圖1給出了感應(yīng)式液位計(jì)的原理圖,該液位計(jì)采用非接觸的感應(yīng)式敏感元件測(cè)量,主要由恒流激勵(lì)源、一次傳感器、信號(hào)處理單元/二次儀表構(gòu)成。一次傳感器的由骨架、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈、補(bǔ)償線圈以及保護(hù)盲管等構(gòu)成。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論,當(dāng)在初級(jí)繞組中通有恒定的交流電流時(shí),在次級(jí)繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小會(huì)受到環(huán)繞繞組介質(zhì)的影響,此時(shí)初級(jí)繞組產(chǎn)生的交變磁通,一方面與次級(jí)繞組交鏈形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),另一方面在液位計(jì)外套管及被測(cè)介質(zhì)鈉中產(chǎn)生感應(yīng)渦流,從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),引起總磁通減小,進(jìn)而減小了次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此,被測(cè)介質(zhì)的液位與次級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在一定條件下成反比關(guān)系。利用此原理,忽略一些影響因素,次級(jí)的輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)介質(zhì)的液位成線性的反比關(guān)系。

感應(yīng)式液位計(jì)一次傳感器形式采用縱向繞線結(jié)構(gòu)形式,如圖2所示。將初級(jí)線圈、次級(jí)線圈及補(bǔ)償線圈均環(huán)繞于傳感器軸向方向繞制,次級(jí)線圈縱向繞制的長(zhǎng)度為測(cè)量段全程,補(bǔ)償線圈繞制與感應(yīng)線圈上端,不與感應(yīng)線圈重疊,初級(jí)線圈縱向繞制長(zhǎng)度為感應(yīng)線圈與補(bǔ)償線圈長(zhǎng)度之和,重疊于它們之間。

感應(yīng)式液位計(jì)一次傳感器的磁場(chǎng)的仿真模型如圖3所示。

假設(shè)以下條件是合理的,推導(dǎo)液位和輸出電壓之間的關(guān)系:

1)本傳感器電磁系統(tǒng)具有對(duì)稱軸線。

2)繞組長(zhǎng)度與直徑的比值非常大,因此認(rèn)為繞組長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng),而且繞組內(nèi)部磁場(chǎng)是均勻的。

3)次級(jí)繞組中無(wú)電流通過。

4)角頻率為ω的正弦形電磁場(chǎng)。

5)忽略液態(tài)金屬自由表面附近的磁場(chǎng)擾動(dòng)。

在這些條件下,可以推導(dǎo)出感應(yīng)式鈉液位傳感器的輸出電壓U₂的公式:

式中:ω——初級(jí)勵(lì)磁電流角頻率;

n₁,n₂——分別為初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù);

μ0——真空磁導(dǎo)率;

μr——鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率;

R——繞組半徑;

L——繞組長(zhǎng)度;

I₁——初級(jí)繞組勵(lì)磁電流;

I_e——液態(tài)金屬中的感應(yīng)渦流。

式中:H—傳感器被液態(tài)金屬淹沒的高度;

K—常數(shù)。

因此,在初級(jí)電流I₁穩(wěn)頻恒流情況下,就存在下列定性關(guān)系:

式中:A、B—隨被測(cè)介質(zhì)溫度而變化的系數(shù)。

亦即,鈉液位傳感器的輸出電壓與液位之間存在線性關(guān)系。

感應(yīng)式液位計(jì)信號(hào)處理單元的原理框圖如圖4所示。

感應(yīng)式鈉液位計(jì)信號(hào)處理單元具有以下幾點(diǎn)功能:

1)信號(hào)處理單元對(duì)一次傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采集和處理。

2)信號(hào)處理單元對(duì)熱電偶溫度信號(hào)進(jìn)行采集,并實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度變化而引起的傳感器分度特性的變化。

3)信號(hào)處理單元應(yīng)具有監(jiān)測(cè)并顯示激勵(lì)電流、頻率功能、修正參數(shù)輸入功能。

4)信號(hào)處理單元具有自檢、掉電保護(hù)、滿度設(shè)置、斷偶報(bào)警等功能,并具有4m A~20m A直流模擬信號(hào)輸出。

液位測(cè)定值是由互感式鈉液位傳感器的輸出電壓及被測(cè)介質(zhì)的溫度而確定的。因此需要實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度變化而引起的液位傳感器分度特性的變化。二次儀表接收次級(jí)測(cè)量線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)及熱電偶信號(hào),并通過下列公式進(jìn)行液位計(jì)分度特性方程的擬合,顯示并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4m A~20m A信號(hào)輸出。

式中:H——傳感器的插入深度,mm

U₂——傳感器的輸出電壓,m V

T——被測(cè)介質(zhì)溫度,℃

a、b、c、d、e、f——根據(jù)液位計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定的補(bǔ)償系數(shù)。

結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

感應(yīng)式液位計(jì)功能模塊主要由液位保護(hù)隔離模塊、液位感應(yīng)模塊、溫度補(bǔ)償模塊、液位變送模塊和相應(yīng)的連接電纜組成。

初級(jí)線圈采用1k Hz,200m A的交流恒流源作為激勵(lì)源。通過熱電偶測(cè)量測(cè)量介質(zhì)溫度。

當(dāng)初級(jí)輸入采用1k Hz,200m A的交流恒流源,通過退火爐模擬不同的運(yùn)行溫度,采用金屬套管模擬液態(tài)金屬液位進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見圖6所示。

圖6 模擬測(cè)試曲線 

1)電感式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,用其測(cè)量液態(tài)鈉、鈉等液態(tài)金屬液位,具有高的靈敏度、分辨率和較好的線性度。

2)用電感式液位計(jì)測(cè)量易氧化、具有腐蝕性的介質(zhì)時(shí),不受介質(zhì)的影響,不破壞系統(tǒng)的密封性,可廣泛應(yīng)用核領(lǐng)域和化工領(lǐng)域。