反应堆的水位是涉及反应堆保护和事故后监测的重要参数, 对于反应堆的安全运行起着十分重要的作用。能够适应反应堆内运行条件并满足核级仪表装置的液位计不多[1~2], 为了能够用于探测反应堆内水位, 准确的判断出液气 (汽) 界面的位置, 本文研究的是一种加热式热电偶液位测量传感器, 它主要由一个电加热元件, 一支热电偶两部分组合而成。运行时, 加热器维持恒定功率, 由于发热体在水中和蒸汽中的放热系数差异显著, 使其在水中的温度要远低于在蒸汽中的温度, 此温度的差异通过热电偶转换成电信号输出, 根据电信号的大小即可确定水位是在传感器的下方或上方。

液位测量传感器是一种热端加热式铠装热电偶传感器 (以下简称传感器) , 它主要由一个电加热元件, 一支热电偶两部分组合而成, 其结构如图1所示。

液位传感器的工作原理是:给传感器内的加热器元件通以直流恒流或恒压电源加热, 待其工作电压或电流稳定后, 测出其电势值并换算成相应的温度值;然后把仍在加热并且处于稳定状态下的传感器浸没到热传导较高的液态中, 观察其电势值的变化, 并且仍然换算成相应的温度值。该传感器温度的变化通过电势的大小反应出来, 并以此来判断出气 (汽) 液界面的位置[3]。

传感器热偶的冷端与参比热电偶的冷端差分连接, 则可输出表征温差的电动势信号。运行时, 加热器通以直流恒流电流 (其功率为Q, 线功率密度为q) 。输出温差值主要取决于传感器的放热状态。这样, 把气 (汽) 液界面的测量变为温差测量。设介质为纯水, 温度为t0 (即参比热偶温度) , 传感器浸没在水中和裸露在气中的中心温度分别为ty和tq。传感器浸没在液体中和裸露在气 (汽) 体中的温差分别为ΔTy=ty-t0, ΔTq=tq-t0。一般来说, 固液的放热系数显著大于固气 (汽) 的放热系数, 因此ΔTq>ΔTy。设ΔT0= (ΔTy+ΔTq) /2, 则当测量温差ΔT>ΔT0时, 气 (汽) 液界面低于传感器;否则液面高于传感器[4~5]。

对于如图1所示结构, 取传感器热节点附近的微小高度圆柱体作为分析对象, 并忽略其轴向导热影响, 则根据传热学原理有:

其中,

λ1, λ2, λ3分别为MgO、不锈钢以及介质的导热系数;

α为放热系数;

d1, d2, d3分别为传感器外壳外直径、内直径和加热线圈外直径;

t, tW和t0分别为传感器热偶、外壁面和介质的温度;

Nu, Gr和Pr分别为努谢尔特数、葛拉晓夫数和普朗特数。

冷却剂为高纯水, 最高压力10.3 MPa, 最高温度310℃, 覆盖气 (汽) 体为水蒸汽及氮气。传感器加热功率为4.8 W时, 由 (1) 、 (2) 式计算出的传感器浸没在水中和裸露在气 (汽) 中的温差值约50℃。

传感器的响应时间定义为:当液位上升使传感器由裸露于气 (汽) 到浸没于水, 或者当水位下降时传感器由浸没于水到裸露于气 (汽) 时起, 到传感器温差输出值下降ΔT0 (或上升ΔT0) 所需的最长时间。分析表明, 后者大于前者。在核反应堆失水事故分析中, 所关心的也正是后者。

设C和m分别为传感器的平均比热和质量, F为其表面积。考虑在τ时刻的dτ时间间隔内, 传感器的温度由t上升dt, 则根据热平衡原理有

上式积分得 (积分上下限为0到τ和ty到ty+ΔT0)

在反应堆额定工况下 (10.3 MPa, 310℃) , 传感器加热功率为4.8 W时, 响应时间S≈3 min.。安全分析表明, 在失水事故发生时, 整个喷放过程将持续数小时, 水位共下降2 m以上, 由于液位计滞后造成的误差可以忽略, 因而, 响应时间可以满足要求。

用YJ26M三路直流稳压器给用QJ31型直流单双臂电桥测出引线值为0.03Ω, 元件值为12.8Ω的传感器通以5.62 V的电压, 在大约143℃左右让传感器在室温与沸水之间反复做试验, 并用HP34401A数字电压表测出其电势值换算成相应的温度, 要求其温度变化在±1.5℃以内。其试验结果如图2所示。

从图2中我们可以看到:在工作电压稳定后, 我们先后三次把该传感器放在沸水及室温下反复试验, 其电势值在一个瞬间阶跃下降后, 紧接着呈连续下降趋势, 直至达到稳定状态。而且从图1所列出的电势值及相对应的温度我们可以看出, 该传感器响应时间快 (3 min.) , 测温精度高 (<±1.5℃) , 复现性好。

用YJ26M三路直流稳压器电源给一支电阻为12.1Ω的传感器通以直流恒压电源, 待电势稳定后, 测出其电势值 (温度) , 接着把该传感器放在沸水中, 用HP34401A数字电压表测出其电势值 (温度) 的变化。改变电压的大小, 重复上面试验过程, 其试验结果如图3所示。

从图3中我们可以看出:随着电压的增加, 该传感器的功率也不断的增加, 其加热元件加热的温度也越高。并且随着传感器内加热元件加热温度的增加, 其在沸水中温差也越来越大。从试验结果我们可以初步的判定本传感器的液气 (汽) 界面的分辨率比较高。

在压力大于19.74 MPa的压力下, 用超高压热电偶试验装置稳压5分钟, 检查受压端是否因为高压而受损, 并通过ZC25-3型绝缘电阻表检查受压端绝缘电阻的状况, 来判定传感器是否泄漏。其试验结果见表1。

从表1中我们可以看出:该传感器在工作压力大于19.74 MPa时, 其绝缘电阻大于1 000 MΩ, 而且其表面没有任何因为压力试验而留下的缺陷, 所以该传感器满足13.16 MPa压力的使用环境。

当传感器的负载电压大于12 V时, 加热该传感器2小时, 然后用DT9505多功能万用表测试其电阻值, 看加热元件是否因为超负荷而断路。其试验结果见表2。

从表2中我们可以看到这样的情况:该传感器的加热元件在730℃左右工作2小时仍然完好无损, 所以该传感器完全可以满足0℃~350℃的测温要求。

单支液位传感器 (配以参比热电偶) 只能监测一个高度上的气 (汽) 液界面。在失水事故监测中, 要求对堆芯活性区以上的公共上升通道进行多点液位监测。这可以用液位传感器组件来监测。

我们用4支传感器, 构成传感器组件 (从上到下依次为1#、2#、3#和4#) , 安装在高温高压试验台架稳压器的不同位置 (传感器及参比热电偶的热端分别位于0.6、0.9、1.2和1.5 m高度) , 组件模拟反应堆一、二回路运行工况 (系统温度、压力达到210℃/2.25 MPa) , 通过排水和充水阀调节水位, 让处于最上端的1#传感器露出液面, 用数字电压表记录传感器从液态环境转变到气 (汽) 态环境时其内部测温热电偶输出电势的变化 (图4) 。继续降低液面, 2#传感器在相同的工况下, 重复上面的试验, 试验结果见图5。

在不改变传感器内加热器供电电压的情况下, 系统继续升温、增压, 当温度、压力在310℃/10.3MPa降低液面, 让3#、4#重复上面的试验, 用数字电压表记录传感器从液态环境转变到气 (汽) 态环境时其内部测温热电偶输出电势的变化 (图6、图7) 。

从传感器1#、2#、3#和4#的试验数据我们可以看到:在上述工况的条件下, 当传感器从液态环境改变到气 (汽) 态环境时, 其内部的加热元件将使传感器的温度在约3分钟内迅速上升2 mv (折合温度50℃) 以上, 逐步达到新的平衡温度。由于传感器温度上升的过程非常明显, 完全可以判断出气 (汽) 、液界面。

根据上述的分析和试验结果, 可以得出如下结论:

(1) 该传感器的原理分析正确, 结构设计可行, 用于液位测量时, 测量结果稳定可靠。

(2) 该传感器的分辨率、耐压性、绝缘性能以及复现性都很好。

(3) 该传感器可以进行350℃高温和13.16 MPa高压的性能试验。

(4) 该传感器的液气 (汽) 界面的分辨率很高, 完全可以用到一回路上进行液气 (汽) 界面的分辨。