Pierwszenstwo: Opublikowano: 18JV.1970(P140 124) 25.IV.1972 65339 KI. 42e,34 MKP GOlf 23/26 CZYTELNIA pPralif IzififfypotffliJU) Ludnej Wspóltwórca wynalazku: Jan Dziedzic Wlasciciel patentu: Instytut Badan Jadrowych, Warszawa (Polska) Uklad elektryczny czujnika do pomiaru poziomu cieklych metali Przedmiotem wynalazku jest uklad elektryczny czujnika do pomiaru poziomu cieklych metali w zbiornikach szczelnie zamknietych w ciezkich warunkach atmosfery agresywnej chemicznie, przy wysokich temperaturach oraz w strefie promienio¬ wania neutronowego i gamma. Uklad ten przezna¬ czony jest zasadniczo do pracy w predkich reakto¬ rach atomowych chlodzonych cieklym metalem, ale moze równiez znalezc zastosowanie w przemysle chemicznym do pomiaru poziomu cieklych metali w zbiorniku. Wymiana lub naprawa uszkodzonego czujnika nie wymaga rozszczelniania zbiornika.Znane dotychczas uklady pomiarowe zaopatrzone w czujniki oporowe, indukcyjne, ultradzwiekowe lub absorpcyjne wykazuja wiele wad takich, jak male nachylenie charakterystyki napieciowej, zalez¬ nosc wyniku pomiaru od temperatury, niski poziom sygnalu pomiarowego czujnika wymagajacy wypo¬ sazenia ukladu w aparature elektroniczna wzmac¬ niajaca, co w istotny sposób przyczynia sie do obni¬ zenia wspólczynnika niezawodnosci.Znane uklady z czujnikami elektrycznymi do ciaglego pomiaru poziomu cieczy przewodzacych posiadaja zwykle dwa uzwojenia, z których jedno zasilane jest ze zródla pradu zmiennego, drugie sta¬ nowi wtórne uzwojenie transformatora ze zmien¬ nym sprzezeniem elektromagnetycznym uzaleznio¬ nym od zmiany poziomu cieklego metalu miedzy uzwojeniami.Przykladem takiego rozwiazania jest poziomo- 10 15 20 so wskaz skladajacy sie z dwu plaskich prostokatnych oslon, w których umieszczono dwa uzwojenia z izo¬ lowanego drutu. Jedno z tych uzwojen pelni funk¬ cje nadajnika ze zródla o stalej sredniej czestotli¬ wosci pradu zmiennego, drugie zas jest odbiorni¬ kiem przekazujacym sygnaly do selektywnego wol¬ tomierza pelniacego role wskaznika.Innym znanym przykladem przyrzadu do pomiaru poziomu cieklych metali jest poziomowskaz, który ma równiez dwa uzwojenia nawiniete na wspólnej rurze wsporczej, wewnatrz której znajduja sie oporniki kompensujace wplyw temperatury.Znane jest równiez rozwiazanie przeznaczone do ciaglego pomiaru cieczy paramagnetycznych prze¬ wodzacych prad elektryczny a w szczególnosci cieklych metali alkalicznych przy pomocy uzwoje¬ nia pierwotnego zasilanego ze zródla pradu zmien¬ nego i uzwojenia wtórnego polaczonego z woltomie¬ rzem.Dlugosc uzwojen okreslona jest zakresem pomia¬ rowym przy czym sa one usytuowane wzgledem siebie koncentrycznie, tak ze ciecz znajduje sie po¬ miedzy obydwoma uzwojeniami. Co najmniej jedno z uzwojen nawiniete na rdzeniu z miekkiego zelaza zwisa od górnej pokrywy w osi zbiornika. Warun¬ kiem niezbednym do dzialania urzadzenia jest obec¬ nosc cieczy przewodzacej miedzy uzwojeniami.Podsumowujac, na ogól wszystkie tego typu po¬ ziomowskazy opieraja swe dzialanie na ukladzie transformatorowym i posiadaja caly szereg wad 653393 wymienionych powyzej, wynikajacych przede wszystkim z ukladu elektrycznego, a takze ze spo¬ sobu kompensacji wplywu temperatury.Celem wynalazku jest opracowanie ukladu elek¬ trycznego czujnika nie posiadajacego wymienionych niedogodnosci, o prostej konstrukcji, którego wska¬ zania beda niezalezne od wplywów temperaturo¬ wych, i obarczone niewielkim bledem odczytu.Cel ten zostal osiagniety poprzez zastosowanie ukladu elektrycznego czujnika do pomiaru poziomu cieklych metali zawierajacego cztery dlugie uzwo¬ jenia polaczone w ukladzie mostka pradu zmien¬ nego, dwa rdzenie oraz rure wsporcza. Przeciwlegle ramiona mostka sa rozmieszczone parami w dwóch pokrywajacych sie cylindrycznych warstwach wspólosiowych rozciagnietych na cala dlugosc za¬ kresu pomiarowego i polaczone w uklad mostkowy w taki sposób, azeby sily magnetomotoryczne wszystkich uzwojen mialy zgodna faze i sumowaly sie w rdzeniu srodkowym, a uzwojenia ramion na¬ winiete sa dwoma przewodami równoczesnie przy czym kazdy przewód stanowi oddzielne uzwojenie, tak ze dowolne dwa sasiednie ramiona mostka znajduja sie zawsze w dwóch warstwach róznych, a miedzy tymi warstwami uzwojen i w srodku czujnika znajduja sie wspólosiowe pokrywajace sie rdzenie ferromagnetyczne, miedzywarstwowy i srod¬ kowy, a calosc zmontowana jest na metalowej ru¬ rze wsporczej rozcietej na calej dlugosci zakresu pomiarowego wzdluz jednej z tworzacych.Uklad elektryczny czujnika stanowi czterora- mienny uklad mostka Wheatstone'a, a amperozwoje kazdego z uzwojen sumuja sie w osi czujnika, przy czym spadek napiecia pod wplywem obciazenia na uzwojeniach warstwy zewnetrznej powoduje wzrost napiecia na uzwojeniach warstwy wewnetrznej, a sygnal wyjsciowy jest wprost proporcjonalny do wysokosci poziomu cieczy w zbiorniku.Przy zasilaniu ukladu pradem o niskiej czestotli¬ wosci rdzen miedzywarstwowy jest ferromagnetycz¬ ny a rdzen srodkowy jest niemagnetyczny. Przy zasilaniu ukladu pradem o podwyzszonej czestotli¬ wosci 2-1-3 kHz rdzen miedzywarstwowy i rdzen srodkowy sa niemagnetyczne.Dzieki odpowiedniej konfiguracji ukladu uzysku¬ je sie duza czulosc, liniowosc wskazan oraz w przy¬ padku mostka symetrycznego dla pradu stalego, kiedy opornosci omowe wszystkich ramion sa sobie równe otrzymuje sie calkowita kompensacje tempe¬ raturowa czujnika.Sygnal z tak rozwiazanego ukladu mostkowego ma charakter amplitudowo-fazowy i moze byc wy¬ korzystywany w zaleznosci od zastosowanego de¬ tektora jako zaleznosc amplitudowa lub fazowa.Zastosowanie ukladu elektrycznego czujnika we¬ dlug wynalazku w poziomowskazie przeznaczonym do pomiaru poziomu cieklych metali w wysokich temperaturach w zbiornikach metalowych szczel¬ nie zamknietych upraszcza w sposób zasadniczy konstrukcje, eliminujac uzycie generatorów pod¬ wyzszonej czestotliwosci i wzmacniaczy dzieki du¬ zemu poziomowi sygnalu z wyjscia mostka.Poziomowskaz z zastosowaniem ukladu wedlug wynalazku zawiera transformator sieciowy zasila¬ jacy mostek, który steruje sygnalem wyjsciowym 65339 4 wyprostowanym i odfiltrowanym, wskaznik magne- toelektryczny lub rejestrator wyskalowany w jed¬ nostkach np. dlugosci.Uklad elektrycznego czujnika zostal uwidoczniony 5 w przykladzie wykonania na rysunku na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy polaczen uzwo¬ jen ukladu w konfiguracji mostka, a fig. 2 — wza¬ jemne polozenie uzwojen i sposób ich nawiniecia.Uklad elektrycznego czujnika posiada cztery 10 uzwojenia 1, 2, 3, 4 nawiniete na rurze 5 wspor¬ czej ze szczelina wzdluz calej dlugosci uzwojen i umieszczonym wewnatrz rdzeniem 7 srodkowym.Uzwojenia 1, 2, 3, 4 sa nawiniete, dwoma przewoda¬ mi parami 1, 4 i 2, 3 w dwu warstwach wspólosio- t5 wyeh przedzielonych rdzeniem 6 miedzywarstwo¬ wym, przy czym uzwojenia ramion przeciwleglych odznaczaja sie calkowitym sprzezeniem elektroma¬ gnetycznym. Calosc umieszczona jest w rurze oslon- nej. 20 w rdzeniu 7 srodkowym i na zewnatrz ukladu plynie strumien magnetyczny wywolany suma sil magnetomotorycznych od wszystkich uzwojen, na¬ tomiast w rdzeniu 6 miedzywarstwowym istnieje strumien magnetyczny wywolany róznica ampero- 25 zwojów uzwojen 1, 4 i 2, 3. Rdzenie sa wykonane z materialu ferromagnetycznego, którego tempera¬ tura przemiany magnetycznej jest wyzsza nie mniej jednak niz 20% od maksymalnej spodziewanej tem¬ peratury pracy w skali Celsjusza, lub z materialu 30 niemagnetycznego, wówczas maksymalna tempera¬ tura czujnika jest uwarunkowana tylko wytrzy¬ maloscia cieplna konstrukcji, przewodów, izolacji.Uklad wedlug wynalazku zostal zamontowany w zbiorniku z cieklym metalem. Ciekly metal tak 35 jak zwarty zwój trasformatora oddzialuje na strumien wypadkowy wszystkich uzwojen. W miare wzrostu poziomu zanurzenia nastepuje wzrost ob¬ ciazenia energetycznego glównie uzwojen warstwy zewnetrznej. Strumien magnetyczny od uzwojen 40 warstwy wewnetrznej zamyka sie przez rdzen 7 srodkowy i rdzen 6 miedzywarstwowy i to tym do¬ kladniej im bardziej sa obciazone uzwojenia war¬ stwy zewnetrznej. Spadkowi napiecia pod wply¬ wem obciazenia na uzwojeniach warstwy zewnetrz- 45 nej towarzyszy wzrost napiecia na uzwojeniach warstwy wewnetrznej.Traktujac uklad jako mostek pradu zmiennego, dla którego w stanie równowagi jest spelniona za¬ leznosc Zi = z2 = z8 = z4, gdzie z jest impedancja ra- 50 mienia mostka, otrzymuje sie sygnal wyjsciowy U0 wprost proporcjonalny do wysokosci poziomu me¬ talu w zbiorniku.W sensie modyfikacji przedstawionego wyzej ukladu elektrycznego czujnika do pomiaru poziomu 55 cieklych metali mozliwe jest zastapienie rdzeni fer¬ romagnetycznych 6, 7 rdzeniem niemagnetycznym np. powietrzem lub innym gazem, co przy jedno¬ czesnym wypelnieniu oslonnej rury atmosfera obo¬ jetna podnosi maksymalna temperature pracy czuj- 60 nika do 800°C. PL