核反应堆超声波反射与雷达波导冷却液液位计的研究

介绍
仪器仪表控制冷却液液位是核电设施（NPI）控制和安全系统中较重要的组成部分。

由于此处检查的冷却剂参数实际上非常极端（温度高达350  °C  ，高辐射时压力高达18 MPa），因此水平测量代表了一项具有挑战性的技术任务。

为解决上述问题，提出了许多技术解决方案和想法，尽管其中只有一小部分被实现为工作设计，甚至更小的部分也经过了实际测试。

我们认为，基于使用金属波导的声学仪器是解决反应堆设施中水冷却剂液位控制问题的较合适的仪器类型。它们的应用允许设计具有显着寿命的传感器，该传感器能够进行几乎无限快速的测量并且能够在核电装置中存在的极端条件下的延长时间段内工作。

测量系统存在两种主要不同的可选配置：第一选项是采样数据多点流体信号装置形式的液位计，第二选项是指允许连续控制冷却液液位的液位计。

第一种选择是在包括几十个波导的系统的基础上实现的，每个波导配备有压电变压器并连接到敏感元件[1]。结果，获得了多组分复杂且昂贵的设计，其必须补充适当的通用电子器件和多线连接电缆。多点信号装置的优点与不需要执行仪器的计量认证相关联。

第二种选择是指声阻抗水平计，它基于当延伸长度波导浸没在流体中时沿着延伸长度波导传播的声脉冲的衰减（或延迟）的测量值[2]，[3] 。将它们与多点水平信号装置区分开的声阻抗水平计的特征是它们相对简单，因此具有更高的可靠性和低成本。这些仪器的显着缺点是它们响应于受控介质的物理性质的变化伴随其温度和压力的变化而干扰输出信号。额外的更正需要数据来消除这种干扰。由于冷凝物沿着界面边界上方的波导敏感元件向下流动并且由于沸腾导致在流体相内产生蒸汽 - 气泡而引起的干扰也是可能的。

上述缺点与基于接收信号幅度的确定的测量方法有关，该接收信号的幅度受到从通信线路的电阻率到波导元件的老化的不同因素的影响。通过用时域测量代替声学信号的幅度测量，可以预期仪器质量的显着提高。

本文介绍了较初开发的超声波反射雷达液位计的设计及其实验研究结果，该实验研究的结果与实际操作条件接近较大程度，受控介质参数变化较大，即高参数水冷却剂。

反射雷达液位计的操作原理和设计
反射雷达液位计的主要思想在于分离流体和气体介质的边界的位置。沿波导以脉冲模式执行能量传递，测量值是从辐射器到接收器的脉冲的传播时间。这种测量原理在超高频反射雷达液位计中实现，其中使用沿波导散布的SHF能量脉冲。然而，这种水平计在核能发电中的应用遇到了与在主冷却回路的设备内安装SHF装置相关的显着困难。

在20世纪70年代，该国在超声波导管的基础上尝试应用反射雷达技术，但未能证明成功[4]，[5]。

基于时域测量的波导水准仪具有测量通道的明显优势迫使研究人员重新考虑这一想法。结果，努力使用超声波波导和脉冲信号开发反射雷达液位计。

在提出的技术方案中应用以下两个弯曲波导（作为较有效的辐射器）：即，超声波脉冲的辐射器和接收器。波导垂直地彼此平行布置。沿波导的整个长度安装具有大量挡板的半圆柱形反射器，所述挡板设计成沿纵向切割的波浪形管段的形式。传声只有当波导和反射器之间的空间充满流体时，才能从一个波导到另一个波导发生能量。在流体水平下然后到接收波导的超声波从辐射波导到较靠近它的反射器挡板的传输布局如图1所示。

图1。超声波从辐射波导到接收波导的传播布局。

由于零级弯曲波的物理特性，在沿着浸没在流体中的波导传播期间，声能进入流体的有效辐射发生。在波导与流体接触的过程中实现了弯曲波能量的实际完全传递，例如，对于直径等于 2mm且在 800kHz频率下操作的波导，沿着等于仅30-50的长度 毫米。

声能从流体中的辐射波导传递到反射器，然后传递到接收波导，发生在深度为20-30mm的地下层内。来自辐射波导的声波以一定角度沿向下方向穿透流体的地下层并到达反射器。在此之后，经历来自反射器的水平定向突起的重复反射的波以向上方向以相同的角度返回到接收波导，该接收波导在接收压电变压器上整形信号。液位 与超声波脉冲沿波导行进到流体的地下层并返回的时间成比例，即，根据反射 - 雷达原理使用时间特性来确定。

流体中波的辐射以角度φ进行，该角度由以下声速的三角形确定：波导中的弯曲波和流体中的横波[1]。对于许多流体（包括水），在该波进入流体的角度近似等于60 ò 相对于波导轴。由于波导中的弯曲波的极化，在振荡平面内的流体中形成由相对于波导轴对称的两个波包组成的方向响应模式。与上述有关，波导必须以获得较大振幅的方式定向 从反射器表面反射的接收信号。

液位计设计包括以下部件：弯曲波形的两个波导形式，直径为2毫米，长度等于400  毫米，通过填料组件连接到通信波导，通信波导配有工作频率为800  kHz 的弯曲波压电变压器; 半圆柱形反射器由直径166毫米的波纹钢管和电子单元制成（图2 ）。悬挂部件的仪器包含与联接螺母，波导支撑支架和框架连接形式的填料组件，用于安装带有电子元件的外壳。

图2。反射雷达液位计的设计：1 - 电子单元; 2 - 压电变压器; 3 - 支持; 4 - 包装组件; 5 - 波导夹具; 6 - 辐射和接收波导; 7 - 反射器; 8 - 通信波导。

传感器信号处理功能框图（图3 ）包括视频脉冲发生器，接收信号放大器，比较器，时间间隔计，数模转换器和电流发生器。电路的主要元件是基于微处理器的。设计中包含了使用示波器观察接收信号的功能。该设计确保电流信号的输出线性地取决于从辐射器到液体水平下的反射器较近的挡板和接收器的超声波脉冲的传输时间。处理器执行选通，计算和输出信号的功能 正常化。

图3。反射雷达液位计电子单元的设计：1 - 视频脉冲发生器; 2 - 放大器; 3 - 比较器 ; 4时间间隔计; 5 - 数模转换器 ; 6 - 电流发生器。

实验研究
通过将感觉元件逐渐浸入水中，在正常条件下进行仪器的校准。在该过程中测量输出电流与流体中感觉元素浸入的深度成比例。测量水平与趋势线的标准偏差不超过  4mm，这可以通过所施加的反射器上的波纹等于约4.5mm的步骤来解释 。

在  0.1MPa至 8MPa 的压力范围内，在饱和线处的水冷却剂中进行升高参数的实验。实验设施（图4 ）表示配备有电加热的固体密封管，其中安装有水平仪。使用由700mm长度和内径等于35mm的不锈钢制成的管 。由具有瓷绝缘体的镍铬合金制成的螺旋形式的加热元件盘绕在管道上，并且在玄武岩连续纤维的基础上通过隔热保护免受外部影响。水温并控制管道内的压力。加热器功率使用实验室自耦变压器控制。较高冷却液温度可达357  °C。

图4。实验装置：1 - 电子单元; 2 - 管 ; 3 - 加热元件 ; 4 - 隔热; 5 - 排水阀; 6 - 自耦变压器 ; 7 - 温度测量单元 ; 8 -压力表 ; 9 - 电流表。

仪器操作可靠性在很大程度上取决于接收信号的幅度线性地取决于水的特征阻抗。在测量的压力范围内，水的特征阻抗对饱和线上的压力值的依赖性如图5所示。让我们注意到，所讨论的压力范围内的特征阻抗减少了大约五倍。

图5。水的特征阻抗对饱和线上的压力值的依赖性。

水的沸腾和部分蒸发发生在密封的实验部分内部的加热过程中，并且增加的压力抑制了沸腾的发展。因此，在水饱和线处观察到等容热力学过程（在恒定体积下）。在这里，随着温度和压力的增加，水位逐渐升高。确定了水位变化对图6 中所示的饱和线处的压力的预测计算依赖性（压力明确地取决于饱和温度）。

图6。计算水位变化对水饱和压力线的依赖性。

计算根据以下公式进行：

其中h是实验部分管道中的物理水位; m 是实验部分管道中的水团 ; r是管道内半径; ρ'是对应于饱和线的水密度。

在实施实验之前，系??统从管道下部对接端填充水至450毫米标记，然后安装水平仪（感应元件浸没在流体中至130 毫米的深度）并密封执行系统。在准备测量电路之后，电功率等于?400W的电加热器供电。系统中的温度以7 ℃/ min 的速率逐渐增加，达到等于?350 ℃ 的值。压力在该过程中增加至约18MPa。控制管道内的冷却液温度和压力，以及液位计的声学信号和输出电流。    

讨论结果
在实验过程中确定测量的冷却剂水平与饱和线上的计算水平之间的相关性（图7）。
 

图7。测量水位对饱和线上计算水平的依赖性。

使用反射雷达液位计和电平的事实值测得的冷却剂水平之间的差异获得在±范围内 10  毫米，的值之间，即协议是足够令人满意的。在这种情况下，在初级和次级冷却回路中的冷却剂参数的整个测量范围内，不需要在液位计读数中引入校正。

让我们注意到在实验过程中观察到接收到的声学信号的波动，我们认为这可以通过介质的沸腾来解释。为了检查上述假设，进行加热器的临时切断，导致接收信号的波动消失。

在压力值超过14MPa时观察到较明显的信号波动。同时，我们选择的算法在很大程度上允许消除波动对仪器输出信号的影响。使用数学统计方法在控制下的时间间隔内定位接收器信号的较大幅度，允许确定沿着仪器的行进路径的超声信号的较可能的行进时间是上述算法的区别特征。

结论
较初开发了基于反射雷达测量原理的超声波液位计设计，适用于发电设备设备。时间特性，即沿着波导从波纹管沿着分离水和蒸汽并沿着第二波导回到接收器的线的波导的超声波脉冲的传播时间是测量仪器的区别特征。让我们注意，时间间隔的测量是以更直接的方式进行的，更重要的是，与振幅测量相比，更可靠信号 在此，宽范围内的冷却剂参数的演变不会对测量仪器的操作产生显着影响。

仪器的散热器和接收器在高温高压的影响下从该区域移除，并与金属波导控制的介质连接，显着提高了仪器的使用寿命并降低了成本，这是液位计的重要特征。 。

这里讨论的液位计是作为现成产品制造的，其草图如图8所示。

图8。具有集成电子单元的反射雷达液位计的外观。