RU2252397C1

RU2252397C1 - Inductive level meter

Info

Publication number: RU2252397C1
Application number: RU2003129834/28A
Authority: RU
Inventors: В.В. Лешков (RU); В.В. Лешков; В.Д. Таранин (RU); В.Д. Таранин
Original assignee: Лешков Владимир Васильевич; Таранин Владимир Дмитриевич
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-05-20

Abstract

FIELD: measuring equipment engineering.

SUBSTANCE: device has excitation winding, fed by alternating current and measuring winding, connected to alternating voltage meter. Both windings are enveloped by protective cover, placed in controlled electric-conductive environment. To provide for high sensitivity to level of environment and decrease of temperature error from influence of construction materials, conductors of measuring winding are distanced from excitation winding conductors for distance, equal to one to ten sums of thickness of protective cover and radius of excitation winding cable cover. Also provided are different variants of constructions of level meters both with solenoid and frame windings.

EFFECT: higher precision.

7 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред и может быть использовано преимущественно для измерения уровня жидких металлов в металлургии и атомной энергетике.The present invention relates to the field of monitoring the level of electrically conductive media and can be used primarily for measuring the level of liquid metals in metallurgy and nuclear energy.

Известен уровнемер жидкого металла по патенту ФРГ №1210998, кл.42е34, состоящий из двух плоских обмоток, погруженных на некотором расстоянии друг от друга в контролируемую среду, в котором одна из обмоток питается переменным напряжением и является обмоткой возбуждения, а другая - измерительной обмоткой, выходное напряжение которой меняется с изменением уровня вследствие экранирующего воздействия электропроводной среды.The known liquid metal level gauge according to the patent of Germany No. 1210998, class 42e34, consisting of two flat windings immersed at some distance from each other in a controlled environment in which one of the windings is supplied with alternating voltage and is an excitation winding, and the other is a measuring winding, the output voltage of which varies with level due to the screening effect of the conductive medium.

Недостатком этого уровнемера является необходимость иметь в составе уровнемера для каждой из обмоток свой плоский защитный чехол, что не обеспечивает необходимую жесткость конструкции, кроме того, защитные чехлы в соответствии с принципом действия уровнемера должны располагаться с небольшим зазором друг от друга. Такая конструкция оказывается неработоспособной в промышленных условиях эксплуатации вследствие зашлаковывания зазора примесями в контролируемом жидком металле. Например, при контроле уровня натрия в жидкометаллических контурах атомных электростанций (АЭС) в протяженных плоских зазорах высаживаются окислы натрия, и уровнемер теряет чувствительность к уровню контролируемой среды.The disadvantage of this level gauge is the need to have a flat protective cover for each of the windings, which does not provide the necessary structural rigidity, in addition, protective covers in accordance with the principle of operation of the level gauge should be located with a small gap from each other. This design is inoperative in an industrial environment due to slagging of the gap by impurities in a controlled liquid metal. For example, when controlling the level of sodium in the liquid metal circuits of nuclear power plants (NPPs), sodium oxides are deposited in extended flat gaps, and the level gauge loses sensitivity to the level of the controlled environment.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является уровнемер по а.с. №901833, кл. G 01 F 23/26, в котором обмотка возбуждения и измерительная обмотка размещаются в общем цилиндрическом герметичном защитном чехле, погруженном в контролируемый жидкий металл. В этом уровнемере обмотка возбуждения и измерительная обмотка являются жилами одного жаростойкого кабеля, выполненного в виде нержавеющей металлической оболочки, внутри которой находятся две токоведущие жилы, изолированные друг от друга и от оболочки минеральной изоляцией на основе окиси магния. Индуктивная связь между обмотками зависит от уровня жидкого металла снаружи цилиндрического чехла, т.к. вихревые токи, наводимые в металле под действием обмотки возбуждения, ослабляют ее электромагнитное поле, соответственно изменяется ЭДС, наводимая в измерительной обмотке.Closest to the technical nature of the proposed device is a level sensor on.with. No. 901833, class G 01 F 23/26, in which the field winding and the measuring winding are housed in a common cylindrical sealed protective case immersed in a controlled molten metal. In this level gauge, the field winding and the measuring winding are the cores of one heat-resistant cable, made in the form of a stainless metal sheath, inside of which there are two current-carrying conductors, isolated from each other and from the sheath by mineral insulation based on magnesium oxide. The inductive coupling between the windings depends on the level of the molten metal outside the cylindrical case, since eddy currents induced in the metal under the action of the field winding weaken its electromagnetic field, respectively, changes the EMF induced in the measuring winding.

Недостатком уровнемера по а.с. 901833 является невысокая чувствительность, которая является следствием близкого расположения обмоток друг от друга и, соответственно, достаточно высокого коэффициента их взаимоиндукции, слабо зависящего от наличия жидкого металла за стенкой защитного чехла. Указанная особенность рассматриваемого уровнемера поясняется схемой его работы, приведенной на фиг 1. В поперечном разрезе уровнемер представляет собой защитный чехол 1, внутри которого закреплен рабочий элемент датчика. Рабочий элемент представляет собой спираль из жаростойкого кабеля в металлической оболочке 2, прижатую изнутри к стенке защитного чехла 1. Внутри оболочки 2 находятся проводник 3 обмотки возбуждения и проводник 4 измерительной обмотки. Пространство между оболочкой 2 кабеля и проводниками 3 и 4 заполнено минеральной изоляцией 5. При протекании по проводнику 3 переменного тока вокруг него возникает электромагнитное поле, изображенное на фиг. 1 в виде концентрических окружностей В вокруг проводника 3.The disadvantage of the level gauge as. 901833 is a low sensitivity, which is a consequence of the close proximity of the windings from each other and, accordingly, a sufficiently high coefficient of their mutual induction, weakly dependent on the presence of liquid metal behind the wall of the protective cover. The indicated feature of the level gauge in question is illustrated by the scheme of its operation shown in Fig. 1. In cross section, the level gauge is a protective cover 1, inside which the working element of the sensor is fixed. The working element is a spiral of heat-resistant cable in a metal sheath 2, pressed from the inside to the wall of the protective cover 1. Inside the sheath 2 are a conductor 3 of the field winding and a conductor 4 of the measuring winding. The space between the cable sheath 2 and the conductors 3 and 4 is filled with mineral insulation 5. When an alternating current flows through the conductor 3, an electromagnetic field arises around it, shown in FIG. 1 in the form of concentric circles B around the conductor 3.

Из электротехники известно, что величина индукции поля вокруг проводника с током обратно пропорциональна расстоянию от центра проводника. Как видно из фиг.1, большая часть силовых линий поля В проводника 3 охватывает проводник 4 измерительной обмотки, не заходя в зону контролируемого жидкого металла 6, и, соответственно, наличие или отсутствие металла 6 не влияет на эту часть поля В. Только небольшая часть силовых линий поля, охватывающая проводники 3 и 4, проходит через металл 6, соответственно ее изменение при наличии металла и определяет полезную часть сигнала, наводимого в проводнике 4. Часть поля В, не выходящая в зону контролируемого металла 6, не несет информации об уровне и в то же время является источником температурной погрешности уровнемера, т.к. наиболее часто используемые для оболочек кабеля и защитного чехла нержавеющие стали имеют значительный температурный коэффициент электропроводности, а изменение электропроводности конструкционных материалов, находящихся в поле проводника 3 обмотки возбуждения, приводит к изменению сигнала измерительной обмотки 4, как и при изменении уровня.From electrical engineering it is known that the magnitude of the induction of the field around a conductor with current is inversely proportional to the distance from the center of the conductor. As can be seen from figure 1, most of the field lines of field B of conductor 3 covers the conductor 4 of the measuring winding without going into the zone of the controlled liquid metal 6, and, accordingly, the presence or absence of metal 6 does not affect this part of field B. Only a small part field lines of the field, covering the conductors 3 and 4, passes through the metal 6, respectively, its change in the presence of metal and determines the useful part of the signal induced in the conductor 4. The part of the field, which does not go into the zone of the controlled metal 6, does not carry information about the level and in the same time is a source of temperature error of the level gauge, because stainless steels that are most often used for cable sheaths and a protective cover have a significant temperature coefficient of electrical conductivity, and a change in the electrical conductivity of structural materials located in the field of the conductor 3 of the field coil leads to a change in the signal of the measuring winding 4, as well as when the level changes.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности уровнемера за счет увеличения отношения сигнал-шум, а основным источником шума индуктивного уровнемера в соответствии с рассмотренной схемой его работы является температурная составляющая.The aim of the invention is to reduce the error of the level gauge by increasing the signal-to-noise ratio, and the main source of noise of the inductive level gauge in accordance with the considered scheme of its operation is the temperature component.

Для достижения поставленной цели в уровнемере, содержащем обмотку возбуждения и измерительную обмотку, заключенные в защитный чехол, погруженный в контролируемую среду, проводники измерительной обмотки отнесены от проводников обмотки возбуждения на расстояние больше, чем суммарная толщина радиуса оболочки кабеля и стенки защитного чехла.To achieve this goal in a level gauge containing an excitation winding and a measuring winding enclosed in a protective cover immersed in a controlled environment, the conductors of the measuring winding are separated from the excitation winding conductors by a distance greater than the total thickness of the radius of the cable sheath and the wall of the protective cover.

Работа предлагаемого устройства поясняется схемой, приведенной на фиг 2, на которой уровнемер представлен в поперечном разрезе. Внутри защитного чехла 1 размещены спираль проводника 3 обмотки возбуждения и спираль проводника 4 измерительной обмотки, заключенные в оболочки 2 и изолированные от оболочек 2 минеральной изоляцией 5. Защитный кожух 1 помещен в контролируемую среду 6.The operation of the proposed device is illustrated by the circuit shown in Fig 2, in which the level gauge is presented in cross section. Inside the protective cover 1 there is a spiral conductor 3 of the field winding and a spiral conductor 4 of the measuring winding, enclosed in shells 2 and insulated from shells 2 by mineral insulation 5. The protective shell 1 is placed in a controlled environment 6.

Проводник 3, питаемый переменным током, создает переменное магнитное поле В, часть силовых линий которого, обозначенных как 7, 8, 9, замыкаются внутри защитного чехла 1, не выходя в контролируемый жидкий металл 6, а часть силовых линий поля В, обозначенных как 10, 11, 12, выходят в металл 6. Проводник 4 измерительной обмотки размещен на таком расстоянии L от проводника 3, что он охватывается только линиями поля 10, 11, 12, выходящими в контролируемый металл 6. Соответственно и индуцируемое в проводнике 4 переменное напряжение будет определяться только той частью поля В, которая проникает в контролируемый металл, и не будет зависеть от поля внутри наружной поверхности защитного чехла 1. Соответственно доля полезного сигнала в измерительной обмотке 4 предложенного уровнемера будет существенно больше, чем в уровнемере, схема которого показана на фиг 1. Как видно из схемы, приведенной на фиг 2, до контролируемой среды 6 не доходят те линии поля 7, 8, 9, которые отстоят от проводника 3 на расстоянии меньшем, чем суммарная толщина радиуса оболочки 2 кабеля и толщина оболочки защитного чехла 1. Измерительная обмотка 4 находится вне силовых линий 7, 8, 9 поля В и охватывается только линиями 10, 11, 12 поля, замыкающимися через контролируемый металл 6. Чем дальше разнесены проводники 3 и 4, т.е. чем больше величина L, тем большая часть длины силовых линий, охватывающих проводник 4, будет проходить по жидкому металлу 6 и, соответственно, больше доля вклада измеряемой среды в величину ЭДС измерительной обмотки 4. С другой стороны, увеличение расстояния L ведет к уменьшению индукции поля в зоне измерительной обмотки 4. Наиболее оптимальное удаление измерительной обмотки 4 от обмотки возбуждения 3 лежит в интервале 1-10 сумм толщины стенки защитного чехла 1 и радиуса оболочки 2 кабеля с проводником 3 обмотки возбуждения. Фактически в предложенном устройстве жидкий металл выполняет роль экрана между обмотками 3 и 4, хотя и находится снаружи защитного чехла 1. Таким образом, в предлагаемом изобретении совмещаются высокая чувствительность устройства по патенту ФРГ №1210998 и конструктивные преимущества устройства по а.с. 901833, в то же время устранены ранее рассмотренные недостатки этих уровнемеров.The conductor 3, powered by alternating current, creates an alternating magnetic field B, part of the lines of force, designated as 7, 8, 9, are closed inside the protective cover 1, without going into the controlled liquid metal 6, and part of the lines of field B, marked as 10 , 11, 12, exit into the metal 6. The conductor 4 of the measuring winding is placed at such a distance L from the conductor 3 that it is covered only by the field lines 10, 11, 12 that go into the controlled metal 6. Accordingly, the alternating voltage induced in the conductor 4 will be determined only by that h the field B, which penetrates into the controlled metal, and will not depend on the field inside the outer surface of the protective cover 1. Accordingly, the proportion of the useful signal in the measuring winding 4 of the proposed level gauge will be significantly larger than in the level gauge, the diagram of which is shown in Fig. 1. As can be seen from the circuit shown in FIG. 2, those lines of the field 7, 8, 9 that are separated from the conductor 3 at a distance less than the total thickness of the radius of the sheath 2 of the cable and the thickness of the sheath of the protective cover 1 do not reach the controlled medium 6 I winding 4 is located outside the field lines 7, 8, 9 of field B and is covered only by field lines 10, 11, 12, which are closed through the controlled metal 6. The further the conductors 3 and 4 are separated, i.e. the larger the value of L, the greater the length of the field lines covering the conductor 4 will pass through the liquid metal 6 and, accordingly, the greater is the contribution of the measured medium to the EMF of the measuring winding 4. On the other hand, an increase in the distance L leads to a decrease in the field induction in the zone of the measuring winding 4. The most optimal distance of the measuring winding 4 from the field winding 3 lies in the range of 1-10 sums of the wall thickness of the protective cover 1 and the radius of the sheath 2 of the cable with the conductor 3 of the field winding. In fact, in the proposed device, the liquid metal acts as a screen between the windings 3 and 4, although it is located outside the protective cover 1. Thus, in the present invention, the high sensitivity of the device according to the Federal Republic of Germany patent No. 1210998 and the design advantages of the device as. 901833, at the same time, the previously considered disadvantages of these level gauges are eliminated.

Конструктивно предложенное устройство может быть реализовано в виде соленоидов или в виде удлиненных прямоугольных параллельных рамок. Такая конструкция изображена на фиг 3, одна из рамок образованна проводниками обмотки возбуждения 3, а другая - проводниками измерительной обмотки 4. Проводники рамок располагаются друг от друга на расстоянии L, оптимальная величина которого находится в интервале от 1 до 10 сумм толщины стенки защитного чехла 1 и радиуса оболочки 2 кабеля обмотки возбуждения 3. Количество рамок обмотки возбуждения и измерительной обмотки может быть различным в зависимости от внутреннего диаметра защитного чехла, важно, чтобы расстояние L между ними соответствовало paнее указанному отличительному признаку предлагаемого изобретения. На фиг 3 приведена конструкция уровнемера с одной рамкой обмотки возбуждения 3 и двумя рамками измерительной обмотки 4. Изменение уровня Н вызывает изменение выходного напряжения измерительной обмотки 4.Structurally, the proposed device can be implemented in the form of solenoids or in the form of elongated rectangular parallel frames. This design is shown in Fig. 3, one of the frames is formed by the conductors of the field winding 3, and the other by the conductors of the measuring winding 4. The conductors of the frames are spaced from each other at a distance L, the optimal value of which is in the range from 1 to 10 sums of the wall thickness of the protective cover 1 and the radius of the sheath 2 of the field winding cable 3. The number of frames of the field winding and the measuring winding can be different depending on the inner diameter of the protective cover, it is important that the distance L between them corresponds oval earlier than the distinguishing feature of the invention. Figure 3 shows the construction of the level gauge with one frame of the field winding 3 and two frames of the measuring winding 4. Changing the level H causes a change in the output voltage of the measuring winding 4.

Обмотки возбуждения и измерительная могут быть выполнены также в виде соленоидов одинакового диаметра с достаточно большим шагом витков, размещенных внутри защитного чехла таким образом, что витки соленоида измерительной обмотки находятся между витками обмотки возбуждения на ранее указанном расстоянии. Уровнемер такой конструкции изображен на фиг 2.The excitation and measuring windings can also be made in the form of solenoids of the same diameter with a sufficiently large step of the turns located inside the protective cover so that the turns of the solenoid of the measuring winding are between the turns of the field winding at a previously specified distance. A level gauge of this design is shown in FIG. 2.

Чувствительность уровнемера можно еще более увеличить, если обмотки возбуждения и измерительную разместить между двумя коаксиальными трубами, погруженными в жидкий металл так, что он может заполнять внутреннюю трубу. В этом случае роль защитного чехла выполняют обе трубы, но в верхней части уровнемера должно быть окно 14, сообщающее между собой полости внутри внутренней трубы и снаружи наружной трубы, чтобы обеспечить принцип сообщающихся сосудов. Такая конструкция приведена на фиг 4. Обмотки 3 и 4 размещаются в зазоре между трубами или внутри канавок, выполненных в стенках труб. В зависимости от глубины канавок зазор между трубами может быть уменьшен до нуля, тогда защитный чехол будет представлять собой толстостенный полый цилиндр, внутри стенок которого заключены обмотки.The sensitivity of the level gauge can be further increased if the field windings and the measuring coil are placed between two coaxial tubes immersed in the molten metal so that it can fill the inner tube. In this case, both pipes play the role of a protective cover, but in the upper part of the level gauge there should be a window 14 communicating with each other the cavities inside the inner pipe and outside the outer pipe to ensure the principle of communicating vessels. This design is shown in Fig 4. The windings 3 and 4 are placed in the gap between the pipes or inside the grooves made in the walls of the pipes. Depending on the depth of the grooves, the gap between the pipes can be reduced to zero, then the protective cover will be a thick-walled hollow cylinder, inside the walls of which windings are enclosed.

Если необходимо измерять уровень в сосуде небольшого диаметра с относительно тонкими стенками, то роль защитного чехла может выполнять сам этот сосуд, а обмотка возбуждения и измерительная обмотка крепятся снаружи чехла, как показано на фиг 5, причем обмотки могут быть как рамочной, так и соленоидной конструкции.If it is necessary to measure the level in a vessel of small diameter with relatively thin walls, then the vessel itself can play the role of a protective cover, and the field winding and the measurement winding are attached to the outside of the cover, as shown in Fig. 5, and the windings can be either a frame or a solenoid design .

Большинство уровнемеров, используемых для контроля уровня жидкого металла в установках атомной энергетики, используются для контроля уровня в баках, имеющих так называемую газовую подушку - объем в верхней части бака, заполненный газом, который при нормальных условиях эксплуатации не может заполняться жидким металлом. В этом объеме температура за счет конвекции газа будет близкой к температуре ниже находящегося жидкого металла.Most of the level gauges used to control the level of liquid metal in nuclear power plants are used to control the level in tanks with a so-called gas cushion - the volume in the upper part of the tank filled with gas, which under normal operating conditions cannot be filled with liquid metal. In this volume, the temperature due to gas convection will be close to the temperature below the liquid metal.

Если в верхней части защитного чехла уровнемера, находящейся выше диапазона изменений уровня металла, поместить дополнительную обмотку, расположенную на таком же расстоянии от обмотки возбуждения, как и измерительная обмотка, и использовать сигнал дополнительной обмотки для стабилизации поля, создаваемого обмоткой возбуждения, то можно практически полностью исключить температурную погрешность уровнемера, связанную с температурной зависимостью электропроводности конструкционных материалов датчика.If in the upper part of the protective cover of the level gauge, which is above the range of changes in the metal level, place an additional winding located at the same distance from the excitation winding as the measuring winding and use the signal of the additional winding to stabilize the field created by the excitation winding, then it can be almost completely eliminate the temperature error of the level gauge associated with the temperature dependence of the electrical conductivity of the structural materials of the sensor.

Устройство такого уровнемера показано на фиг 3. Дополнительная обмотка 13 находится выше максимально возможного положения уровня Н_макс среды 6. Сигнал с обмотки 13 используется для управления током обмотки возбуждения 3. В этом случае изменение электропроводности конструкционных материалов датчика уровня при изменении температуры будет компенсироваться изменением тока, питающего обмотку возбуждения 3, так что индукция поля "сухой" части датчика будет всегда постоянной. При изменении уровня будет меняться только индукция поля "затопленной" части уровнемера и пропорционально будет меняться выходной сигнал измерительной обмотки 4.The device of such a level gauge is shown in Fig. 3. The additional winding 13 is located above the maximum possible position of the level H _{max of} medium 6. The signal from the winding 13 is used to control the current of the field winding 3. In this case, the change in the conductivity of the structural materials of the level sensor with a change in temperature will be compensated by a change in current feeding the field winding 3, so that the induction of the field of the "dry" part of the sensor will always be constant. When the level changes, only the induction of the field of the "flooded" part of the level gauge will change and the output signal of the measuring winding 4 will proportionally change.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит получить высокие метрологические характеристики уровнемера и одновременно обеспечить необходимую прочность, жесткость конструкции и надежность работы датчика, необходимые в промышленных условиях эксплуатации.Thus, the use of the invention will allow to obtain high metrological characteristics of the level gauge and at the same time provide the necessary strength, rigidity and reliability of the sensor, necessary in industrial operating conditions.

Claims

1. An inductive level gauge comprising an excitation winding and a measuring winding enclosed in a protective case immersed in a controlled environment, characterized in that the conductors of the measuring winding are removed from the excitation winding conductors by a distance of one to ten sums of the thickness of the sheath of the protective sheath and the radius of the sheath field winding cable.

2. The inductive level gauge according to claim 1, characterized in that the protective cover is made in the form of a sealed glass.

3. The inductive level gauge according to claim 1, characterized in that the protective cover is made in the form of two coaxial pipes, between which the conductors of the field winding and the measuring winding are placed, and the controlled medium fills the cavities inside the inner pipe and outside the outer pipe, and in the upper part of the cover a hole is located that communicates these cavities.

4. The inductive level gauge according to claim 1, characterized in that the role of the protective cover is played by a tank with a controlled environment, and the field winding and the measuring winding are fixed outside the tank.

5. An inductive level gauge according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the field winding and the measuring winding are made in the form of elongated flat, parallel-mounted frames, and the height of the frames is greater than or equal to the level measurement range.

6. An inductive level gauge according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the field winding and the measurement winding are made in the form of solenoids of the same diameter, the turns of the measuring winding being located between the turns of the field winding, and the length of the solenoids equal to or greater than the level measurement range.

7. The inductive level gauge according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it contains an additional winding located above the upper position of the level, oriented relative to the field winding similarly to the measuring winding and controlling the field current through the electronic circuit, the field winding covering the location zones measuring and additional windings.