杂。

浮球式液位测量法利用液体对浮球/杆的浮力来实现液位测量。中国发明专利200610085887.4公开了一种浮力式深低温液位计，其利用液体对浮球/杆的浮力来表征液位的高度。基于浮球式液位测量法的液位计不易受外部电磁环境影响，性能稳定可靠，应用广泛。但是，这种类型的液位计均需要增加一定的机械结构，对于容器较小的超导电力设备较难实现，尤其是非金属结构的杜瓦工艺上难以实现附加低温回路。

发明内容

本发明的目的是克服电容或射频导纳液位测量法受电场影响大、差压/静压式和雷达/超声波式液位测量方法对小量程液位测量精度低、电阻或半导体液位测量法不能连续测量以及浮球式液位测量法机械结构复杂的缺点，提出一种应用于超导电力设备的杜瓦液位测量方法和装置。

本发明测量方法通过同步测量进液管道流过的低温液体量和排气管道排出的气体量，经过计算获得储存在杜瓦内部的液体体积和液位。

杜瓦内贮存的液体体积V_存液的计算方式如下：

上式中，V_进液为某一时刻低温液体流量计测量获得的低温液体体积；V_排气为相同时刻标准状态，即大气压为101.325kPa，温度为0℃下气体流量计测量获得的气体体积；C为相同质量的低温液体体积与完全气化至标准状态后气体体积之间的比值。根据热力学定律，不同的低温液体该系数是固定值，如在101.325kPa的标准大气压下，-195.8℃的液氮完全气化至0℃的氮气，氮气体积与液氮体积比值为646.5。

杜瓦内部超导绕组安装完毕后，杜瓦内部液体能够到达的空间即已经确定。由于杜瓦几何尺寸、超导绕组几何尺寸和位置均已知，则根据获得的液体体积V_存液，即可计算得到液体到达的高度的液位信息。。如杜瓦通常为圆柱结构，令其底面积为S_容器；超导绕组通常为环状圆柱形结构的绕组，令其环状圆柱的内径为r_超导，外径外R_超导，高度为h_超导。将超导绕组安装至杜瓦内部后，假设杜瓦内部底面至超导绕组下端面高度为h_间隙，则有：

本发明的测量方法通过同步测量进入杜瓦内部的低温液体体积，以及低温液体气化后排出杜瓦的气体体积，经过计算获得杜瓦内部贮存的液体体积，并利用杜瓦和超导绕组的几何位置信息，最终得到连续、实时的液位信息。

本发明测量方法可以对液位进行连续测量。本发明方法不在被测杜瓦内部引入电气连接，可避免杜瓦内部超导体高电压、大电流对测量结果的影响。

本发明的测量方法包含以下步骤：

(1)分别将低温液体流量计、气体流量计和数据采集与处理部件连接，即低温液体流量计的数据输出接口连接到数据采集与处理部件的第一输入接口，气体流量计的数据输出接口连接到数据采集与处理部件的第二输入接口；

(2)打开数据采集与处理部件的测试软件，实时采集低温液体流量计和气体流量计的输出数据；

(3)打开进液管道的阀门，将低温液体流经低温液体流量计注入杜瓦内部；

(4)注入杜瓦内部的低温液体部分气化后，经由排气管道排出杜瓦，此时由气体流量计同步测量经由排气管道排出的气体体积；

(5)数据采集与处理部件实时计算得到杜瓦内贮存的液体体积V_存液，

根据获得的液体体积V_存液，即可计算得到杜瓦内液体到达的高度。所述的杜瓦为超导电力设备必备装置，用于放置超导材料制作的超导绕组。通常情况下，杜瓦内部盛放液氮、液氩等低温液体，低温液体将杜瓦内部放置的超导绕组完全浸没。利用杜瓦和超导绕组的几何位置信息，可得到液位信息。

应用本发明测量方法的测量装置包括以下部件：低温液体流量计、气体流量计，以及数据采集与处理部件。低温液体流量计串联接入低温容器的进液管道，用于测量流入低温容器内的液体体积。所述的进液管道与杜瓦连接，以将低温液体输送至杜瓦内。气体流量计串联接入低温容器的排气管道，用于测量低温容器排出的气体体积。所述的排气管道与杜瓦连接，将杜瓦内部低温液体挥发产生的气体排出，以免大量气体导致杜瓦内部压力过高而损坏杜瓦。

所述的低温液体流量计串联连接在杜瓦与进液管道之间，位于杜瓦外部，通过法兰分别与杜瓦和进液管道连接。低温液体流量计可以为体积或质量测量形式的液体测量流量计，但是需要能够满足测量介质所需的工作温度范围。低温液体流量计的数据输出接口连接到数据采集与处理部件的第一输入接口，低温液体流量计输出的模拟或数字电信号通过通信电缆送入数据采集与处理部件。当通过进液管道往杜瓦内部注入低温液体时，低温液体流量计可以将注入杜瓦的低温液体体积或质量实时测量出，并由数据采集与处理部件进行采集、计算、存储等操作。

所述的气体流量计串联接在杜瓦与排气管道之间，位于杜瓦外部，通过法兰分别与杜瓦和排气管道连接。气体流量计可以为体积或质量测量形式的气体流量计，但是需满足测量介质所需的工作温度范围。气体流量计的数据输出接口连接到数据采集与处理部件的第二输入接口；气体流量计输出的模拟或数字电信号通过通信电缆输送至数据采集与处理部件。当杜瓦内部低温液体气化后通过排气管道排出杜瓦时，气体流量计可以将排出的气体体积或质量实时测量出，并由数据采集与处理部件进行采集、计算、存储等操作。

所述的数据采集与处理部件以计算机为核心组成，其内部包含能够实现模拟和数字信号采集的部件，并具有可以实现信号采集和处理、存储等功能的软件。数据采集与处理部件通过通信电缆与低温液体流量计、气体流量计进行连接，并对低温液体流量计和气体流量计的输出信号进行同步采集，并进行处理。

本发测量装置结构简单，可以避免现有测量方法及装置对杜瓦结构的破坏，对小容积的杜瓦也能保证高精度由于测量装置都处于杜瓦外部，不容易受到杜瓦内部超导绕组高电压、大电流的影响，便于维护。

附图说明

图1本发明方法测量流程图；

图2基于本发明方法的测量装置示意图，图中：1杜瓦、2进液管道、3排气管道、4低温液体流量计、5气体流量计、6数据采集与处理部件；

图3被测量装置示意图，图中：1杜瓦、11超导绕组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图2所示，应用本发明方法的低温液体液位测量装置包括低温液体流量计4、气体流量计5、数据采集与处理部件6。根据公知常识，被测量的装置通常包含杜瓦1、进液管道2和排气管道3，基于本发明方法的低温液体液位测量装置用于实时测量杜瓦1内部的低温液体液位。

本实施例中，杜瓦1为1250kVA高温超导变压器的非金属杜瓦，该杜瓦1为真空夹层结构，用于盛放液氮，采用蒸发冷却方式为1250kVA高温超导变压器的超导绕组11提供低温环境。该杜瓦1包含一根进液管道2和一根排气管道3。杜瓦1在装配完成后为密封结构，只能通过进液管道2和排气管道3与外界进行冷却介质交换，且排气管道3直接对大气排放，杜瓦1内部压力总保持在接近标准大气压的正压状态。正常运行时，首先通过进液管道2将液态氮注入杜瓦1内部，液态氮吸收超导绕组11产生的热量、杜瓦1的漏热等热量后变成氮气，直接经由排气管道3排出杜瓦1。

本实施例中，低温液体流量计4为罗斯蒙特8800D流量计，其通过法兰串联连接在杜瓦1与进液管道2之间。该型号的低温液体流量计4工作介质温度可以达到-200℃，可以用于液氮流量测量。该低温液体流量计4可以输出标准电流信号，其通过通信电缆直接连接在数据采集与处理部件6的信号输入接口。数据采集与处理部件6根据采集的信号，能够实时得到流经低温液体流量计4进入杜瓦1内部的液氮体积和质量。气体流量计5为七星华创CS200A型气体质量流量计，其通过法兰串联连接在杜瓦1与排气管道3之间。该型号的气体流量计5可以测量气体的质量流量，输出在标准状态下(大气压为101.325kPa，温度为0℃)的气体体积和质量。该气体流量计5可以输出标准的电压信号，其通过通信电缆直接连接在数据采集与处理部件6的信号输入接口。数据采集与处理部件6根据采集的信号，能够实时得到流经排气管道3排出杜瓦1的气体体积和质量。数据采集与处理部件6由计算机、数据采集卡和检测软件构成，其中计算机为普通台式或笔记本电脑，数据采集卡为NI公司生产的USB-6229数据采集卡，检测软件由LabVIEW 2011进行开发。数据采集与处理部件6的数据采集卡可以通过通信电缆直接与低温液体流量计4和气体流量计5连接，并将经由通信电缆传输的电流或电压信号转换为数字信号，由检测软件负责处理。检测软件将采集的信号经处理后，得到某一时刻进入杜瓦1内部的液氮累积体积和排出杜瓦1的标准状态下(大气压为101.325kPa，温度为0℃)氮气体积。由此可以计算出杜瓦1内贮存的液体体积V_存液，其计算方式如下：

上式中，V_进液为某一时刻低温液体流量计4测量获得的液氮累积体积；V_排气为相同时刻标准状态(大气压为101.325kPa，温度为0℃)下气体流量计5测量获得的气体累积体积；C为在101.325kPa的标准大气压下，-195.8℃的液氮完全气化至0℃的氮气，氮气体积与液氮体积比值，该数值为646.5。

如图1所示，本发明方法的测量过程包含以下步骤：

(1)分别将低温液体流量计4、气体流量计5和数据采集与处理部件6按照各自的使用说明书连接；

(2)打开数据采集与处理部件6的测试软件，同步对低温液体流量计4和气体流量计5的输出数据进行实时采集；

(3)打开进液管道2的阀门，将低温液体流经低温液体流量计4后注入杜瓦1内部，本实施例中低温液体为液氮；

(4)注入杜瓦1内部的低温液体部分气化后，经由排气管道3排出杜瓦1，此时由气体流量计5同步测量经由排气管道3排出的气体体积；

(5)数据采集与处理部件6实时计算得到杜瓦1内贮存的液体体积V_存液，计算方式如下：

上式中，V_进液为某一时刻低温液体流量计4测量获得的低温液体体积；V_排气为相同时刻标准状态，即大气压为101.325kPa，温度为0℃，下气体流量计5测量获得的气体体积；C为相同质量的低温液体体积与完全气化至标准状态后气体体积之间的比值，根据热力学定律，不同的低温液体该系数是固定值，在本实施例中低温液体为液氮，则C值为646.5。

(6)杜瓦1内部超导绕组11安装完毕后，杜瓦1内部液体可以到达的空间即已经确定。由于杜瓦1几何尺寸、超导绕组11几何尺寸和位置均已知，则根据获得的液体体积V_存液，即可计算得到液体到达的高度。如杜瓦1通常为圆柱结构，令其底面积为S_容器；超导绕组11通常为环状圆柱形结构的绕组，令其环状圆柱的内径为r_超导，外径外R_超导，高度为h_超导。将超导绕组11安装至杜瓦1内部后，假设杜瓦1内部底面至超导绕组11下端面高度为h_间隙，则有：

如图3所示，1250kVA高温超导变压器的超导绕组11置于杜瓦1内部。杜瓦1为环状圆柱，其内部空间的内径r_容器为195mm，外径R_容器为335mm，高度h_容器为640mm，则可以计算出杜瓦1内部空间的底面积S_容器：

杜瓦1内部的超导绕组11为环状圆柱，其内径r_超导为198mm，外径R_超导为320mm，高度h_超导为400mm，超导绕组11底部距离杜瓦1内部空间底面高度h_间隙为10mm，则有：

式中，h_液位表示杜瓦1内部液位的实时高度。

本发明测量方法通过同步测量进入杜瓦内部的低温液体体积，以及低温液体气化后排出杜瓦的气体体积，经过计算获得杜瓦内部贮存的液体体积，并利用杜瓦和超导绕组的几何位置信息，最终得到连续、实时的液位。由于本发明测量装置都位于杜瓦外部，不容易受到杜瓦内部超导绕组高电压、大电流的影响，便于维护。

Claims (2)

1.一种超导电力设备的液位测量方法，其特征在于，所述的测量方法通过同步测量进入杜瓦(1)内部的低温液体体积，以及低温液体气化后排出杜瓦(1)的气体体积，经过计算获得杜瓦(1)内部贮存的液体体积，并利用杜瓦(1)和超导绕组(11)的几何位置信息，最终得到液位信息；

杜瓦(1)内贮存的液体体积V_存液的计算方式如下：

上式中，V_进液为某一时刻低温液体流量计(4)测量获得的低温液体体积；V_排气为相同时刻标准状态，即大气压为101.325kPa，温度为0℃下气体流量计(5)测量获得的气体体积；C为相同质量的低温液体体积与完全气化至标准状态后气体体积之间的比值；

杜瓦(1)内部超导绕组(11)安装完毕后，杜瓦(1)内部液体能够到达的空间即已经确定；由于杜瓦(1)的几何尺寸、超导绕组(11)的几何尺寸和位置均已知，根据获得的液体体积V_存液，即可计算得到杜瓦(1)内部液位。

2.应用权利要求1所述的超导电力设备的液位测量方法的液位测量装置，其特征在于，所述的液位测量装置包括低温液体流量计(4)、气体流量计(5)和数据采集与处理部件(6)；所述的低温液体流量计(4)串联接在杜瓦(1)与进液管道(2)之间，用于测量流入杜瓦(1)内的液体体积；所述的低温液体流量计(4)位于杜瓦(1)外部，通过法兰分别与杜瓦(1)和进液管道(2)连接；当通过进液管道(2)往杜瓦(1)内部注入低温液体时，低温液体流量计(4)将注入杜瓦(1)的低温液体体积或质量实时测量出，并由数据采集与处理部件(6)进行采集、计算、存储；气体流量计(5)串联接在杜瓦(1)与排气管道(3)之间，位于杜瓦(1)的外部，通过法兰分别与杜瓦(1)和排气管道(3)连接；气体流量计(5)用于测量杜瓦(1)排出的气体体积；所述数据采集与处理部件(6)通过通信电缆与低温液体流量计(4)、气体流量计(5)连接，并对低温液体流量计(4)和气体流量计(5)的输出信号进行同步采集、计算和存储。