核反應(yīng)堆超聲波反射與雷達(dá)波導(dǎo)冷卻液液位計(jì)的研究

介紹
儀器儀表控制冷卻液液位是核電設(shè)施（NPI）控制和安全系統(tǒng)中較重要的組成部分。

由于此處檢查的冷卻劑參數(shù)實(shí)際上非常極端（溫度高達(dá)350  °C  ，高輻射時(shí)壓力高達(dá)18 MPa），因此水平測量代表了一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)任務(wù)。

為解決上述問題，提出了許多技術(shù)解決方案和想法，盡管其中只有一小部分被實(shí)現(xiàn)為工作設(shè)計(jì)，甚至更小的部分也經(jīng)過了實(shí)際測試。

我們認(rèn)為，基于使用金屬波導(dǎo)的聲學(xué)儀器是解決反應(yīng)堆設(shè)施中水冷卻劑液位控制問題的較合適的儀器類型。它們的應(yīng)用允許設(shè)計(jì)具有顯著壽命的傳感器，該傳感器能夠進(jìn)行幾乎無限快速的測量并且能夠在核電裝置中存在的極端條件下的延長時(shí)間段內(nèi)工作。

測量系統(tǒng)存在兩種主要不同的可選配置：第一選項(xiàng)是采樣數(shù)據(jù)多點(diǎn)流體信號裝置形式的液位計(jì)，第二選項(xiàng)是指允許連續(xù)控制冷卻液液位的液位計(jì)。

第一種選擇是在包括幾十個(gè)波導(dǎo)的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)波導(dǎo)配備有壓電變壓器并連接到敏感元件[1]。結(jié)果，獲得了多組分復(fù)雜且昂貴的設(shè)計(jì)，其必須補(bǔ)充適當(dāng)?shù)耐ㄓ秒娮悠骷�和多線連接電纜。多點(diǎn)信號裝置的優(yōu)點(diǎn)與不需要執(zhí)行儀器的計(jì)量認(rèn)證相關(guān)聯(lián)。

第二種選擇是指聲阻抗水平計(jì)，它基于當(dāng)延伸長度波導(dǎo)浸沒在流體中時(shí)沿著延伸長度波導(dǎo)傳播的聲脈沖的衰減（或延遲）的測量值[2]，[3] 。將它們與多點(diǎn)水平信號裝置區(qū)分開的聲阻抗水平計(jì)的特征是它們相對簡單，因此具有更高的可靠性和低成本。這些儀器的顯著缺點(diǎn)是它們響應(yīng)于受控介質(zhì)的物理性質(zhì)的變化伴隨其溫度和壓力的變化而干擾輸出信號。額外的更正需要數(shù)據(jù)來消除這種干擾。由于冷凝物沿著界面邊界上方的波導(dǎo)敏感元件向下流動并且由于沸騰導(dǎo)致在流體相內(nèi)產(chǎn)生蒸汽 - 氣泡而引起的干擾也是可能的。

上述缺點(diǎn)與基于接收信號幅度的確定的測量方法有關(guān)，該接收信號的幅度受到從通信線路的電阻率到波導(dǎo)元件的老化的不同因素的影響。通過用時(shí)域測量代替聲學(xué)信號的幅度測量，可以預(yù)期儀器質(zhì)量的顯著提高。

本文介紹了較初開發(fā)的超聲波反射雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果與實(shí)際操作條件接近較大程度，受控介質(zhì)參數(shù)變化較大，即高參數(shù)水冷卻劑。

反射雷達(dá)液位計(jì)的操作原理和設(shè)計(jì)
反射雷達(dá)液位計(jì)的主要思想在于分離流體和氣體介質(zhì)的邊界的位置。沿波導(dǎo)以脈沖模式執(zhí)行能量傳遞，測量值是從輻射器到接收器的脈沖的傳播時(shí)間。這種測量原理在超高頻反射雷達(dá)液位計(jì)中實(shí)現(xiàn)，其中使用沿波導(dǎo)散布的SHF能量脈沖。然而，這種水平計(jì)在核能發(fā)電中的應(yīng)用遇到了與在主冷卻回路的設(shè)備內(nèi)安裝SHF裝置相關(guān)的顯著困難。

在20世紀(jì)70年代，該國在超聲波導(dǎo)管的基礎(chǔ)上嘗試應(yīng)用反射雷達(dá)技術(shù)，但未能證明成功[4]，[5]。

基于時(shí)域測量的波導(dǎo)水準(zhǔn)儀具有測量通道的明顯優(yōu)勢迫使研究人員重新考慮這一想法。結(jié)果，努力使用超聲波波導(dǎo)和脈沖信號開發(fā)反射雷達(dá)液位計(jì)。

在提出的技術(shù)方案中應(yīng)用以下兩個(gè)彎曲波導(dǎo)（作為較有效的輻射器）：即，超聲波脈沖的輻射器和接收器。波導(dǎo)垂直地彼此平行布置。沿波導(dǎo)的整個(gè)長度安裝具有大量擋板的半圓柱形反射器，所述擋板設(shè)計(jì)成沿縱向切割的波浪形管段的形式。傳聲只有當(dāng)波導(dǎo)和反射器之間的空間充滿流體時(shí)，才能從一個(gè)波導(dǎo)到另一個(gè)波導(dǎo)發(fā)生能量。在流體水平下然后到接收波導(dǎo)的超聲波從輻射波導(dǎo)到較靠近它的反射器擋板的傳輸布局如圖1所示。

圖1。超聲波從輻射波導(dǎo)到接收波導(dǎo)的傳播布局。

由于零級彎曲波的物理特性，在沿著浸沒在流體中的波導(dǎo)傳播期間，聲能進(jìn)入流體的有效輻射發(fā)生。在波導(dǎo)與流體接觸的過程中實(shí)現(xiàn)了彎曲波能量的實(shí)際完全傳遞，例如，對于直徑等于 2mm且在 800kHz頻率下操作的波導(dǎo)，沿著等于僅30-50的長度 毫米。

聲能從流體中的輻射波導(dǎo)傳遞到反射器，然后傳遞到接收波導(dǎo)，發(fā)生在深度為20-30mm的地下層內(nèi)。來自輻射波導(dǎo)的聲波以一定角度沿向下方向穿透流體的地下層并到達(dá)反射器。在此之后，經(jīng)歷來自反射器的水平定向突起的重復(fù)反射的波以向上方向以相同的角度返回到接收波導(dǎo)，該接收波導(dǎo)在接收壓電變壓器上整形信號。液位 與超聲波脈沖沿波導(dǎo)行進(jìn)到流體的地下層并返回的時(shí)間成比例，即，根據(jù)反射 - 雷達(dá)原理使用時(shí)間特性來確定。

流體中波的輻射以角度φ進(jìn)行，該角度由以下聲速的三角形確定：波導(dǎo)中的彎曲波和流體中的橫波[1]。對于許多流體（包括水），在該波進(jìn)入流體的角度近似等于60 ò 相對于波導(dǎo)軸。由于波導(dǎo)中的彎曲波的極化，在振蕩平面內(nèi)的流體中形成由相對于波導(dǎo)軸對稱的兩個(gè)波包組成的方向響應(yīng)模式。與上述有關(guān)，波導(dǎo)必須以獲得較大振幅的方式定向 從反射器表面反射的接收信號。

液位計(jì)設(shè)計(jì)包括以下部件：彎曲波形的兩個(gè)波導(dǎo)形式，直徑為2毫米，長度等于400  毫米，通過填料組件連接到通信波導(dǎo)，通信波導(dǎo)配有工作頻率為800  kHz 的彎曲波壓電變壓器; 半圓柱形反射器由直徑166毫米的波紋鋼管和電子單元制成（圖2 ）。懸掛部件的儀器包含與聯(lián)接螺母，波導(dǎo)支撐支架和框架連接形式的填料組件，用于安裝帶有電子元件的外殼。

圖2。反射雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)：1 - 電子單元; 2 - 壓電變壓器; 3 - 支持; 4 - 包裝組件; 5 - 波導(dǎo)夾具; 6 - 輻射和接收波導(dǎo); 7 - 反射器; 8 - 通信波導(dǎo)。

傳感器信號處理功能框圖（圖3 ）包括視頻脈沖發(fā)生器，接收信號放大器，比較器，時(shí)間間隔計(jì)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流發(fā)生器。電路的主要元件是基于微處理器的。設(shè)計(jì)中包含了使用示波器觀察接收信號的功能。該設(shè)計(jì)確保電流信號的輸出線性地取決于從輻射器到液體水平下的反射器較近的擋板和接收器的超聲波脈沖的傳輸時(shí)間。處理器執(zhí)行選通，計(jì)算和輸出信號的功能 正�；�。

圖3。反射雷達(dá)液位計(jì)電子單元的設(shè)計(jì)：1 - 視頻脈沖發(fā)生器; 2 - 放大器; 3 - 比較器 ; 4時(shí)間間隔計(jì); 5 - 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ; 6 - 電流發(fā)生器。

實(shí)驗(yàn)研究
通過將感覺元件逐漸浸入水中，在正常條件下進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。在該過程中測量輸出電流與流體中感覺元素浸入的深度成比例。測量水平與趨勢線的標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過  4mm，這可以通過所施加的反射器上的波紋等于約4.5mm的步驟來解釋 。

在  0.1MPa至 8MPa 的壓力范圍內(nèi)，在飽和線處的水冷卻劑中進(jìn)行升高參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)施（圖4 ）表示配備有電加熱的固體密封管，其中安裝有水平儀。使用由700mm長度和內(nèi)徑等于35mm的不銹鋼制成的管 。由具有瓷絕緣體的鎳鉻合金制成的螺旋形式的加熱元件盤繞在管道上，并且在玄武巖連續(xù)纖維的基礎(chǔ)上通過隔熱保護(hù)免受外部影響。水溫并控制管道內(nèi)的壓力。加熱器功率使用實(shí)驗(yàn)室自耦變壓器控制。較高冷卻液溫度可達(dá)357  °C。

圖4。實(shí)驗(yàn)裝置：1 - 電子單元; 2 - 管 ; 3 - 加熱元件 ; 4 - 隔熱; 5 - 排水閥; 6 - 自耦變壓器 ; 7 - 溫度測量單元 ; 8 -壓力表 ; 9 - 電流表。

儀器操作可靠性在很大程度上取決于接收信號的幅度線性地取決于水的特征阻抗。在測量的壓力范圍內(nèi)，水的特征阻抗對飽和線上的壓力值的依賴性如圖5所示。讓我們注意到，所討論的壓力范圍內(nèi)的特征阻抗減少了大約五倍。

圖5。水的特征阻抗對飽和線上的壓力值的依賴性。

水的沸騰和部分蒸發(fā)發(fā)生在密封的實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)部的加熱過程中，并且增加的壓力抑制了沸騰的發(fā)展。因此，在水飽和線處觀察到等容熱力學(xué)過程（在恒定體積下）。在這里，隨著溫度和壓力的增加，水位逐漸升高。確定了水位變化對圖6 中所示的飽和線處的壓力的預(yù)測計(jì)算依賴性（壓力明確地取決于飽和溫度）。

圖6。計(jì)算水位變化對水飽和壓力線的依賴性。

計(jì)算根據(jù)以下公式進(jìn)行：

其中h是實(shí)驗(yàn)部分管道中的物理水位; m 是實(shí)驗(yàn)部分管道中的水團(tuán) ; r是管道內(nèi)半徑; ρ'是對應(yīng)于飽和線的水密度。

在實(shí)施實(shí)驗(yàn)之前，系??統(tǒng)從管道下部對接端填充水至450毫米標(biāo)記，然后安裝水平儀（感應(yīng)元件浸沒在流體中至130 毫米的深度）并密封執(zhí)行系統(tǒng)。在準(zhǔn)備測量電路之后，電功率等于?400W的電加熱器供電。系統(tǒng)中的溫度以7 ℃/ min 的速率逐漸增加，達(dá)到等于?350 ℃ 的值。壓力在該過程中增加至約18MPa�？刂乒艿纼�(nèi)的冷卻液溫度和壓力，以及液位計(jì)的聲學(xué)信號和輸出電流。    

討論結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)過程中確定測量的冷卻劑水平與飽和線上的計(jì)算水平之間的相關(guān)性（圖7）。
 

圖7。測量水位對飽和線上計(jì)算水平的依賴性。

使用反射雷達(dá)液位計(jì)和電平的事實(shí)值測得的冷卻劑水平之間的差異獲得在±范圍內(nèi) 10  毫米，的值之間，即協(xié)議是足夠令人滿意的。在這種情況下，在初級和次級冷卻回路中的冷卻劑參數(shù)的整個(gè)測量范圍內(nèi)，不需要在液位計(jì)讀數(shù)中引入校正。

讓我們注意到在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到接收到的聲學(xué)信號的波動，我們認(rèn)為這可以通過介質(zhì)的沸騰來解釋。為了檢查上述假設(shè)，進(jìn)行加熱器的臨時(shí)切斷，導(dǎo)致接收信號的波動消失。

在壓力值超過14MPa時(shí)觀察到較明顯的信號波動。同時(shí)，我們選擇的算法在很大程度上允許消除波動對儀器輸出信號的影響。使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法在控制下的時(shí)間間隔內(nèi)定位接收器信號的較大幅度，允許確定沿著儀器的行進(jìn)路徑的超聲信號的較可能的行進(jìn)時(shí)間是上述算法的區(qū)別特征。

結(jié)論
較初開發(fā)了基于反射雷達(dá)測量原理的超聲波液位計(jì)設(shè)計(jì)，適用于發(fā)電設(shè)備設(shè)備。時(shí)間特性，即沿著波導(dǎo)從波紋管沿著分離水和蒸汽并沿著第二波導(dǎo)回到接收器的線的波導(dǎo)的超聲波脈沖的傳播時(shí)間是測量儀器的區(qū)別特征。讓我們注意，時(shí)間間隔的測量是以更直接的方式進(jìn)行的，更重要的是，與振幅測量相比，更可靠信號 在此，寬范圍內(nèi)的冷卻劑參數(shù)的演變不會對測量儀器的操作產(chǎn)生顯著影響。

儀器的散熱器和接收器在高溫高壓的影響下從該區(qū)域移除，并與金屬波導(dǎo)控制的介質(zhì)連接，顯著提高了儀器的使用壽命并降低了成本，這是液位計(jì)的重要特征。 。

這里討論的液位計(jì)是作為現(xiàn)成產(chǎn)品制造的，其草圖如圖8所示。

圖8。具有集成電子單元的反射雷達(dá)液位計(jì)的外觀。