核反應堆超聲波反射與雷達波導冷卻液液位計的研究

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

由于此處檢查的冷卻劑參數實際上非常極端（溫度高達350  °C  ，高輻射時壓力高達18 MPa），因此水平測量代表了一項具有挑戰性的技術任務。

為解決上述問題，提出了許多技術解決方案和想法，盡管其中只有一小部分被實現為工作設計，甚至更小的部分也經過了實際測試。

我們認為，基于使用金屬波導的聲學儀器是解決反應堆設施中水冷卻劑液位控制問題的較合適的儀器類型。它們的應用允許設計具有顯著壽命的傳感器，該傳感器能夠進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間段內工作。

測量系統存在兩種主要不同的可選配置：第一選項是采樣數據多點流體信號裝置形式的液位計，第二選項是指允許連續控制冷卻液液位的液位計。

第一種選擇是在包括幾十個波導的系統的基礎上實現的，每個波導配備有壓電變壓器并連接到敏感元件[1]。結果，獲得了多組分復雜且昂貴的設計，其必須補充適當的通用電子器件和多線連接電纜。多點信號裝置的優點與不需要執行儀器的計量認證相關聯。

第二種選擇是指聲阻抗水平計，它基于當延伸長度波導浸沒在流體中時沿著延伸長度波導傳播的聲脈沖的衰減（或延遲）的測量值[2]，[3] 。將它們與多點水平信號裝置區分開的聲阻抗水平計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是它們響應于受控介質的物理性質的變化伴隨其溫度和壓力的變化而干擾輸出信號。額外的更正需要數據來消除這種干擾。由于冷凝物沿著界面邊界上方的波導敏感元件向下流動并且由于沸騰導致在流體相內產生蒸汽 - 氣泡而引起的干擾也是可能的。

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

本文介紹了較初開發的超聲波反射雷達液位計的設計及其實驗研究結果，該實驗研究的結果與實際操作條件接近較大程度，受控介質參數變化較大，即高參數水冷卻劑。

反射雷達液位計的操作原理和設計
反射雷達液位計的主要思想在于分離流體和氣體介質的邊界的位置。沿波導以脈沖模式執行能量傳遞，測量值是從輻射器到接收器的脈沖的傳播時間。這種測量原理在超高頻反射雷達液位計中實現，其中使用沿波導散布的SHF能量脈沖。然而，這種水平計在核能發電中的應用遇到了與在主冷卻回路的設備內安裝SHF裝置相關的顯著困難。

在20世紀70年代，該國在超聲波導管的基礎上嘗試應用反射雷達技術，但未能證明成功[4]，[5]。

基于時域測量的波導水準儀具有測量通道的明顯優勢迫使研究人員重新考慮這一想法。結果，努力使用超聲波波導和脈沖信號開發反射雷達液位計。

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

圖1。超聲波從輻射波導到接收波導的傳播布局。

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

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

流體中波的輻射以角度φ進行，該角度由以下聲速的三角形確定：波導中的彎曲波和流體中的橫波[1]。對于許多流體（包括水），在該波進入流體的角度近似等于60 ò 相對于波導軸。由于波導中的彎曲波的極化，在振蕩平面內的流體中形成由相對于波導軸對稱的兩個波包組成的方向響應模式。與上述有關，波導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。

液位計設計包括以下部件：彎曲波形的兩個波導形式，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，通信波導配有工作頻率為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接螺母，波導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。反射雷達液位計的設計：1 - 電子單元; 2 - 壓電變壓器; 3 - 支持; 4 - 包裝組件; 5 - 波導夾具; 6 - 輻射和接收波導; 7 - 反射器; 8 - 通信波導。

傳感器信號處理功能框圖（圖3 ）包括視頻脈沖發生器，接收信號放大器，比較器，時間間隔計，數模轉換器和電流發生器。電路的主要元件是基于微處理器的。設計中包含了使用示波器觀察接收信號的功能。該設計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間。處理器執行選通，計算和輸出信號的功能 正常化。

圖3。反射雷達液位計電子單元的設計：1 - 視頻脈沖發生器; 2 - 放大器; 3 - 比較器 ; 4時間間隔計; 5 - 數模轉換器 ; 6 - 電流發生器。

實驗研究
通過將感覺元件逐漸浸入水中，在正常條件下進行儀器的校準。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準偏差不超過  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，在飽和線處的水冷卻劑中進行升高參數的實驗。實驗設施（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，并且在玄武巖連續纖維的基礎上通過隔熱保護免受外部影響。水溫并控制管道內的壓力。加熱器功率使用實驗室自耦變壓器控制。較高冷卻液溫度可達357  °C。

圖4。實驗裝置：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，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發生在密封的實驗部分內部的加熱過程中，并且增加的壓力抑制了沸騰的發展。因此，在水飽和線處觀察到等容熱力學過程（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測計算依賴性（壓力明確地取決于飽和溫度）。

圖6。計算水位變化對水飽和壓力線的依賴性。

計算根據以下公式進行：

其中h是實驗部分管道中的物理水位; m 是實驗部分管道中的水團 ; r是管道內半徑; ρ'是對應于飽和線的水密度。

在實施實驗之前，系??統從管道下部對接端填充水至450毫米標記，然后安裝水平儀（感應元件浸沒在流體中至130 毫米的深度）并密封執行系統。在準備測量電路之后，電功率等于?400W的電加熱器供電。系統中的溫度以7 ℃/ min 的速率逐漸增加，達到等于?350 ℃ 的值。壓力在該過程中增加至約18MPa。控制管道內的冷卻液溫度和壓力，以及液位計的聲學信號和輸出電流。    

討論結果
在實驗過程中確定測量的冷卻劑水平與飽和線上的計算水平之間的相關性（圖7）。
 

圖7。測量水位對飽和線上計算水平的依賴性。

使用反射雷達液位計和電平的事實值測得的冷卻劑水平之間的差異獲得在±范圍內 10  毫米，的值之間，即協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的整個測量范圍內，不需要在液位計讀數中引入校正。

讓我們注意到在實驗過程中觀察到接收到的聲學信號的波動，我們認為這可以通過介質的沸騰來解釋。為了檢查上述假設，進行加熱器的臨時切斷，導致接收信號的波動消失。

在壓力值超過14MPa時觀察到較明顯的信號波動。同時，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。使用數學統計方法在控制下的時間間隔內定位接收器信號的較大幅度，允許確定沿著儀器的行進路徑的超聲信號的較可能的行進時間是上述算法的區別特征。

結論
較初開發了基于反射雷達測量原理的超聲波液位計設計，適用于發電設備設備。時間特性，即沿著波導從波紋管沿著分離水和蒸汽并沿著第二波導回到接收器的線的波導的超聲波脈沖的傳播時間是測量儀器的區別特征。讓我們注意，時間間隔的測量是以更直接的方式進行的，更重要的是，與振幅測量相比，更可靠信號 在此，寬范圍內的冷卻劑參數的演變不會對測量儀器的操作產生顯著影響。

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

這里討論的液位計是作為現成產品制造的，其草圖如圖8所示。

圖8。具有集成電子單元的反射雷達液位計的外觀。