1、,核工程检测技术,2020/4/3,核工程检测技术,2,第六章 液 位 测 量,2020/4/3,核工程检测技术,3,液位作为一个过程参数，它的高低也能够反映核动力装置的运行状态，如反应堆冷却剂液位和稳压器、蒸汽发生器等的液位直接反映了核动力系统的运行工况。,概 述,常用的液位测量仪表主要有以下几种：,直读式液位测量仪表 它可以直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的液位测量仪表；,2020/4/3,核工程检测技术,4,浮子式液位测量仪表 这是一种利用浮子较所测液体比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位的仪器，它也是一种应用最
2、早并且应用范围很广的液位测量仪表； 静压式液位测量仪表 它是利用液柱高度对某定点产生压力，测量该点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪表；,2020/4/3,核工程检测技术,5,电磁式液位测量仪表 它是将液位的变化转换为某些电量的变化，进行间接测量的液位仪表如电容式、电感式和电阻式液位计等： 超声波式液位测量仪表； 核辐射式液位测量仪表。 此外，还有光学式、称重式、重锤式、旋转翼板式等液位测量仪表。,由于核工程中存在着辐射损伤、密封和腐蚀等问题，因此，液位检测仪表基本局限于以下几种：静压式液位测量仪表；电磁式液位测量仪表；超声波式液位测量仪表。,2020/4/3,核工程检测技术,
3、6,第一节 静压式液位计,一、压力式液位计,液体在容器中具有一定高度，将对其底部或侧面某点产生一定的压力。液位越高，对某点的压力就越大，所以只要测出某点的压力便可确定液位的高度。,右上图是用压力表测量容器中液体液位的测量系统。这时压力表的读数应为,式中：为液体的重度。由于压力表安装的位置固定，所 以h是常数。,2020/4/3,核工程检测技术,7,一般认为在测量中液体的重度不变，所以仪表的刻度方程为,对于与大气相通的敞口容器可以把压力表安装在液位最低处，如右图。,为常数,2020/4/3,核工程检测技术,8,压缩空气经过滤器、主气滤清器和节流元件最后从导管下端敞口逸出。,将压缩空气的压力凋到P
4、1后，经节流元件降到P2，当压缩空气从导管下端以气泡的形式流出时，导管内的压力几乎与液封静压相等。因此，差压变送器所指示的压力值即可反映出液位高度。,2020/4/3,核工程检测技术,9,二、差压式液位计,如右上图，差压变送器的高压室与容器下部取压点相连，低压室与液面以上空间(此处与大气相通)相连。,差压变送器高压室的位置较最低液位低h1h2，并较容器底低h2，需要测量的液位范围为H。,2020/4/3,核工程检测技术,10,这时差压变送器高抵压宝的压力分别为,两室的压差为,式中：为容器内液体的重度； Z0为零点迁移量，,2020/4/3,核工程检测技术,11,由于Z0的存在，使HP关系曲线向
5、P的正方向移动了Z0的位置，如右图所示。,因此，当液位H等于零时，气动差压变送器仍有与Z0相对应的气压信号输出，应使变送器不受Z0的影响，即当H0时，输出气压为0.2kgfcm2；最高位时为1kgfcm2。在这种情况下要进行正迁移，零点迁移量为Z0 (h1+h2)。 零点迁移是靠调整变送器内部迁移弹簧来实现的。,2020/4/3,核工程检测技术,12,在实际应用中，为了防止容器内液体和气体进入变送器的取压室造成管路堵塞或腐蚀，以及为了保持低压室的液柱高度恒定，在变送器的高、低压室与取压点之间分别装有隔离罐，如图，在隔离罐内充满隔离液2，通常2 1 。,2020/4/3,核工程检测技术,13,这
6、时高、低压室的压力分别为,高、低压室的压差为,式中：P1、P2分别为高、低压室的压力； 1、2为被测液体及隔离液的重度； h1、h2为最低液位及最高液位至变送器的高度 p为容器中气体的压力； C为常数，C (h2h1),2020/4/3,核工程检测技术,14,第二节 电容式液位计,在平行板电容器之间充以不同介质时，电容量的大小就有所不同，因此可以通过测量电容量的变化来测量液位、料位或两种不同液体的分界面。,工作原理,2020/4/3,核工程检测技术,15,两个同轴圆筒极板组成的电容器，在两圆筒之间充以介电常数为的介质时，则两圆筒间的电容量为,式中： D、d外电极内径和内电极外径(m)； 极板间
7、介质介电常数(F/m)； L 极板相互重叠的长度(m)。,液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。,2020/4/3,核工程检测技术,16,安装形式,1-内电极；2-绝缘套,右图是为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。,2020/4/3,核工程检测技术,17,右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。 图中：1、2-内、外电极
8、； 3-绝缘套； 4-流通孔。,2020/4/3,核工程检测技术,18,第三节 超声波液位计,一、超声波液位测量的优点和原理,频率在20000Hz以上的声波叫作超声波。,优点：可以定点和连续测量，方便提供遥测或遥控所需要 的信号；有较大的适应性，安装维护较方便，价格 便宜，并且不受光线、粘度的影响,超声液位测量仪的原理是利用超声波在气体、液体、固体中的吸收衰减的不同来探测探头前有无液体、固体物料存在，从而可发出液位报警信号。,2020/4/3,核工程检测技术,19,图(a)所表示的是超声波发射技能器1与接收换能器2分别安装在容器3的相对面上，当液位升降时就会阻断或导通声波，从而发出信号。图(b
9、)所表示的测量系统是超声波发射和接收部分安装在同一个探头4里的装置。,2020/4/3,核工程检测技术,20,二、超声波脉冲回波式液位测量,工作原理： 从发射探头发出的超声脉冲在媒质中传到液面，经反射后再通过该媒质返回到接收探头，根据测出的超声脉冲从发射到接收的时间以及媒质中的声速，即可求得从探头到液面之间的距离，从而确定出液位。,按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；,按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。,2020/4/3,核工程检测技术,21,(a)气介式 (b) 液介式 (c)固介式 单探头超声波液位计,2020
10、/4/3,核工程检测技术,22,超声波传播距离为L，在液体中的传播速度为v，传播时间为t ，则：,L是与液位有关的量，故测出L便可知液位， L的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。,2020/4/3,核工程检测技术,23,单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。 双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。,2020/4/3,核工程检测技术,24,(d)液介式 (e)气介式 (f)固介式 一发一收双探头测量,2020/4/3,核工程检测技术,25,双探头液介式,两探头
11、的中心距离为2a，声波从探头至液面的斜向路径为S，探头至液面的垂直高度为L，则,一般，两个探头安装很近，即a较小。所以在高液位时L值近似地与S相等。,双探头气介式适用上式，只是v为气体中的声速。,2020/4/3,核工程检测技术,26,双探头固介式,超声波在固体介质中传2L距离所需要的时间要比从发到收的时间短些，所短的时间就是超声波在液体中传过距离d所需的时间。因此,式中：v为固体中的声速：vL为液体中的声速。,2020/4/3,核工程检测技术,27,校正具,从前面的分析中可以看出，只要知道超声波在媒质中的传播速度，便可根据传播时间确定液位，但是媒质中的声速还与其他一些因素有关，如与媒质的成分
12、、温度和压力等因素有关，因此，很难把声速看成是一个不变的恒量。一般采用校正具对声速进行校正，所谓校正具就是在传声媒质中相隔固定距离L0安装一组探头反射板，如图所示。,2020/4/3,核工程检测技术,28,在固介式情况下校证具是一段传声的固体，其材料必需与测量液位时用的传声固体完全相同。超声波从探头发出经反射板反射后回到探头而被接收，如果在此校正段L0的媒质中声速为v0,从发到收所经历的时间为t0，则,因为L0是事前己知的定数，所以只要测出两段时间t和t0即可确定液位L。,2020/4/3,核工程检测技术,29,超声波液位测量有许多优点： 与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小
13、，仪器寿命长； 超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量； 不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号； 能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。,2020/4/3,核工程检测技术,30,超声波液位测量也有缺点： 超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵； 当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度； 有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑液位测量的具体情况和条
14、件。,2020/4/3,核工程检测技术,31,第四节 核辐射式液位计,射线在穿过物质时，会被物质的原子散射和吸收它的强度随着物质层的厚度呈指数规律而衰减：,式中：I。为射入介质前的Y射线强度； I为通过介质厚度为H后的射线强度 为介质对射线的吸收系数。,2020/4/3,核工程检测技术,32,不同物质对同位素射线的吸收能力不同，一般固体最强，液体次之，气体最差。,对于一定的放射线源和一定的被测介质，如果入射介质前的射线强度I0和吸收系数都是定值，则介质厚度H与穿过介质后的射线强度I的关系为,由此可见，只要测出通过介质后的射线强度I，便可求出被测介质的厚度H。,2020/4/3,核工程检测技术,
15、33,2020/4/3,核工程检测技术,34,核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，安装在被测容器的一侧。幅射源在结构上只能允许射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。 接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，射线由盖革计数管吸收，每接收到一个粒子，就输出一个脉冲电流。射线越强，电流脉冲数越多，经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。,2020/4/3,核工程检测技术,35,下图所示为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中 (a)为长辐射源和长接收器形式，输出线性度好； (
16、b)为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较差。,核辐射式液位计 1-放射源； 2-接收器,2020/4/3,核工程检测技术,36,辐射式液位计既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制； 射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。 以上这些特点使得辐射式液位计适合于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量。 但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害。,2020/4/3,核工程检测技术,37,核辐射式液位计的特点,1)可以从容
17、器、罐等密封装置的外部以非接 触的方式进行测量； 2)不受温度、压力、粘度和流速等被测介质 性质和状态的限制； 3)可以测量比重差很小的两层介质的相界面 位置； 4)在应用中必须进行防护。,2020/4/3,核工程检测技术,38,第五节 反应堆压力容器 水位测量,美国三哩岛核事故后，美国核管会要求所有商用压水堆核电站必须安装反应堆压力容器水位测量装置，并对反应堆水位测量、系统提出如下主要要求：,(1)水位测量仪表及其关联系统不应破坏反应堆压力容器 和反应堆冷却剂管道的完整性也不应产生不可接受 的附加载荷振动、电磁场、辐射以及对动力机械和其 它系统产生干扰作用的噪声，尤其不应该损害压力边 界和放
18、射性污染准则；,(2)在毋需改变量程的情况下，水位测量仪表必须在上腔 室和堆芯区域发挥功能；,2020/4/3,核工程检测技术,39,(3)仪表信号的处理必须简单而明确，可靠性高，仪表如果 发生故障或误差增大，应有清晰的指示； (4)仪表信号和处理后的信号应该易懂易读而且不受反应 堆压力容器的环境条件如下降段水位、硼、控制棒、 热循环、腐蚀、浸蚀、辐射和振动等的影响； (5)测量仪表的最大使用寿命、检查、维修和调整等时间间 隔至少等于或大于换料周期； (6)仪表必须可以调校，以提供可接受的允许偏差。在已知 误差带的情况下，偏差的最大值为堆芯高度的十分之一； (7)必须符合多重性原则。,2020
19、/4/3,核工程检测技术,40,热端加热热电偶法,热端加热热电偶水位测量原理，是以浸没在反应堆压力容器冷却剂中热端加热热电偶其加热端和不加热端之间产生的温差为基础的。如果某个敏感元件浸没在热传导较高的液态中时，它的温差几乎为零，然而在冷却剂没有浸没的敏感元件温差则大。这样可准确地反映压力容器的水位。用该元件组成的测量系统来监侧反应堆压力容器内燃料对准板以上区域的水位。,2020/4/3,核工程检测技术,41,当发生失水事故时，压力容器内充满两相流混合物。如果采用了热端加热热电偶法测量水位，将会得到精确的水位值。这是因为该水位测量系统中的分离管具有将周围的汽水两相进行水力分离功能。因此，即使在两
20、相或液汽相分界不清的情况下，或者在泡沫两相混合状态时，都可进行有效的水位测量。,2020/4/3,核工程检测技术,42,差压水位测量法,差压水位测量法是利用反应堆容器底部与顶部的压差直接测量压力容器内水位的。,差压水位测量系统中有两套差压测量装置，一只称为“窄量程单元”(Pa)，用来测量主泵停转时，反应堆压力容器内在自然循环状态下的从底部到顶部的实际水位(0100)；当主泵运转时，窄量程单元指示为满刻度。另一只称为“宽量程单元”(Pb)，它的刻度数是从主泵停转时压力容器水位0到所有主泵运转的满水位100。在全部主泵停转而容器满水位时，宽量程单元读数约为330。,2020/4/3,核工程检测技术,43,差压变送器安装在安全壳外的主要目的是消除事故后安全壳内部环境发生变化(温度、压力和辐射等)而引起测量精度大幅度下降(估计为15左右)。同时，这也是为了便于操作人员对安装在安全壳外的变送器进行校正、更换、参考段复检和变送器内填充物充注。,2020/4/3,核工程检测技术,44,本章内容结束！,
