1.6 Индуктивные уровнемеры

Принцип действия индуктивных уровнемеров основан на зависимости индуктивности одиночной катушки или взаимной индуктивности двух катушек от глубины погружения их в электропроводную жидкость. Такая зависимость обусловлена возникновением в жидкости под действием магнитного поля переменного тока возбуждения вихревых токов, магнитное поле которых оказывает размагничивающее действие на поле тока возбуждения. Действительно, по определению индуктивность L катушки представляет собой отношение магнитного потока Ф к току I создающему этот поток. При погружении катушки в жидкость в ней создаются вихревые токи, магнитное поле которых по закону Ленца направлено навстречу основному, т.е. результирующий магнитный поток будет меньше потока "сухой" катушки. Это означает, что индуктивность погруженной катушки меньше индуктивности сухой катушки. Таким образом, если индуктивный преобразователь представляет собой одиночную длинную катушку, то ее индуктивность и полное сопротивление Z=R+jщL будут зависеть от глубины погружения (R - активное сопротивление катушки, щ - круговая частота тока возбуждения). Существуют индуктивные преобразователи, содержащие две индуктивно связанные катушки, образующие трансформатор (трансформаторные преобразователи).

При изменении индуктивностей L1 и L2 обеих катушек изменяется их взаимная индуктивность М в соответствии с выражением:

, (1.19)

где k - коэффициент связи, определяемый потоками рассеяния.

В реальных конструкциях таких преобразователей обмотки, выполняются намоткой в два провода, при этом L1 = L2 = L и k >> 1.

Из принципа действия индуктивных уровнемеров видно, что они пригодны для измерения уровня только электропроводных сред. Кроме того, поскольку интенсивность вихревых токов зависит от электропроводности среды, изменение ее в процессе измерения вызовет появление дополнительной погрешности.

Наибольшее распространение эти уровнемеры получили для измерения уровня жидкометаллического теплоносителя в ядерных энергетических установках.

Преобразователь состоит из обмотки возбуждения, по которой протекает переменный ток возбуждения Iв, и вторичной обмотки, с которой снимается выходной сигнал Uвых. Преобразователь помещен в металлический защитный чехол, который герметично закреплен в крышке резервуара. Это позволяет осуществлять замену уровнемера без нарушения герметичности контура. Как уже указывалось, под действием потока возбуждения в толще контролируемой среды (например, жидкого металла) возникают вихревые токи. Это приводит к зависимости взаимной индуктивности М между обмотками от уровня металла. Эта зависимость линейна по всей длине обмоток, кроме концевых участков, длиной, равной их диаметру, где характеристика искривляется. Таким образом, ЭДС E=щMIв во вторичной обмотке, а следовательно, и выходное напряжение Uвых будет линейно зависеть от уровня. Взаимодействие поля возбуждения и поля вихревых токов осуществляется через металлический защитный чехол, который ослабляет поля и, следовательно, ухудшает чувствительность преобразователя, причем экранирующее действие чехла увеличивается с ростом частоты щ тока возбуждения I_В. Однако выбирать низкое значение щ нецелесообразно, так как при этом уменьшается ЭДС Е во вторичной обмотке, а следовательно, и Uвых (обычно частота выбирается равной 4 - 5 кГц).

Основным недостатком трансформаторных преобразователей уровня является влияние изменения температуры контролируемой среды на результат измерения. Это влияние обусловлено изменением активного сопротивления обмоток в зависимости от изменения температуры, и изменением их индуктивности в связи с линейным расширением провода, а также изменением проводимости чехла и контролируемой среды. Кроме того, на результат измерения будут оказывать влияние изменения состава среды, а также изменение со временем свойств материалов чехла. При измерении уровня жидких металлов влияние будет оказывать также наличие на чехле пленки расплава или пленки окислов. Автоматическая компенсация этих погрешностей представляет собой трудную задачу из-за сложности измерения влияющих величин и сложного характера влияния их на погрешность.

Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня. В этом случае преобразователь состоит из двух отдельных коротких трансформаторов, разнесенных на расстояние, равное разности верхнего и нижнего уровней. Первичные обмотки трансформаторов включены последовательно и питаются от одного источника. Вторичные обмотки включены встречно, и разностный сигнал идет в схему сигнализации.

Срабатывание схемы аварийной сигнализации происходит при нулевом значении выходного напряжения Uвых, т.е. если ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов будут равными. Очевидно, что это будет в том случае, если оба трансформатора окажутся одновременно либо ниже уровня (т.е. когда уровень достигнет верхнего аварийного значения), либо выше уровня (когда уровень достигнет нижнего аварийного значения). При промежуточных значениях уровня Uвых ? 0 и срабатывания схемы сигнализации не происходит.

Меньшее влияние перечисленные выше факторы оказывают на работу индуктивных уровнемеров дискретного действия. В таких уровнемерах фиксируется достижение определенных значений уровня, т.е. указатель переместится на соседнюю отметку только при изменении уровня на определенное значение - шаг дискретности.

Изменение свойств контролируемого жидкого металла (в том числе и за счет изменения температуры), а также налипший на чехол спой металла или его окислов не приведет к нарушению работоспособности прибора. Суммируя сказанное, можно перечислить достоинства дискретных индуктивных уровнемеров: независимость показаний от изменения температуры среды и наличия на чехле пленок расплава или окислов (при измерении уровня металла).