智能型超聲波液位計在核電廠的應用

    本文重點闡述的是法國GMP生產的智能超聲波液位計在核電廠主回路熱管道水位測量的應用，其中包括超聲波液位計的測量原理、系統組成，安裝注意事項、使用說明等具體內容.通過本文的介紹，讓更多的儀表工作者了解到超聲波液位計這一新型測量儀表在核電廠儀拉系統的應用。

    秦山第二核電廠總共有4臺650MW的壓水堆機組。每臺機組的反應堆冷卻劑系統(RCP)由并聯到反應堆壓力容器的兩條相同的傳熱環路組成，其中每條環路由一臺冷卻劑主泵、一臺蒸汽發生器以及相應的管道、閥門組成，而連接壓力容器出口和蒸發器入口之間的管道俗稱為熱管道。秦山二期的熱管道的水位測量采用的是法國MGP公司生產的一套超聲波液位智能測量系統，本文將分別闡述該智能系統的測量原理、結構組成以及使用方法，為sccsb超聲彼液位計在電廠的推廣做使用借鑒。

1 超聲波液位計的測量原理及其應用
1.1 超聲式傳感器的基本理論介紹
        聲波是一種機械波。聲的發生是由于發聲物體的機械振動引起周圍彈性介質中質點的振動由近及遠的傳播，這就是聲波。聲波的頻率高低不同，頻率超過 20000HZ 的叫超聲波，而頻率低于 20Hz 的叫次聲波。超聲波的頻率zui高可達 10 11 Hz。超聲波傳感器是近年來發展起來的新型傳感器，可廣泛應用于非接觸性測量的場合，如液體界面檢測、流量測量，水下作業、煤煙濃度、積雪厚度監測等多個領域，而秦山二廠熱管道水位的測量就是三暢超聲波傳感器在液位測量中的典型應用。
1.1.1 超聲波的發生
        超聲波是由超聲波發生器產生的。超聲波發生器主要是電聲型，它是將電磁能轉換成機械能。其結構分為兩部分：一部分是產生高頻電流或電壓的電源；另一部分是換能器，他的作用是將電磁振蕩變換成機械振蕩而產生超聲波。
        壓電式換能器：某些晶體受到外力作用發生形變時，在它的表面上會出現電荷，這種效應稱之為壓電效應。具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體。壓電效應是可逆的，逆壓電效應就是在晶體切片的兩對面上加交變電場（或電壓），晶體切片就產生伸長與縮短現象，這種現象叫電致伸縮。
        而壓電式換能器就是利用電致伸縮現象制成的，在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產生電致伸縮振動而產生超聲波。根據共振原理，當外加交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時，產生共振，這時產生的超聲波zui強。
1.1.2 超聲波的接收
        在超聲波技術中，除了需要能產生一定的頻率和強度的超聲波發生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上時，使晶片伸縮，在晶片上的兩個界面上變產生交變電荷。這種電荷先被轉換成電壓經過放大后送到測量電路，zui后記錄或顯示出結果。他的結構和超聲波發生器基本相同，有時就用同一個換能器兼作發生器和接收器兩種用途。秦山二廠的超聲波液位計探頭采用的就是同一個壓電換能器，兼作發生器和接收器兩種功能。
1.2 超聲波液位計主管道液位測量中的應用
        物位檢測面臨的對象不同，檢測條件和檢測環境也不相同，檢測方法很多，歸納起來主要有直讀式、靜壓式、浮力式、聲學式、光學式等幾種。其中超聲波物位傳感器屬于聲學式的一種，利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。超聲波液位測量有許多優點 ： 它不僅能夠定點和連續測液位,而且能方便地提供遙測或遙控所需的信號。
        與其他測位技術相比，它不需要特別防護，安裝和維護較方便， 而且結構、 方法都較簡單。超聲波液位測量的方法有很多，如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法。其
中應用zui廣泛的是脈沖回波法。它的基本工作原理是：超聲換能器由脈沖激勵信號發出超聲波，聲波在介質中傳播到達液面時，經液面反射形成發射波，再經介質傳播返回到換能器，換能器把聲信號轉換成電信號。由二次儀表測出超聲波從發射到接收所需的時間，再根據介質中超聲波傳播速度和換能器的安裝高度，就可計算液位高度。
2 超聲波液位計測量系統的系統組成和使用方法
2.1 測量系統的系統結構組成
        秦山第二核電廠采用的三暢超聲波液位計測量系統主要由探頭安裝支撐件，壓電式超聲波傳感器探頭，就地連接單元，過程處理單元，遠程數據顯示儀以及各部分連接電纜組成。本套SC智能超聲波液位計測量系統是用來測量一回路主管道排水時主管道內水位的顯示，實時反應主管道內水位的高度，為運行人員提供參考，尤其是十年安全殼打壓期間需要一回路水位排的盡量低以保障安全殼打壓試驗更順利進行，因此該液位計承擔著及其重要的作用。
2.1.1 壓電式超聲波傳感器探頭
        超聲波傳感器探頭是本套測量系統的核心部件，它的好壞直接決定了測量系統能否正常使用，超聲波探頭通過一個支撐組件垂直于主管道的水平面安裝在主管道的表面上。
機組正常運行期間，維修人員需要拆下現場的超聲波探頭以防止主管道溫度過高導致超聲波探頭失效的情況出現（超聲波可測量的zui高溫度不超過 70℃）。
        在探頭的安裝過程中，要保持探頭的安裝方向與管道的水平方向絕對垂直，同時在壓電式傳感器的表面要涂抹上均勻的聲耦合劑以保證探頭的信號能正常的發送接收，同時在探頭安裝前保證管道的接觸面清潔沒有雜質。
其中超聲波傳感器接收過程處理單元提供高頻勵磁脈沖信號然后把這些脈沖信號轉換成超聲波信號。同時超聲波信號從管道表面和冷卻劑表面反射回來的信號通過傳感器轉換成相應的電信號送到過程處理單元進行分析和處理。
2.1.2 過程處理單元
        過程處理單元承擔了超聲波液位計測量系統的信號分析，數據采集，數據處理，數據輸出等過程內容。通過連續測量的方式實現以下的功能：
        （1）液位數據即時顯示（每秒刷新一次數據）。
        （2）提供兩個繼電器輸出報警分別對應成“高水位"和“低水位"。
        （3） 提供4-20mA或者0-20mA電流輸出。
        （4）提供 RS232 接口與計算機進行數據通信。
        （5）通過內部的繼電器電路實時跟蹤探頭是否安裝，并提供相應的報警。
        （6）提供設備故障的報警信息。
過程處理單元主要由處理模塊，MADC組件，鍵盤輸入 / 顯示模塊，電源分配模塊以及算法軟件等幾個單元模塊組成
2.2 超聲波液位計測量系統的使用
        在超聲波液位測量系統投運之前需要確認以下幾點工作內容 , 確認無誤后方能執行后續的系統投運工作以保證測量工作的有效性。
        （1）主管道的保溫層已經拆除。
        （2）主管道上面的探頭支撐件完好無損壞。
        （3）主管道與傳感器安裝的接觸面表面必須清潔。
        （4） 各單元直接的連接電纜已經連接好。
        （5）系統電源指示燈亮，系統電源沒有問題。
        （6）過程處理單元接地良好（用兆歐表做絕緣測試）。
2.2.1 系統啟動和停止
        通過過程處理單元柜上面的電源開關按鈕進行系統啟動工作，之后系統開始執行初始化工作,同時， 系統對內部存儲器執行測試，測試 OK 后就地指示燈亮。之后對系統等各個
子項進行測試，測試合格后系統處于 STAND-BY 模式。
2.2.2 系統參數設置以及仿真測試
        在 STAND-BY 模式下通過鍵盤操作進入到 2（參數設置）里面對相應的參數進行設置。
運行參數中可以根據實際的工況參數 （如液位高報定值，液位低報定值，滿水時液位，空管液位，管壁厚度以及材料）對相關參數進行設置。
        參數設置完成后按 B 退出回到 STAND-BY 菜單。進行仿真測試（通過按鍵選擇2），仿真測試的內容是模擬現場的實際水位信號去測試模擬量輸出，液位高低報警，遠方顯示等功能是否正常。整個仿真測試的事件總共持續 30S。仿真測試分為手動仿真測試和自動仿真測試兩種供用戶在不同場合選擇，仿真測試完成合格后就可以進行校驗操作。
2.2.3 探頭安裝及系統校驗
        在校驗前，首先確認現場探頭已經安裝就位，且探頭安裝滿足使用要求，同時確認主管道旁邊的余熱排出泵已經停運。之后操作人員執行自動校驗操作，出現兩個選項
        （1）PREVIOUS CALIBRATION（之前的校驗）。
        （2）NEW CALIBRATION（新的校驗）。
        在每次超聲波液位計測量系統投運時，探頭都要重新安裝一遍，因此現場探頭的位置以及管道內實際的情況與之前都有偏差，需要重新進行標定校驗， 因此只能執行2選項，此時系統執行一系列的計算，顯示測試進行中 , 如果執行校驗過程中沒有故障的話，整套sc超聲波液位計測量系統校驗完成，就可以實時監控主管道內的水位情況，同時通過模擬量輸出把水位的測量信號輸送到主控的顯示儀進行數據顯示。如果校驗過程中出現故障，則畫面中 STATUS（狀態）欄中會出現相應的故障代碼，之后再根據故障代碼的處理措施查找故障原因，故障排除后再次執行新的校驗直到系統正常使用為止。