圖1給出了感應式液位計的原理圖,該液位計采用非接觸的感應式敏感元件測量,主要由恒流激勵源、一次傳感器、信號處理單元/二次儀表構(gòu)成。一次傳感器的由骨架、初級線圈、次級線圈、補償線圈以及保護盲管等構(gòu)成。

根據(jù)電磁場理論,當在初級繞組中通有恒定的交流電流時,在次級繞組中將產(chǎn)生感應電動勢,感應電動勢的大小會受到環(huán)繞繞組介質(zhì)的影響,此時初級繞組產(chǎn)生的交變磁通,一方面與次級繞組交鏈形成感應電動勢,另一方面在液位計外套管及被測介質(zhì)鈉中產(chǎn)生感應渦流,從而產(chǎn)生感應磁場,引起總磁通減小,進而減小了次級繞組的感應電動勢。因此,被測介質(zhì)的液位與次級繞組感應電動勢在一定條件下成反比關系。利用此原理,忽略一些影響因素,次級的輸出電動勢與被測介質(zhì)的液位成線性的反比關系。

感應式液位計一次傳感器形式采用縱向繞線結(jié)構(gòu)形式,如圖2所示。將初級線圈、次級線圈及補償線圈均環(huán)繞于傳感器軸向方向繞制,次級線圈縱向繞制的長度為測量段全程,補償線圈繞制與感應線圈上端,不與感應線圈重疊,初級線圈縱向繞制長度為感應線圈與補償線圈長度之和,重疊于它們之間。

感應式液位計一次傳感器的磁場的仿真模型如圖3所示。

假設以下條件是合理的,推導液位和輸出電壓之間的關系:

1)本傳感器電磁系統(tǒng)具有對稱軸線。

2)繞組長度與直徑的比值非常大,因此認為繞組長度為無限長,而且繞組內(nèi)部磁場是均勻的。

3)次級繞組中無電流通過。

4)角頻率為ω的正弦形電磁場。

5)忽略液態(tài)金屬自由表面附近的磁場擾動。

在這些條件下,可以推導出感應式鈉液位傳感器的輸出電壓U₂的公式:

式中:ω——初級勵磁電流角頻率;

n₁,n₂——分別為初級繞組和次級繞組的匝數(shù);

μ0——真空磁導率;

μr——鐵芯的相對磁導率;

R——繞組半徑;

L——繞組長度;

I₁——初級繞組勵磁電流;

I_e——液態(tài)金屬中的感應渦流。

式中:H—傳感器被液態(tài)金屬淹沒的高度;

K—常數(shù)。

因此,在初級電流I₁穩(wěn)頻恒流情況下,就存在下列定性關系:

式中:A、B—隨被測介質(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系。

感應式液位計信號處理單元的原理框圖如圖4所示。

感應式鈉液位計信號處理單元具有以下幾點功能:

1)信號處理單元對一次傳感器輸出電壓信號進行采集和處理。

2)信號處理單元對熱電偶溫度信號進行采集,并實時在線補償由于介質(zhì)溫度變化而引起的傳感器分度特性的變化。

3)信號處理單元應具有監(jiān)測并顯示激勵電流、頻率功能、修正參數(shù)輸入功能。

4)信號處理單元具有自檢、掉電保護、滿度設置、斷偶報警等功能,并具有4m A~20m A直流模擬信號輸出。

液位測定值是由互感式鈉液位傳感器的輸出電壓及被測介質(zhì)的溫度而確定的。因此需要實時在線補償由于介質(zhì)溫度變化而引起的液位傳感器分度特性的變化。二次儀表接收次級測量線圈感應的電動勢及熱電偶信號,并通過下列公式進行液位計分度特性方程的擬合,顯示并轉(zhuǎn)換為標準的4m A~20m A信號輸出。

式中:H——傳感器的插入深度,mm

U₂——傳感器的輸出電壓,m V

T——被測介質(zhì)溫度,℃

a、b、c、d、e、f——根據(jù)液位計校準實驗確定的補償系數(shù)。

結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

感應式液位計功能模塊主要由液位保護隔離模塊、液位感應模塊、溫度補償模塊、液位變送模塊和相應的連接電纜組成。

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

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

圖6 模擬測試曲線 

1)電感式液位計結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,用其測量液態(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)用電感式液位計測量易氧化、具有腐蝕性的介質(zhì)時,不受介質(zhì)的影響,不破壞系統(tǒng)的密封性,可廣泛應用核領域和化工領域。