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摘 要：在电力领域，水位测量和控制所采用的方式有：压差式、电接点式、热效应式、非接触式等多种原理型式，通过对这四类水位计的测量原理、功能特性、误差及缺陷等进行分析，并对核电厂中一些特定使用场所水位计的设备选型及适用改进措施提供一些建议，以保证核电运行的安全可靠性。
关键词：水位测量 压差式 电接点 电加热式 核电厂
中图分类号：TH816 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-037-02
1 引言
随着测控技术的发展，在电力领域水位测量和控制所采用的方式有：压差式、电接点式、热效应式、非接触式、吹气式等多种原理型式，种类较多，往往令设备需求人员迷惑不解。由于缺乏对水位计原理特性的足够了解，测量设备选用不当，在特殊情况下，还会引起严重事故，如水位计报出了“假水位”信号的美国三哩岛核事故、某火力发电厂300MW机组发生“烧干锅”事故等。
本文对行业领域常用水位计的测量原理、功能特性、误差等进行深入分析，针对核电厂中一些特定使用场所，提出了水位计的设备选型及适用改进措施的一些建议，目前根据选型结果选择改进的水位测量设备正在鉴定试验中。
2 测量原理比较分析
2.1 压差式液位计
2.2 电接点式
电接点式液位计利用水和气导电性能的极大差异进行液位测量，测量的作用就是将水位变化经电接点电阻的变化取得信号。在液态时由于介质电阻率小，当电接点间加上一电压时，流过的电流大；反之，未浸入液面下的电接点流过电流小，将这两种状态下流过的不同电流作为一种信号馈送到二次仪表，经放大后，显示及控制输出，从而实现了远距离操控。由于结构原理简单，其响应时间相对于其它类型的水位计，响应时间更快些，可在2ms内输出水位参数。
2.3 电加热式
电加热式液位测量传感器主要由一个电加热元件、一支热电偶（阻）两部分组合而成。运行时，给传感器内的加热器元件通以直流恒流或恒压电源加热，待其稳定后，测出其电势值。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（阻）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。液位上升时的响应时间约为4秒， 但液位下降时的响应时间较长，约为20s。由其测量原理可知，增加加热功率有利于提高灵敏度。
2.4 非接触式液位计
工业系统中常用的非接触式液位计主要有超声波及雷达液位计，他们的原理是通过检测一束超声声能发射到液面并发射回来所需的时间来确定液体的液位。
3 特性比较分析
3.1 压差式
3.1.1 功能特性
差压式水位计准确测量水位的关键在于水位与差压之间的准确转换。差压式水位计通过测量取样管路形成有效差压后，经过计算得到水位值。
3.1.2 误差
受工况压力、温度以及取样管安装方式的影响，差压式水位计测量会存在一定的误差， 如热电锅炉低负荷运行时， 汽包水位的准确性相对更差。由式1可以看出，差压水位计测量误差主要由不同温度、湿度及压力工况下被测液体的密度、环境压力 pA两者的变化引起，因此在环境出现温湿度大幅变化情况下会产生较大的误差。
（1）液体密度变化引起的误差。
周围环境升高，饱和蒸汽进入使用环境凝结成水。水温从上到下逐渐降低，其值是一个随环境压力、导热系数、放热系数变化的变量，工程计算复杂、难度大，即很难确定容器或水池内液体密度的具体数值，若仍然以常温常压下的液体密度 计算必然造成误差大。
（2）饱和水、蒸汽密度引起的误差。
不同温度、湿度及压力工况下环境内饱和水的密度及饱和蒸汽的密度是变化的，因此会引起的压力 pA的变化。
（3）测量装置安装取样误差。
测量装置取样及安装不合理必然造成 pB偏离理论计算值而造成测量误差。
基于此，差压式液位计在失水、失压等异常工况下测量误差非常大，往往报出假水位信号；如核电站中蒸汽发生器水位测量，满功率情况下，事件发生初期几秒，水位稍有上升，即俗称的“假水位”，给水减少越多，出现假水位时间越早。另外，由于压差变送器需用外部电源，功耗较大，在全厂断电等事故条件下，无法实施长时间远程监测。
3.2 电接点式
3.2.1 功能特性
（1）结构简单、监视方便。
电接点式水位计实质上是简单的连通管式水位测量系统，原理简单、测量转换系统稳定可靠是其最突出的特点。电接点水位计光柱显示直观醒目，运行中可采取以“瞄一眼”方式监视。
（2）可准确推知水位。
在电极对应的光柱阶跃变化时，可准确推知水位。例如：水位由0mm处电极升至+3mm处电极时，显示由0变为+3瞬间，若电极头半径为1.5mm，可知取样水位约为+1.5mm同理，若液位下降，电极下水滴连水断开瞬间，显示由0跃变为-3，可知水位约为-1.5mm。且可按推算值准确核对压差水位计。
（3）具有自检功能。
传感器具有电极测试功能，通过改变电极的供电方式，可对每对电极单独测试，以便及时判断电极工作是否正常，可据此决定整套电极是否需要清洗或更换，
（4）容错能力强。
有很强的容错性，在个别电极工作异常的情况下，利用相邻电极的显示信息，仍能准确推知水位值。
（5）失电情况下可长期有效工作。
耗电量小，属于无源器件。在丧失全部供电电源的特殊工况下，利用万用表等有源仪表即可准确得知液位值。2011年日本福岛核事故启示我们，严重事故下可能会失去所有应急电源，电接点式液位计在测量原理上采用非能动的技术，不需要外接电源也能将所需要的参数传出。 3.2.2 误差
由于电极以一定间距安装在测量筒上，由此决定其输出信号是阶梯式，误差主要取决于安装误差及电极的大小，故仅存在固有误差。
随着系列化小型化电极技术的发展，采取常用监视段电极密集设置办法，电接点水位计的固有误差可达到3mm内，能满足工业领域一般场所内的监视误差要求。
3.3 电热式
3.3.1 功能特性
由于电热式传感器也是电极间断式布点测量，故其功能特性与电接点式相同，但是由于其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，需消耗加热功率，耗电量较大。在丧失全部外电源的情况下，需外接足够容量的电池才能维持水位测量信号的正常输出。
电热式液位计随着工作电流的减小，气（汽）、液界面的差异会变得越来越小；随着被测液体温度的升高，传感器温度上升的过程变得越来越不明显；随着被测量介质工作压力的提高，传感器处于水汽空间中的输出电压的差值在逐渐减小，按照理论分析，当工作压力达到临界压力时这种差值将减少到零，不容易判断出气（汽）、液界面。
3.3.2 误差
由于同样采用电极间断式布点测量，误差与电接点式测量设备的误差产生方式一致，但由于电极直径比电接点大，套管外径约4mm，固有误差比电接点式大。
3.4 非接触式液位计
4 核电厂特定环境下的选型
在水位计选型中，首先要考虑工况，如介质的性质、工作温度、工作压力等的要求，并要考虑工艺的要求，如对精度和控制的要求，其次要考虑经济性。核电领域是一个高可靠性领域，测量及控制设备要求具有极高的可靠性。反应堆内的水位是涉及到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；乏燃料水池只要储存有乏燃料，它必须有足够的水层，为操作人员提供良好的生物防护。因此对该两类水池中水位必须进行实时监测。
在美国三哩岛核事故之前，压水堆核电站中，根据差压式水位计的指示值用稳压器中的水位来监测压水堆一回路冷却剂的总量，核事故发生后证明，这是一种不可靠的方法。压水堆一回路冷却剂的总量的监测，需要一种直接测量反应堆压力壳内水位的方法，而且要不同于、且独立于稳压器内水位测量的方法，电接点式或电热式水位计是一种适用的监测传感器，另外在核电厂其他储水容器（如封闭式水池、水箱、储液罐等）中，作为液位调节控制使用时也简洁方便。若设置数量相同的电极，由于电热式水位计通过对铂电阻或电偶进行加热来获取测量结果，不仅功耗比电接点式大且造价较高。
由于核电厂反应堆和乏燃料水池内均具有较高的电离辐射水平，故需对液位传感器的结构进行改进，比如将传感器及连接附件置于一抗辐照的铠装套管内，用MgO或Al2O3作填充材料，但相关研究及实践表明，电极的铝成份在硼酸环境中较容易发生腐蚀，在核电厂中，由于环境的特殊限制不能对不良的电极进行及时更换，为防止或减少腐蚀现象的发生，需对易腐蚀的电极采取相关措施，如对电极表面喷涂陶瓷或氧化锆材料，或进行镀鉻和镀锌处理，对电极采用交流供电，减小通过电极的电流等或者在避开产品材料中避开Al等活泼的元素，以延长电极寿命。
5 结论
尽管水位计的类型较多，如压差式、电接点式、电加热式、非接触式，但通过比较其原理、特性及误差等方面可得知，能适用于核电厂特殊使用场所的类型不多。根据国家核安全局出台的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）》（以下简称改进要求）文件，乏燃料水池监测应考虑丧失全部电源（包括厂址附加柴油机）供电情况下对液位和温度测量系统供电的要求，因此对应用于乏燃料池的水位监测装置，宜采用功耗小、非能动的测量设备。核电厂商针对改进要求，正在深入调研电接点及电加热两种类型水位测量装置，考虑到丧失全部电源条件下的设备功耗及经济成本，电接点将是其首选。
参考文献：
[1] 张祖力，唐锐，王华.加热式热电偶液位测量传感器的研究[J].功能材料，2007，38 （10）：1738-1740.
[2] 包海林.差压式汽包水位测量装置测量误差分析及改进[J].华北电力技术，2011（4）：36-39.
[3] 宋修贤，蔡琦，于雷.船用核动力装置给水减少事件分析与处置研究[J].海军工程大学学报，2004，16（3）：101-109.
[4] 孙炯，查美生.铠装旁热式热电偶水位传感器的实验研究[J].工业仪表与自动化装置，2012（2）：8-16.
关键词：水位测量 压差式 电接点 电加热式 核电厂
中图分类号：TH816 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-037-02
1 引言
随着测控技术的发展，在电力领域水位测量和控制所采用的方式有：压差式、电接点式、热效应式、非接触式、吹气式等多种原理型式，种类较多，往往令设备需求人员迷惑不解。由于缺乏对水位计原理特性的足够了解，测量设备选用不当，在特殊情况下，还会引起严重事故，如水位计报出了“假水位”信号的美国三哩岛核事故、某火力发电厂300MW机组发生“烧干锅”事故等。
本文对行业领域常用水位计的测量原理、功能特性、误差等进行深入分析，针对核电厂中一些特定使用场所，提出了水位计的设备选型及适用改进措施的一些建议，目前根据选型结果选择改进的水位测量设备正在鉴定试验中。
2 测量原理比较分析
2.1 压差式液位计
2.2 电接点式
电接点式液位计利用水和气导电性能的极大差异进行液位测量，测量的作用就是将水位变化经电接点电阻的变化取得信号。在液态时由于介质电阻率小，当电接点间加上一电压时，流过的电流大；反之，未浸入液面下的电接点流过电流小，将这两种状态下流过的不同电流作为一种信号馈送到二次仪表，经放大后，显示及控制输出，从而实现了远距离操控。由于结构原理简单，其响应时间相对于其它类型的水位计，响应时间更快些，可在2ms内输出水位参数。
2.3 电加热式
电加热式液位测量传感器主要由一个电加热元件、一支热电偶（阻）两部分组合而成。运行时，给传感器内的加热器元件通以直流恒流或恒压电源加热，待其稳定后，测出其电势值。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（阻）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。液位上升时的响应时间约为4秒， 但液位下降时的响应时间较长，约为20s。由其测量原理可知，增加加热功率有利于提高灵敏度。
2.4 非接触式液位计
工业系统中常用的非接触式液位计主要有超声波及雷达液位计，他们的原理是通过检测一束超声声能发射到液面并发射回来所需的时间来确定液体的液位。
3 特性比较分析
3.1 压差式
3.1.1 功能特性
差压式水位计准确测量水位的关键在于水位与差压之间的准确转换。差压式水位计通过测量取样管路形成有效差压后，经过计算得到水位值。
3.1.2 误差
受工况压力、温度以及取样管安装方式的影响，差压式水位计测量会存在一定的误差， 如热电锅炉低负荷运行时， 汽包水位的准确性相对更差。由式1可以看出，差压水位计测量误差主要由不同温度、湿度及压力工况下被测液体的密度、环境压力 pA两者的变化引起，因此在环境出现温湿度大幅变化情况下会产生较大的误差。
（1）液体密度变化引起的误差。
周围环境升高，饱和蒸汽进入使用环境凝结成水。水温从上到下逐渐降低，其值是一个随环境压力、导热系数、放热系数变化的变量，工程计算复杂、难度大，即很难确定容器或水池内液体密度的具体数值，若仍然以常温常压下的液体密度 计算必然造成误差大。
（2）饱和水、蒸汽密度引起的误差。
不同温度、湿度及压力工况下环境内饱和水的密度及饱和蒸汽的密度是变化的，因此会引起的压力 pA的变化。
（3）测量装置安装取样误差。
测量装置取样及安装不合理必然造成 pB偏离理论计算值而造成测量误差。
基于此，差压式液位计在失水、失压等异常工况下测量误差非常大，往往报出假水位信号；如核电站中蒸汽发生器水位测量，满功率情况下，事件发生初期几秒，水位稍有上升，即俗称的“假水位”，给水减少越多，出现假水位时间越早。另外，由于压差变送器需用外部电源，功耗较大，在全厂断电等事故条件下，无法实施长时间远程监测。
3.2 电接点式
3.2.1 功能特性
（1）结构简单、监视方便。
电接点式水位计实质上是简单的连通管式水位测量系统，原理简单、测量转换系统稳定可靠是其最突出的特点。电接点水位计光柱显示直观醒目，运行中可采取以“瞄一眼”方式监视。
（2）可准确推知水位。
在电极对应的光柱阶跃变化时，可准确推知水位。例如：水位由0mm处电极升至+3mm处电极时，显示由0变为+3瞬间，若电极头半径为1.5mm，可知取样水位约为+1.5mm同理，若液位下降，电极下水滴连水断开瞬间，显示由0跃变为-3，可知水位约为-1.5mm。且可按推算值准确核对压差水位计。
（3）具有自检功能。
传感器具有电极测试功能，通过改变电极的供电方式，可对每对电极单独测试，以便及时判断电极工作是否正常，可据此决定整套电极是否需要清洗或更换，
（4）容错能力强。
有很强的容错性，在个别电极工作异常的情况下，利用相邻电极的显示信息，仍能准确推知水位值。
（5）失电情况下可长期有效工作。
耗电量小，属于无源器件。在丧失全部供电电源的特殊工况下，利用万用表等有源仪表即可准确得知液位值。2011年日本福岛核事故启示我们，严重事故下可能会失去所有应急电源，电接点式液位计在测量原理上采用非能动的技术，不需要外接电源也能将所需要的参数传出。 3.2.2 误差
由于电极以一定间距安装在测量筒上，由此决定其输出信号是阶梯式，误差主要取决于安装误差及电极的大小，故仅存在固有误差。
随着系列化小型化电极技术的发展，采取常用监视段电极密集设置办法，电接点水位计的固有误差可达到3mm内，能满足工业领域一般场所内的监视误差要求。
3.3 电热式
3.3.1 功能特性
由于电热式传感器也是电极间断式布点测量，故其功能特性与电接点式相同，但是由于其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，需消耗加热功率，耗电量较大。在丧失全部外电源的情况下，需外接足够容量的电池才能维持水位测量信号的正常输出。
电热式液位计随着工作电流的减小，气（汽）、液界面的差异会变得越来越小；随着被测液体温度的升高，传感器温度上升的过程变得越来越不明显；随着被测量介质工作压力的提高，传感器处于水汽空间中的输出电压的差值在逐渐减小，按照理论分析，当工作压力达到临界压力时这种差值将减少到零，不容易判断出气（汽）、液界面。
3.3.2 误差
由于同样采用电极间断式布点测量，误差与电接点式测量设备的误差产生方式一致，但由于电极直径比电接点大，套管外径约4mm，固有误差比电接点式大。
3.4 非接触式液位计
4 核电厂特定环境下的选型
在水位计选型中，首先要考虑工况，如介质的性质、工作温度、工作压力等的要求，并要考虑工艺的要求，如对精度和控制的要求，其次要考虑经济性。核电领域是一个高可靠性领域，测量及控制设备要求具有极高的可靠性。反应堆内的水位是涉及到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；乏燃料水池只要储存有乏燃料，它必须有足够的水层，为操作人员提供良好的生物防护。因此对该两类水池中水位必须进行实时监测。
在美国三哩岛核事故之前，压水堆核电站中，根据差压式水位计的指示值用稳压器中的水位来监测压水堆一回路冷却剂的总量，核事故发生后证明，这是一种不可靠的方法。压水堆一回路冷却剂的总量的监测，需要一种直接测量反应堆压力壳内水位的方法，而且要不同于、且独立于稳压器内水位测量的方法，电接点式或电热式水位计是一种适用的监测传感器，另外在核电厂其他储水容器（如封闭式水池、水箱、储液罐等）中，作为液位调节控制使用时也简洁方便。若设置数量相同的电极，由于电热式水位计通过对铂电阻或电偶进行加热来获取测量结果，不仅功耗比电接点式大且造价较高。
由于核电厂反应堆和乏燃料水池内均具有较高的电离辐射水平，故需对液位传感器的结构进行改进，比如将传感器及连接附件置于一抗辐照的铠装套管内，用MgO或Al2O3作填充材料，但相关研究及实践表明，电极的铝成份在硼酸环境中较容易发生腐蚀，在核电厂中，由于环境的特殊限制不能对不良的电极进行及时更换，为防止或减少腐蚀现象的发生，需对易腐蚀的电极采取相关措施，如对电极表面喷涂陶瓷或氧化锆材料，或进行镀鉻和镀锌处理，对电极采用交流供电，减小通过电极的电流等或者在避开产品材料中避开Al等活泼的元素，以延长电极寿命。
5 结论
尽管水位计的类型较多，如压差式、电接点式、电加热式、非接触式，但通过比较其原理、特性及误差等方面可得知，能适用于核电厂特殊使用场所的类型不多。根据国家核安全局出台的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）》（以下简称改进要求）文件，乏燃料水池监测应考虑丧失全部电源（包括厂址附加柴油机）供电情况下对液位和温度测量系统供电的要求，因此对应用于乏燃料池的水位监测装置，宜采用功耗小、非能动的测量设备。核电厂商针对改进要求，正在深入调研电接点及电加热两种类型水位测量装置，考虑到丧失全部电源条件下的设备功耗及经济成本，电接点将是其首选。
参考文献：
[1] 张祖力，唐锐，王华.加热式热电偶液位测量传感器的研究[J].功能材料，2007，38 （10）：1738-1740.
[2] 包海林.差压式汽包水位测量装置测量误差分析及改进[J].华北电力技术，2011（4）：36-39.
[3] 宋修贤，蔡琦，于雷.船用核动力装置给水减少事件分析与处置研究[J].海军工程大学学报，2004，16（3）：101-109.
[4] 孙炯，查美生.铠装旁热式热电偶水位传感器的实验研究[J].工业仪表与自动化装置，2012（2）：8-16.