CN108387287B - 一种浮筒式高温钠钾合金液位计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种浮筒式高温钠钾合金液位计，包括液位传感器、可编程逻辑控制器和温度控制单元；可编程逻辑控制器用于输出修正补偿数据；温度控制单元用于对液位传感器的环境数据进行补偿；液位传感器包括外筒体、内浮筒和气体隔离型差动变压器；内浮筒通过弹簧悬挂于外筒体内部；外筒体与被测容器形成连通器结构；内浮筒能够随工质液位变化而与外筒体产生相对位置变化；气动隔离型差动变压器的铁芯与内浮筒相对固定；外筒体与气动隔离型差动变压器的线圈相对固定。本发明的有益效果为：结构简单，成本较低，精确度较高，可靠性较好，在实验室条件下容易实现。

Description

一种浮筒式高温钠钾合金液位计
技术领域
本发明属于材料分析领域，具体涉及一种浮筒式高温钠钾合金液位计。
背景技术
高温条件下液态金属钠钾合金液位的连续精确测量一直是困扰科研工作者的难题，这主要由于钠钾合金物性及其运行工况共同造成的。钠钾合金化学特性活泼，易燃易爆，其常温为液态，饱和蒸气压较低，在高温条件下较其它液态金属(如钾、钠)更易形成蒸气，钠钾合金蒸气弥散在液面上方，并在温度较低处凝结。在通常工况下，钠钾合金液面上方会有一定压力的覆盖气体，设备进行的抽真空操作会进一步加剧钠钾合金由液态向蒸气态的转变。综上所述，由于工质高温、金属蒸气凝结和覆盖气体压力多变等因素使得多数液位计都无法长期工作。现实中，由于探头或波导杆(束)被金属蒸气凝结后附着，超声波、雷达和红外反射式液位计均会失效。依靠放射源工作的液位计虽可正常工作，但引发的辐射安全问题突出。在这种情况下，通常以电感、差压、浮力变化为工作原理的液位计工作较为可靠。
钠钾合金液位计通常在工质温度0℃-600℃，工质压力为0-0.3MPa(绝对压力)条件下，液面测量液位分辨率为1mm，测量精确度≤±5.0mm，响应时间≤0.5s，稳定性要求优于12个月。
高温复杂压力条件下的液态金属钠钾合金液位测量需求一般仅存在于科研领域，市场无法提供成熟货架产品可供选用，用户一般会针对性组织开发相应测量手段。
针对电感式液位计的高成本及复杂的标定过程和差压式液位计在复杂环境下的低可靠性能，本发明提供了一种基于差动变压器的变浮力浮筒式液位计。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种浮筒式高温钠钾合金液位计，至少能够提供一种新的解决高温复杂压力条件下的液态金属钠钾合金液位测量问题的可选方案。
本发明的技术方案如下：
一种浮筒式高温钠钾合金液位计，包括液位传感器、可编程逻辑控制器和温度控制单元；
所述可编程逻辑控制器用于根据所述被测容器的环境数据和所述液位传感器的环境数据输出修正补偿数据；
所述温度控制单元用于根据所述修正补偿数据对所述液位传感器的环境数据进行补偿；
所述液位传感器包括外筒体、内浮筒和气体隔离型差动变压器；所述内浮筒通过弹簧悬挂于所述外筒体内部；所述外筒体与被测容器形成连通器结构；所述内浮筒能够随工质液位变化而与所述外筒体产生相对位置变化；所述气动隔离型差动变压器的铁芯与所述内浮筒相对固定；外筒体与所述气动隔离型差动变压器的线圈相对固定。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述外筒体的上部和下部分别设有内浮筒上导向管和内浮筒下导向管；所述内浮筒的上部和下部分别设有与所述内浮筒上导向管配合的上导向杆和与所述内浮筒下导向管配合下导向杆。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述下导向杆上设置带有纵向沟槽。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述上导向杆上还设置有异形交错沟槽。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述内浮筒上导向管和内浮筒下导向管均为管状，并在壁面设置有泄压孔。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述外筒体内部设置有金属蒸气冷凝回流结构，所述金属蒸气冷凝回流结构包括贯穿外筒体筒壁的散热片。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述下导向管的下口设置有排液口，所述排液口处设置有VCR盲堵。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，还包括设置于所述上导向管的上方的弹簧室，所述弹簧安装在所述弹簧室的密封腔室中，下部支撑在弹簧室底座上，上部悬挂内浮筒。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述上导向管上设置有阻碍金属蒸气附着于弹簧室的散热片。
进一步地，上述的浮筒式高温钠钾合金液位计，所述外筒体上部设置有浮筒检修法兰。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的液位计结构简单，基于力学平衡原理，原理简单，液面变化高度与工质密度和弹簧弹性系数k有关，在温度稳定的情况下，液面变化高度仅与弹簧弹性系数k有关，成本较低，精确度较高，可靠性较好，在实验室条件下容易实现。
2、本发明提供的液位计适应钠钾合金工质工作温度范围较宽，可由0℃至600℃，适应钠钾合金压力范围较广，由绝对压力0Pa至0.3MPa或更高。
3、本发明提供的液位计设计了金属蒸气冷凝回流结构，可有效缓解钠钾合金蒸气对液位计测量的影响，可在高温工质和低压条件下工作。
4、本发明提供的液位计由于进行主动温度控制，同时具有钠钾合金工质密度补偿功能，因此可获取较高的测量精度。
5、本发明提供的液位计具有蒸气凝结探测装置和可拆卸清洗的结构，当蒸气凝结严重影响测量准确度时可进行清洗作业。
附图说明
图1为本发明的浮筒式高温钠钾合金液位计的结构示意图。
图2为本发明的液位传感器的原理示意图。
图3为本发明的液位传感器的结构示意图。
上述附图中，1、外筒体；2、上导向管；3、下导向管；4、冷凝回流结构；5、内浮筒；6、排液口；7、工质连接筒；8、浮筒检修法兰；9、弹簧室；10、弹簧；11、弹簧室检修法兰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种浮筒式高温钠钾合金液位计，包括液位传感器、可编程逻辑控制器和温度控制单元；所述可编程逻辑控制器用于根据所述被测容器的环境数据和所述液位传感器的环境数据输出修正补偿数据；所述温度控制单元用于根据所述修正补偿数据对所述液位传感器的环境数据进行补偿；所述液位传感器包括外筒体1、内浮筒5和气体隔离型差动变压器；所述内浮筒5通过弹簧10悬挂于所述外筒体1内部；所述外筒体1与被测容器形成连通器结构；所述内浮筒5能够随工质液位变化而于所述外筒体1产生相对位置变化；所述气动隔离型差动变压器的铁芯与所述内浮筒5相对固定；外筒体1与所述气动隔离型差动变压器的线圈相对固定。根据所述气动隔离型差动变压器的线圈和铁芯的相对位置变化即可确认液位变化。
本实施例中的气动隔离型差动变压器用于测量液位变化引起的浮筒位移，其输出信号幅值与浮筒位移变化量成正比。区别于常规差动变压器，其内部设有气体隔离盲管。差动变压器的铁芯设置在盲管内，差动变压器的线圈设置在盲管外部，实现测量功能的同时实现气体隔离，使液位传感器浮筒在封闭环境下工作。所述逻辑可编程控制器(控制与补偿单元)主要负责液位传感器外筒体1的温度测量和温度控制，依据被测液位容器及液位传感器内工质温度进行密度补偿计算，修正测量液位数值。浮筒液位传感器、被测液位容器温度的测量采用热电偶，为精确测量被测液位容器工质温度，热电偶安装在容器热偶阱内。温度控制单元，用于接收逻辑可编程控制器发出的温度控制信号，控制加热器功率，使测量浮筒液位传感器温度在指定范围值内，主要包括功率电路和加热器。加热器被安装于浮筒液位传感器外筒体1外壁面。具体安装时，取外筒体1测量工作区中部外表面的适当位置，点焊安装绝缘型铠装热电偶，并在外壁安装加热器，由逻辑可编程控制器实施闭环温度控制，工作在特定温度上。
液位传感器工作时，外筒体1内工作区的工质液位发生变化时，内浮筒5带动差动变压器铁芯位置发生变化，差动变压器通过检测铁芯位置，就可得到液面的位置数据，在不考虑温度效应的情况下，液面的位置与差动变压器输出信号具有线性单调对应关系。由于被测容器内工质的温度通常较高，且有一定变化范围。若液位传感器不进行温度控制，液位传感器内工质液位通常比被测容器内的液位要低，这是由于液位传感器内的钠钾合金温度较低，密度较大。若仅进行温度补偿而液位传感器不实施主动温度控制，由于钠钾合金的热分层效应(同时被测容器内钠钾合金也可能出现热分层，但分层状况与液位计内部情况并不相同)，补偿误差较大，故此，对液位传感器进行主动温度控制，使其内部工质处于同一温度下，减小了热分层效应，进而提高了测量精度。由于引入主动温度控制，液位计还可模拟被测容器内钠钾合金的热分层效应，以进一步提高测量精度。上述温度的测量、控制与温度效应修正与补偿，由逻辑可编程控制器和温度控制单元共同完成。液位传感器的温度控制可设置追随被测容器内工质温度，也可设定为固定值，但一般设为追随被测容器内工质温度。具体为：工质压力为0-0.3MPa(绝对压力)，当被测容器内工质温度为500℃，液位传感器外筒体1温度为500℃，在0％-100％液位测量区内，测量确度≤±4.0mm，响应时间≤0.1s，液位分辨率1mm。
如图2所示，本发明的技术方案是基于力学平衡基本原理，具体为：
k·δL＝δF (1)
式中：k—弹簧弹性系数；
δL—弹簧形变量；
δF—液位变化引起的内浮筒浮力变化。
δF＝ρ·δV·g (2)
式中：ρ—工质密度；
δV—液位变化引起的内浮筒排液体积变化；
g—重力加速度。
δV＝S·δh (3)
式中：S—内浮筒截面积；
δh—液位变化高度。
δL＝ρ·S·δh·g/k (4)
故液面变化高度ΔH为：
ΔH＝δh+δL＝δh·(1+ρ·S·g/k) (5)
由上述公式可知，弹簧形变量δL正比于液位变化高度ΔH。弹簧形变量δL即是差动变压器的铁芯位移量。浮筒式钠钾合金液位计在工作时，浮筒所受的浮力是变化的，但始终处于力学平衡状态，即浮筒结构的重力等于弹簧弹力与浮筒所受浮力之和。
如图3所示为本发明的浮筒式高温钠钾合金液位计的液位传感器的具体结构，所述外筒体1的上部和下部分别设有内浮筒上导向管2和内浮筒下导向管3，以保证内浮筒5工作时仅能沿外筒体1及内浮筒5轴向方向运动。所述内浮筒5整体为密封的大长径比薄壁筒体，上部和下部分别设有与所述内浮筒上导向管2配合的上导向杆和与所述内浮筒下导向管3配合下导向杆。导向杆插入相应的导向管内。外筒体1外部的适当位置设置有属于所述温度控制单元的热电偶、加热器及保温结构。所述下导向杆上设置带有纵向沟槽，防止由于导向管内外压力不平衡造成浮筒卡死。所述上导向杆上还设置有异形交错沟槽，用于强化残余金属蒸气冷凝与回流效果。所述内浮筒上导向管2和内浮筒下导向管3均为管状，并在壁面设置有泄压孔，防止由于导向管内外压力不平衡造成浮筒卡死。导向管内壁面的加工精度较高，目的为减小其与下导向杆之间摩擦力。
所述外筒体1内部设置有金属蒸气冷凝回流结构4，所述金属蒸气冷凝回流结构4包括贯穿外筒体1筒壁的散热片；用于将在浮筒液面上方空间内弥漫的金属蒸气冷凝成液体并回流，由外筒体1内筒壁和散热片构成回流通道。由于散热片直接贯穿到气腔内部，金属蒸气更易在其表面凝结并形成金属液滴，当液滴达到一定尺寸时，依靠重力作用回流至液面。
进一步地，所述下导向管的下口设置有排液口6，所述排液口6处设置有VCR盲堵，以适应高温液态金属工质。在检修时，打开丝堵，可将液位传感器内残留工质排出。
工质连通管7设置在外筒体1侧壁上，共2根，分别为上保护气体连通管和下工质联通管。连通管的作用是将液位传感器与被测容器D构成连通器结构，液位传感器内工质产生的压强等于被测容器内工质产生的压强。连通管设置VCR接头，以适应高温液态金属工质。下工质联通管外部设置有保温结构。工质连通管7通过焊接密封连接在外筒体1上，连通管的一侧密封焊接有VCR接头，将其连接至被测容器的配对VCR接头上。
本实施例中还包括设置于所述上导向管的上方的弹簧室9，所述弹簧10安装于安装在所述弹簧室9的密封腔室中，下部支撑在弹簧室9底座上，上部悬挂内浮筒5。弹簧室9上方设置弹簧室检修法兰11，法兰形式为高真空密封法兰，密封垫圈材质可为镍、软铁，检修法兰打开时，可将内浮筒5及弹簧10抽出。
所述内浮筒上导向管2上设置有阻碍金属蒸气附着于弹簧室9的散热片；其作用使残留金属蒸气冷凝，防止金属蒸气在弹簧室9内凝结，同时也可保持弹簧10处于环境温度。具体而言，内浮筒上导向管2上部暴露于空气，其外壁面设有环状散热片，用于阻止液位计工作区的热量向上方传导，同时提供二次冷凝，以防止残余金属蒸气在弹簧室9内凝结，也可保持弹簧10处于正常工作温度范围内。弹簧室9下部底座与内浮筒上导向管2上部密封焊接连接，弹簧室9上部与弹簧室检修法兰11下法兰密封焊接连接。法兰形式为高温真空密封法兰，密封垫圈为镍垫圈、软铁垫圈或铜垫圈。密封法兰上法兰与差动变压器12的内部气体隔离盲管进行密封焊接连接。
所述外筒体1上部设置有浮筒检修法兰；下法兰与外筒体1密封焊接连接，浮筒检修法兰8上法兰与内浮筒上导向管2密封焊接连接。法兰形式为高真空密封法兰，密封垫圈材质可为镍、软铁，检修法兰8打开时，可将内浮筒5抽出。
安装法兰时，须保证安装精度，防止轴不对中而引起内浮筒5动作不顺畅甚至卡死。内浮筒上导向管2下部插入外筒体1内部一定深度，起定位导向内浮筒5的作用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种浮筒式高温钠钾合金液位计，其特征在于：包括液位传感器、可编程逻辑控制器和温度控制单元；
所述可编程逻辑控制器用于根据被测容器的环境数据和所述液位传感器的环境数据输出修正补偿数据；
所述温度控制单元用于根据所述修正补偿数据对所述液位传感器的环境数据进行补偿；
所述液位传感器包括外筒体、内浮筒和气动隔离型差动变压器；所述内浮筒通过弹簧悬挂于所述外筒体内部；所述外筒体与被测容器形成连通器结构；所述内浮筒能够随工质液位变化而与所述外筒体产生相对位置变化；所述气动隔离型差动变压器的铁芯与所述内浮筒相对固定；外筒体与所述气动隔离型差动变压器的线圈相对固定；
所述外筒体的上部和下部分别设有内浮筒上导向管和内浮筒下导向管；所述内浮筒的上部和下部分别设有与所述内浮筒上导向管配合的上导向杆和与所述内浮筒下导向管配合下导向杆；
所述上导向杆上还设置有异形交错沟槽；
所述下导向杆上设置有纵向沟槽；
所述外筒体内部设置有金属蒸气冷凝回流结构，所述金属蒸气冷凝回流结构包括贯穿外筒体筒壁的散热片；
还包括设置于所述内浮筒上导向管上方的弹簧室；
所述内浮筒上导向管上设置有阻碍金属蒸气附着于弹簧室的散热片。
2.如权利要求1所述的浮筒式高温钠钾合金液位计，其特征在于：所述内浮筒上导向管和内浮筒下导向管均为管状，并在壁面设置有泄压孔。
3.如权利要求1所述的浮筒式高温钠钾合金液位计，其特征在于：所述内浮筒下导向管的下口设置有排液口，所述排液口处设置有VCR盲堵。
4.如权利要求1所述的浮筒式高温钠钾合金液位计，其特征在于：所述弹簧安装在所述弹簧室的密封腔室中，下部支撑在弹簧室底座上，上部悬挂内浮筒。
5.如权利要求1-4任一所述的浮筒式高温钠钾合金液位计，其特征在于：所述外筒体上部设置有浮筒检修法兰。
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