用来监测液体容器中的液体液位的方法和装置的制作方法

专利名称：用来监测液体容器中的液体液位的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来监测液体容器中的液体的液位的方法，尤其是用来监测压水反应堆设施的反应堆压力容器中的冷却剂的液位，该方法借助测量一个已加热的热电 偶和一个与之关联的未加热的热电偶之间的温差来判断液面是否已经下降到低于已加热 的热电偶的安装位置，所述两个热电偶都安装在液体容器中。此外，本发明还涉及一种 用来实施这个方法的电子评估和控制单元，以及一种配置有所述评估和控制单元的用来 监测液位的装置。
背景技术：
在测量装置或者液位探头中，根据一个已加热的热电偶所产生的热应力可以推 断出在一个液体容器中的液位高度，测量装置或者液位探头尤其被应用在核电厂里。因 为它们相对于基于其他测量原理的测量装置来说对于放射性辐射比较不敏感并因此也可 以在可能发生的辐射值升高的故障情况下可靠地工作。这种形式的测量装置尤其是应 用在压水反应堆的反应堆压力容器里，以便在那里监测流过发电设备的主回路(德文原 文Primarkreislauf:)的，在燃料元件上方的冷却液体的液位高度。测量原理充分利用了各种不同的热传递特征，这些特征一方面在热量从一个加 热元件传到另一个包围住这个加热元件的液体冷却剂时出现，并且另一方面在传到一种 气体状或蒸汽状介质上时出现。只要加热元件被液体冷却剂包围着，那么由它所产生的 热量就被迅速地传出，从而即使在其紧靠的周围，温度也比在未加热情况下出现的那个 周围环境温度高不了多少。例如，如果在反应堆正常运行期间或者也在反应堆有故障情 况下出现以下情况根据运行情况或者根据主回路的压力损失，反应堆压力容器里的液 位降低到加热元件的高度之下，该加热元件因此被蒸汽状冷却剂包围了，那么传热性能 就变差了。这就造成了在加热元件周围的温度升高，这种升高可以通过一个相邻于加 热元件所安设的温度计或者一个温度探测器来证明。由于其可靠和稳健的运行方式，一般可以使用热电偶作为温度探测器，这些热 电偶提供一种基本上与温度成比例的热应力。通常在一个杆状或者管状支架上或者在一个细长的测量管上以固定的间距布置 了多个热电偶，该测量管浸入到要被监测液位的液体中，并在测量管内部敷设有为给加 热元件供电和把信号传送给外部的评估单元所必需的供电和信号线路。布置在不同高度 上或者不同测量位置的传感器从而可以实现对容器中的液位高度进行数字式的，空间上 离散式的显示，其(位置上)的分辨率取决于每个高度段的温度传感器的数量。这种形式的测量装置比如已经在DE 10 2006 025 220A1中公开。除了这些起 到主信号发生器作用的已加热的热电偶之外，在测量管内部还布置了多个未加热的热电 偶，这些热电偶提供一种配合于各个主信号的参考信号。这样就可以在评估温度信息以 及由此推导求取液位高度时也考虑到液体的或周围环境温度随时间的变化。如果没有这 样的措施，那么例如液体温度的升高或者降低就可能错误地表示为液体高度的变化或者液体高度的实际上的变化被同时的液体温度的变化“掩盖”住。通常来说，一个已加热的热电偶和一个与它关联的未加热的(参考)热电偶之间 的温差在评估测量信号时被求出。如果温差超过了一个预设的值，并且不能再和正常的 反应堆介质的温度波动混为一谈，而是可靠地表明，液面已经降到低于已加热的热电偶 在液体容器中的安装位置，那么警报就会被触发。所以，为了触发警报，要么需要知道 关于已加热的热电偶和未加热的温度信息(参考温度)，并且在电子评估装置中求出其温差，要么把已加热的热电偶和未加热的热电偶如此地相连接，从而使得所产生的信号直 接就显示二者的温差。在核能技术的背景下，这就意味着通过所述方式的对参考温度测量的利用， 反应堆中的冷却剂在开启和关闭反应堆时的温度变化，或者因超出一般范围的功率的提 高而产出的温度变化，还有所谓的条状冷区域对于温差没有或者只有微不足道的影响， 因为上述因素是以相同的方式作用于已加热的热电偶和与之相关联的未加热的热电偶。但是上面所说只适用于理想的视角。在实践中还必须把一些次要因素考虑进 去这种次要因素之一是，如果没有一个主动的加热供电的调节，那么已加热的热 电偶和未加热的热电偶的温差会随着周围环境温度的升高，比如逐渐升高的反应堆冷却 剂的温度，而减小。原因之一是，随着液体容器内的介质温度的升高，带有用来给热电 偶加热的加热元件或加热区(加热丝上阻力较大的段落)的加热丝更多地(从外部)被加 热。这样加热丝的电阻就会增加，在电压不变的情况下，流通过的电流就会减小。因 此，加热元件的加热率就会降低，因为所述加热率是和通过加热元件的电流成乘方比的 (P = R*I2)。这就意味着由于一方面如果加热电流不被调控的话，已加热的热电偶和未加 热的，被液体包围的热电偶之间的温差会随着液体温度的升高而降低，但是另一方面出 简化调控技术的原因，一般来说只设置一个唯一的，固定的用来触发警报的界点值，所 以，随着温度的增高，用来为触发警报所需的已加热的热电偶的温度的升高幅度也就增 大，所述已加热的热电偶的温度的升高被在液面降低的情况下和在转入蒸汽状态时发生 的热传递特征的变化所引发。为了抵消上述的影响，一种方法和一种与之相适应的测量装置被研制出来了， 在所述方法和装置中，加热丝的加热电流被如此地调控，即加热电流随着设施运行温度 的升高不会减小，而是反而有些增大，以使得恰恰在高温区域时系统的反应时间，即为 触发警报所需的反应时间被缩短。通过这样的对加热电流的调控，在实践中，就可以 取得如下效果，即已加热的热电偶和与之相关联的未加热的热电偶之间的温差(“德尔 塔-τ”，德文原文为“Delta-T”)在液体中基本上保持恒定，也就是说，不受设施运行 温度的影响。换句话说如果在一个图表中，已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的温 差-在液体中-在介质的温度之上被展示的话(“德尔塔-T”在“T”之上)，那么对 加热电流的调控可以在图表中取得一个基本上是水平走向的特征线。通过这种方式，就 可以为已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的温差预设一个唯一的临界值， 当这个临界值被超过时，警报被触发，所述警报可以可靠地表明，液位已经降到已加热的热电偶之下， 所述临界值适用于需要被监测的液体(反应堆冷却介质)的整个的可被容许的 温度幅度， 所述临界值使得令人满意的触发反应时间成为可能。除了这些显而易见的优点外，所述的对加热电流的调控的方法也有一些缺点其中一个主要的缺点是，对加热电流的调控在一些不佳的情况下会失效。在一 个假设的失效情况下，在设施运行温度之上被展示已加热的热电偶和未加热的热电偶之 间的温差的特征线会朝不利的方向改变。在核能技术的应用实例中，上述情况就意味着如果在发生了这样的在设施运 行期间的调控失效的情况下，为了缩短触发反应时间或者保证警报的触发，通过手动来 增加加热电流，那么这就会在停止反应堆的运行时发生警报的触发，尽管实际上冷却剂 的液位根本没有降低(错误警报)。取决于可能已经操作了的闭锁，这种错误警报可能会 引起高压供给泵自动开始运行，从而最终导致一个人们所不希望看到的主回路中的压力 增高，并且带有随后的安全阀的被触发。由于这种反应，人们不能把所述测量系统以和 最高的设施运行温度配合调试了的加热功率应用到各种设施运行温度之中，而这种应用 就所追求的在触发情况时的信号变化幅度本来是很符合愿望的。除此以外还有其他问题如果加热丝的一部分被比它冷的介质在周围流过的 话，那么这就会引起加热电流的减少，从而引起已加热的热电偶和未加热的热电偶之间 的温差的降低，和较低的信号变化幅度。原因是，目前常见的调控方式是通过加热丝的 电阻间接地来感应介质温度的变化的。这种间接的调控方式还意味着加热丝必须由一种这种的材料构成，即所述材 料的电阻会随着温度的变化而显著变化，因为这是一个稳定的调控方式的前提。这一 情况对探头的设计有着很大的影响，因为人们需要保证所应用的加热丝具有所必需的特 性。这会导致测量探头和电子评估装置之间的接口需要一个十分费力的协调工作。

发明内容
所以本发明要解决的问题是，提供一种监测液位的方法和与之相配套的装置， 所述方法和装置可以在设备资源和操控技术方面都只需要比较小的投入的情况下，在一 旦需要被监测的液面降到低于临界值时，提供特别可靠的和具有迅速反应时间的警报触发。在方法这方面，本发明解决所述问题的方式是这样的对温差在时间上的变化 的监测是持续不断地找寻一个温差在事先设定了时间长度的时间区间之内显著的，尤其 是跳跃性的增高，而所述时间区间是前置于每个评估时间点的，一旦温差的变化在所述 时间区间内达到或超出预设的临界值的话，一个警报信号就被发出。本发明从以下的考虑出发在对已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的温差 进行评估时，应当目标明确地以及尽量及时的探寻相对而言陡峭的或者说跳跃性的信号 变化的升高坡度，以便在对液面的下降在其初现端倪时就予以发现。在目前已经实践了 的测量原理中，警报的触发是简单地取决于以下的情况，即被测量出的温差在测量时间 内某一时刻超过一个此前一次性(而且适用于所有情况的)预设的临界值，和所述已经实践了的测量原理不同，现在把温差在某一预设了固定长度的时间区间内在时间上的变化 设定为触发标准。如果把温差的数值在按照一个函数图像的方式在时间上进行显示，那 么在某种程度上可以说，对评估有着重要意义的时间区间或者“时间窗口”是随着沿时 间轴向前移动的函数线共同移动，从而被持续地更新。时间区间的长度，适宜的是按如下方式选定，即它应当基本上和需被监测的工 作进程在时间上的长度，比如液面的变化，以及被液面变化而引起的热电偶的温度的变 化相同，或者略短一些。测量原理适宜的是设置为实时监控方式需被监控的时间区间 的时间终端基本上和评估时间吻合，所述评估时间又基本上和已加热的热电偶和未加热 的热电偶之间的温差最后一次被测量出的量值可以被评估的时间相同。在一个特别优选的实施方式中，可以以多个周期性先后排列的测量时间点为基 础，测量出一个温差系列，在一个评估时间求出上述温差系列的最后一个项和它前面所 有项的差值，所述前面的所有项的测量时间点都在预设了固定长度的时间区间内，如果 其中一个差值达到或超过了预设的临界值，那么警报就被触发。这里，较佳的是，评估 过程按照重复迭代工序的方式在各个测量时间点被重复进行。这种具有离散性的时步的方法特别适合应用在一个数字化的电子评估装置中， 尤其是在一个核能设施的数字化的安全分布式控制系统里。这里，各个测量时间点之间 的时间段被设置成大大短于作为评估基础的时间区间。通过上述的求取测量系列上各个 项的差值就可以非常目标明确地搜索已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的跳跃性的 温差变化。在极端情况下，在两个相邻的时步之间(评估时间点和直接位于它前面的测 量时间点)的符合条件的信号跳跃就已然会触发警报。另一方面，一个不是这么突然的 温差的升高也会触发警报，如果预设的临界值在规定的时间区间内被超过的话。在应用于核能设施时，特别优选的是，如果两个直接相邻的测量时间点之间的 距离被设置在50ms和IOOOms之间，尤其是在一个在IOOms和350ms之间的区域。每一 个用来作为评估基础的时间区间的长度应当优选地被设置在30s和IOOs之间的区域，尤 其是大约50s。这大致相当于反应堆压力容器中的冷却剂液位降低到已加热的热电偶之下 以后，热电偶和它们的外壳结束其热适应过程通常所需的时间。比如，如果把相邻的测量时间点之间的时间间隔设置为250ms，用来作为评估 基础的时间段设置为50s，那么，为了每一个评估过程，就必须有200个关于已加热的热 电偶和未加热的热电偶之间的不同温度值的测量信号被临时储存。优选的是，这种临时 储存可以发生在一个按照先进者先出原则(First-in-First-out，FIFO)工作的储存器中。就 像一个移位寄存器那样，储存的内容随着时步被推移一个储存位置，被空出来的储存位 置就被最新测量出测量数值占据。如果已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的温差是在评估装置中求出的，而 不是通过把热电偶通过相应的连接来提供一个相应的差异信号，那么，优选的是，可以 设置一个对互相关联的热电偶的各单个温度信号进行临时储存的装置。两个热电偶温差 的求取在评估单元中发生，而已加热的热电偶和未加热的热电偶之间不同的温度则优选 的是也被临时储存，这样它们就不必每次在每次求取时间上相邻的紧随项的差值时还需 专门重新计算出(原则上后者也是可行的)。在一个优选的更高级的 方式中，可以设置一个阶梯式警报，在该阶梯式警报中，为每个评估过程设置多个不同的临界值，当这些临界值被达到或超过后，不同的警报被触发，有时也可以带有不同的后续反应。比如，可以设置几个在预先设定的，比较 而言低的温差跳跃就被触发的预警，以便引起操作者对可能存在的问题的注意。换句话 说，可以先引入一个预警状态，在这个预警状态之后再跟随有不同程度和紧急性的警报 状态。此外，优选的是，当被监测的容器中的液位经先前的降低之后，又开始上升的 话，一个已经被触发的警报或预警状态可以被收回。在第一个处理方式中，如果检测到已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的温 差的下降在一个预设的时间段之内达到一个预设的数值，那么警报就被取消，这个方式 在不管有没有设置加热电流的调控都可以同样应用。也就是说，这里也是以测量数据在 一个限定的时间段里变化为准绳的。而第二种处理方式中只适合设置了加热电流的调控的情况，在这个处理方式 中，在触发了警报之后，如果检测到温差降低到或者低于一个和温度无关联的预设的阀 值时，那么警报就被取消。在一个可替换地应用的一个第三种处理方式中，液体容器中其液位需要被监测 的介质的温度和/压力被测量，在触发了警报之后，如果检测到温差降低到或者低于一 个和当前温度和/或当前压力有关联的预设的阀值时，那么警报就被取消。在装置这方面，本发明解决上文提出的问题的方式是这样的提供一个电子评 估和操控单元，所述一个电子评估和操控单元被应用一个用来监测液体容器中的液体的 液位的设备中，该电子评估和操控单元包括 为每个相关联的已加热的热电偶和未加热的热电偶的测量信号设置的一个信 号入口，以及一个减法运算的单元，所述减法运算的单元从测量信号中求取对上述两个 热电偶的温度差别有表征性的一个温差信号， 或者，可替换地，一个具有已加热的热电偶和未加热的热电偶的连接装置 (Schaltung)的温差信号的信号入口， 一个评估单元，所述评估单元带有用来对温差在时间上的变化进行持续性监 测的装置，以搜寻温差在一个位于每个评估时间点之前的，具有预设时间长度的时间区 间的显著的，尤其是跳跃性的升高， 以及用来发出警报信号的装置，该装置一旦温差的升高在所述时间区间里达 到或超过一个预设的临界值则发出报警信号。适宜的是，所述电子评估和操控单元是一个用来监测液体容器中的液体液位的 装置的组成部分，尤其是用来监测一个压水反应堆中的反应堆压力容器的冷却剂液位， 所述装置包括至少一个已加热的和一个未加热的热电偶，所述热电偶和所述电子评估和 操控单元相连接。本发明的方案和目前已知的或常用的方案相比，具有一系列优点1. 一个水平方向的温差特征线不再是必要的就像本文开始的部分已经论述过的，在液体状态是，有必要在已加热的热电偶 和未加热的热电偶之间取得一个基本恒定的温差，此温差不依赖于设施运作的温度。通 过新的评估方法，一个水平的，和时间轴平行的温差特征线就不再是必要的了，因为只是把温差在一个特定的时间段，比如最后的50s，里的变化进行评估。 2.加热电流调控的故障不再是大问题如果设置了加热电流调控的话，那么现在对加热电流的唯一的要求就是，它应 当被如此设置，即在设施运作的最高温度时，仍然可以在一个足够短的时间内确保一个 信号的跳跃(温差的变化)，如果液位降到低于已加热的热电偶的位置的话。如果加热 电流的调控被设置成灾调控发生故障时，电流就具有为最高的设施运作温度而规定的值 (最大许可电压)的话，那么，液位测量的运作即使在加热电流的调控发生故障时也不会 受影响。3.放弃主动的加热电流调控也是可行的在这种新的信号评估方式中，原则上，也可以给已加热的热电偶的加热丝一直 施以为最高的设施运作温度而规定的电压。可以完全放弃一个主动的调控，而这不会 再开启和关闭设施时引起错误的警报。如果加热丝的电压时稳定的，那么当反应堆降温 时，由于加热丝的电阻变小，从而电流就变大。因此，已加热的热电偶和未加热的热电 偶之间的温差就随着反应堆的冷却剂的温度的降低而增大，这本来目前为止会引起错误 警报。但是，这在新的信号评估方法下，就不再是问题，因为这个反应堆的介质的温度 的升高不具跳跃性的特点。除此以外，随着电流的增大，触发反应时间也就变短，信号 的跳跃也增大。如果取消主动的调控，那么热电偶之间的加热丝的材料也可以被如此地优化， 即它可以具有一个尽量小的电阻，而测量系统的电消耗也就被降低了。人们也不再需要 考虑目前为止必要的加热丝电阻的和温度相关联的最低变化，所述最低变化是目前为止 为取得稳定调控所必需的。相反，现在，整个加热丝的和温度关联的变化应该尽量小， 以使得在低温时，电流不要变得过高。如果多个热电偶被同一个加热丝加热，那么，在新的信号评估的方法下也可行 的是，只对反应最差的热电偶进行标定。其他的人都不需被专门标定，因为一个水平方 向的温差特征线不再是必要的。这是对于设计那些多个热电偶被同一个加热丝加热的测量探头时十分有利的， 在这类测量探头中，同时取得一个所测出的温差的水平的特征线是十分困难的。4.在需要的时候，一个简化的加热电流调控也是可行的如果人们不想放弃和温度关联的加热电流的调控的话(比如为了省电)，那么， 目前的加热电流调控的冷条带状区域的问题可以这样被克服，即加热电流可以直接依赖 于平均的介质温度来设置。所述设置由于现在对温差特征线的只有较低的要求以及因此 对加热电流也只有较低的要求不会造成负面的影响。5.缩短了的触发反应时间目前为止，尽管有加热电流的调控，仍然在不同的设施运作温度时需要不同的 已加热的热电偶和未加热的热电偶温差的升高来触发警报，在加热电流出故障时就更是 这样了。在新的信号评估方法下，只要在一个特定的时间段里温差的变化超过了一个预 设的特定值，那么警报就被触发，这样，对于所有设施运作温度的反应时间就缩短到了 目前为止的测量方法所能达到到的最短反应时间。6.灵活的和个体化的临界值和优化的反应时间
在和一个数字化的系统架构连接起来的情况下，就可以在需要的时候，简单地 和快速地给每对热电偶定义临界值(温差跳跃)已经为止设置参数，在做设置时可以把 设备运行的特点考虑进去。通过应用一个可以自由编程的并和其他控制系统装置互动或 交换信息的自动系统，就还可以把临界值以设施运作温度和主回路的压力为转移进行优 化。7.层层递进式的警报层层递进式的警报和它的优点上文已经讨论过了。8.警报的调整和解释通过应用在数字化的反应堆防护系统中已存在的信息，就可以对液位测量探头 的信号依据反应堆和正常运作情况的偏差进行评估(比如冷却剂泵的故障，主回路压力 的变化等)。如果反应堆防护系统检测到这些变化，而且根据以前的实验和计算或者操作 的经验知道这种偏差会对液位的材料发生影响，那么就可以用一个相应设定的自动的专 家系统通过相应的连接来对液位测量的临界值进行调整或对发出的信号进行解释。这种 解释可以在发生这种不属于常规的情况时自动显示在监控系统的屏幕上的警告或警报信 息旁边，这样就可以避免操作人员误读。上述的这些优点是不依赖于承载已加热的热电偶和未加热的热电偶的测量探头 的具体设计构造的，而是只要通过对电子评估和操控单元进行适当的构造和编程就可以 实现。除此以外，如果把探头的构造设计和现有具有的情况和可能性进行适配的话， 还可以得到更多的优点如上文所述，现在的信号评估方法降低了对加热电流调控的要求，或者甚至可 以完全放弃加热电流调控。因此，目前复杂的加热电流的标定也就不需要了，这种标定 尤其是在同一个加热丝给多个热电偶加热时十分复杂。现在多个热电偶可以借助同一个 加热丝加热，但是测量的质量并不受影响。这样，如果对冗余的要求不变的话，就可以 降低每个探头中的为连线付出的工量，或者在连线的工量不变的情况下，比目前为止多 实现几个测量位置，尤其是为了取得一个更精确的在高度上的液位测量分辨率。这种改 善了的高度上的分辨率可以容许一个对液位在时间上的发展的跟好的观察，以及在可能 的情况下，一个对将来发展的更好的预测，比如通过对已知的数据进行外推。此外，还 可以通过把关于液位下降的速度的信息和简单的液面动态变化的物理模式联系起来，以 及在可能的情况下，和其他反应堆防护系统的测量数据联系起来，以取得关于泄漏程度 的大小或者补救措施的有效性的有指示性的数据。总结起来说，新的评估方法在目前的探头构造不变的情况下，主要可以使得如 下情况成为可能 可以放弃加热电流的调控，或者只使用一个简化了方式 缩短了的反应时间 和温度或压力关联的对反应时间的优化 层层递进的警报 非稳态时的对探头信息的评价和解释 降低发出错误警报的可能性
降低电的消耗。—个进行了适宜的修改的长杆式构造可以和新的信息评估方法一起使如下情况 成为可能 每个高度上的更多的测量点 对液位发展的预测 关于泄漏程度大小的指示性数据。除此以外，通过上面建议的改正，可以使得电子评估单元和不同生产者的液位 测量杆的连接变得简单，而且接口的故障也减少了。


下面将借助附图详细介绍一个本发明的具体实施方式
。

图1是一个用来监测反应堆压力容器中液体液位的装置的以示意性为主的侧视 图，包括多个互相关联的已加热的和未加热的热电偶的配对。图2在运行温度为大约115°C的情况下，已加热的和未加热的热电偶的温差在液 面下降时在时间上的走势的一个例子。图3是一个配属于图2所展示的温差在时间上的走势的表格，该表格的数据展示 了一个优选的用于液位监测和警报触发的评估方法。图4是另一个已加热的和未加热的热电偶的温差在液面下降时在时间上的走势 的一个例子，此处的运行温度是大约330°C。图5是一个配属于图4所展示的的温差在时间上的走势的评估表格。
具体实施例方式在图1中通过示意性较强的侧视图作为例子展示的液位测量装置2的使用目的是 监测压水反应堆的反应堆压力容器中的冷却剂F的液面位置，所述压水反应堆在图中没 有明确显示。所述装置2包括3个分别按照长形测量杆形式构成的长形的测量管6，所 述测量管在安装测量装置2时，通过为此专门在盖板8上设置的凹槽探入反应堆压力容器 4中，并且在核反应堆运作时，至少部分地浸入冷却剂F。液位的从容器底部算起的高度 在图1中是用H来标识的，当然也完全可以使用其他的参考值。在液面上方时蒸汽状的 冷却介质，简称蒸汽D。装置2的三个测量管6分别是垂直地，并且互相之间有一定间距地被安装在反应 堆压力容器中；因此它们互相是平行的，并且互相不接触。每个测量管6在它下部的末 端都具有一个密封防水的圆柱型的外壳12，所述外壳由一种不透水的，抗压的，防腐的 并且是热传递性好的材料构成在实施例中，为此目的使用的是贵重金属。在每个测量管6的内腔14里设置有多个热电偶。被标识为“管1”的测量管 含有两个已加热的热电偶(heated thermocouples)，即位于高度位置Ii1的已加热的热电偶 HTl和位于它上方的在高度位置h2上的已加热的热电偶HT3。被标识为“管3”的测 量管在其内腔14中含有三个已加热的热电偶，即位于高度位置Ii1的已加热的热电偶HT2 和位于它上方的在高度位置h3上的已加热的热电偶HT4，最后还有位于高度位置h4上的 已加热的热电偶HT5。高度位置的关系是h4>h3>h2>h1。此外，在管1和管3的内腔14中设置有加热元件(heating elements)，即管1中的HEl和管3中的HE2。这些加 热元件分别由加热丝构成，所述加热丝从需被加热的热电偶HTl和HT3以及HT2，HT4 和HT5侧边经过，所述加热丝在这些热电偶的附近具有加热区，通过这些加热区它们直 接的周边环境被加热。加热元件HEl和HE2，还有热电偶HTl和HT3以及HT2，HT4和HT5都直接
贴靠在和其关联的外壳12的热传递性好的内壁上。加热丝和用来提供电流以及为热电 偶做信号传输的信号和供电线路敷设在每个测量管6的内腔14中，并通向一个位于反应 堆压力容器盖板8之外的接头16。热电偶HTl到ΡΠ5通过和管1和管3相关联的接头 16 (在图1中只显示了和管3关联的接头)与一个这里只是示意性地被显示的评估和控制 单元18信号上相连接，所述评估和控制单元又和反应堆防护系统的其他组成部分连接， 尤其是和一个警报信号发生器(图中未显示)。警报信号发生器也可以结合在评估和控制 单元18中。被标识成“管2”的测量管6在其内腔14中有5个未加热的热电偶(unheated thermocoples)其中两个位于高度位置Ii1 (UHT1和UHT2)，在高度位置h2，h3和h4上各 有一个热电偶(UHT3，UHT4和UHT5)。所述未加热的热电偶UHTl至UHT5也各与热 传递性好的外壳12的内壁直接接触，并且通过这里没有详细图示的接头适配器与设在外 部的评估单元18信号相连。但是在管2中没有设置任何加热装置或类似的东西。为了信号评估和液位测量的目的，把一个已加热的热电偶(主信号发生器)和一 个在同样高度位置，但是位于另一个测量管中的未加热的热电偶(参考信号发生器)互相 配对起来。在评估单元18做信号处理时，就构成5对，从HT1，UHTl到HT5，UHT5, 在图1中，每两个互相配对的热电偶被实线框示意性地圈在一起。从每个热电偶的被测 量出的热释可以求出它所在位置的当前温度。还有，为每个从HT1，UHTl到HT5， UHT5的配对求出已加热的热电偶和未加热的热电偶之间的温差。已加热和未加热的热电偶的工作方式和它们在液位测量时的应用可以借助信号 发生器的配对HT5，UHT5示范性地来描述。在图2中，起始状态是，反应堆运作时反 应堆压力容器4中液位高度是H，冷循环正常，冷却剂温度是大约115°C (比如在开启阶 段，这时冷却剂的的温度的升高速度大约是每小时10°C到30°C)。如果冷却液体F的液面 保持在已加热的热电偶 Π5的安装位置之上(H>h4)，从加热元件HE2在热电偶HT5周 围区域释放的热量就比较有效地通过外壳12的墙体被传送给冷却液体F。由于持续地有 新的，比较冷的冷却液体F后续流进反应堆压力容器(热动力学意义上的开放式系统)， 热电偶Η 周围的墙体温度和由未加热的热电偶UPCT5所代表的未加热的情况相比，基 本上没有升高。也就是说，在图2中作为函数时间t而显示的已加热的热电偶HT5和未加热的 热电偶UPCT5之间的温差德尔塔-T(Delta Τ)或简称DT位于接近零的值(准确地说，这 里是大约5°C)。这种状况即使在液位高度H保持不变，而冷却液体在反应堆压力容器 4中的温度发生全面变化，比如升高时，也不会发生什么可以觉察得到的变化，因为这对 于两个相关的热电偶HT5，UHT5的影响程度是一样的。可能发生的反应堆压力容器中 温度阶梯的效果，也就是说在垂直方向上的温度梯度，也没有什么影响，因为两个相关 联的测量位置是在同一个高度上的，这里就是h4。
而当-这里随机地-假设在时间点t = IOOs的时候，冷却液体F的液面高度H降 到低于114的水平时(H<h4)，情形就发生变化了。虽然两个有关的热电偶 Π5和UPCT5 的环境温度暂时不会有大的变化，因为液面10上方的蒸汽D具有和冷却液体F接近的温 度。然而，已加热的热电偶 ΓΓ5所在位置的热传递的热传递特征却迅速变差。加热元 件ΗΕ2所释放出的热量就不能按先前那样的程度被传递给周围环境，从而在已加热的热 电偶ΗΤ5上测量出的温度就迅速地升高，而在未加热的热电偶UHT5上测出的温度却基 本上保持不变。由于外壳12的墙体内的热适应过程(热传导)比较慢，所以已加热的热 电偶ΗΤ5的温度上升和液体液面的下降相比还有一些滞后。因此，逐渐升高的已加热和 未加热的热电偶之间的温差，这里，在图2中，是一个约100°C的升高，就是一个可靠的 关于液位水平降到高度位置h4之下的指标。近似的想法适用于高度位置h3，^和^以及分别和它们关联的热电偶。由于冷却液体降到低于Ii1的水平位置的情况被视为是特别严重的情况，该位置 上的液位监测被特别的加了保险借助两对温度探测器HT1，UHTl以及HT2，UHT2, 设置了两个互相独立的，冗余的测量。在一个可替换的，这里没有显示的实施方式中， 冗余仅仅存在于两个已加热的热电偶HTl和HT2之间，而只有一个未加热的热电偶，即 UHTl或者是UHT2的其中之一，被设置成那两个已加热的热电偶的参考信号发生器。在冷却液体F的温度比较高的情况下，比如约330°C，已加热的热电偶在液面下 降时的信号跳跃的程度就比较低，因为局部加热的效果相对于周围已经比较高的环境温 度就不那么明显地可以被觉察了。这可以借助图4中显示的已加热和未加热的热电偶(比 如HT5和UHT5)的温差在时间上的走势清楚地看出来。液位的下降作为触发事件在这 里也被假设发生在t= 100s。此后的已加热和未加热的热电偶的温差在时间上的变化总 共也只有大约30°C。如果没有为各个加热元件设置一个随温度变化而变化的加热电流调控，那么为 信号跳跃设置一个唯一的，不随温度变化的临界值就不是很有意义的，所述临界值在被 达到或超过时，就可以认为液面下降了，相应的警报就可以被触发。即使设置了一个补 偿性的加热电流的调控，在特定情况下，当测量管6中的热适应过程结束和统一定义的 临界值被达到时，可能已经过去了比较长的时间。除此以外，如果加热电流的调控发生 故障，那么也是很麻烦的。为了避免这类困难的情况，此处在评估单元18中设置了一个特别可靠地和迅速 地对潜在危险情况作出反应的信号评估，所述信号评估下面借助在图2中显示的在运行 温度为大约115°C的情况下，已加热的热电偶和未加热的热电偶的温差在时间上的走势， 以及借助一个与此关联的图3中评估表格(表格I)来加以阐述。以有规律的间距，这里比如是每个St= 1000ms，发生一个对已加热的和与之 关联的未加热的热电偶的温度测量值的暂时储存。单个的测量时间点…，L2，L1，t0, tl，t2，…被填入表格I的第二竖列；与之关联的温度测量值在第三和第四竖列里。在评 估单元18中，同样是以每个St= 1000ms为单位求取已加热的热电偶和未加热的热电偶 之间的温差德尔塔-T(Delta-T)或者简称DT，并且同样对单个的温度值进行暂时储存。 与此相关的数值被填入表格的第五竖列。评估是以实时性方式发生于每个测量时间点…，L2，L1, t0, t1; t2，…，这里用脚码给时间点的先后顺序进行了编号。与之关联的所测量出的温差顺序用…，DT(L2), DT(L1), DT (t0), DT (I1), DT (t2),…来表示。、代表的是当前的测量时间点。做评估时，就取DT在时间点to的测量值，即DT(t。)，以及它的N = 50的前项 DT (L1)， …，DT (Ln)，这在所选取的时步的长度δ t = I0-L1 = LrL2 =…=IOOOms = Is时，相当于一个At = I0-Ln = 50s的评估区间。这里求取出最后一次的测量值DT (U 和所有在它前面的被暂时储存的，即位于所述的评估区间At之内-此处即最后50s之内 的-的过程之间的所有的差值S1 =DT(U-DTt1),…，SN = DT(tQ)-DT(t_N)。这 些从S1到Sn的差值在表格的格子6里相对于每一个测量时间点以一行的形式被填入。 如果用上述方式求取出的差值(德尔塔-T-变化，或Delta-T-变化)中的一个达到或超 过了一个预先设定的临界值比如ADT = 5°C，10°C或者25°C，那么警报就被触发。这 里尤其可以设置一个具有多个临界值和不同的后续反应的层层递进式的警报。在下一个 测量时间点上，评估过程在更新了的数据的基础上重复发生。借助表格I中加了框线的数值可以看出，如果在图2中图示的假设的曲线例子在 冷却剂温度为大约115°C，而预设的温差变化的临界值是5°C的情况下，那么在液位降到 低于已加热的热电偶2s之后警报就会被触发。如果临界值被预设为10°C，那么所述例子 中警报的触发在3s之后发生，如果临界值是25°C，则所述例子中警报的触发在6s之后。在图5中的表格II里展示的是同样的评估过程，使用的是具有同样设置的参数， 所涉及的是图4中的在冷却液体的温度大约为330°C的情况下的曲线例子。警报界限也被 分别设置成5°C，10°C和25°C的温差变化，所述警报界限分别在4s，6s和50s之后的时间 被达到。在例子中，为了显示方便，时步的长度被设置成St=IOOOms;在实践中，为 了取得优化的触发反应性能，可以设想的并且是适宜的是设置短一些的时间段，比如St =250ms ο附图标记
2测量装置/液位探头
4反应堆压力容器
6测量管
8盖板
10液体液面
12外壳
14内腔
16接头
18评估单元
D蒸汽
F冷却液体
H液位高度
HT已加热的热电偶
UHT未加热的热电偶
HE加热元件
DT 温差Δ DT温差的升高t 时间St 时步At时间区间/评估区间
权利要求
1.一种用来监测液体容器中的液体(F)的液位的方法，尤其是用来监测压水反应堆设 施的反应堆压力容器(4)中的冷却剂的液位，该方法借助测量出的一个已加热的热电偶 (HT)和一个与之关联的未加热的热电偶(UHT)之间的温差(DT)来判断液面(10)是否已 经下降到低于已加热的热电偶(HT)的安装位置，所述两个热电偶都安装在液体容器中，其特征在于，对温差(DT)在时间上的变化的监测是持续不断地找寻一个温差(DT)在事先设定的 具有时间长度(At)的时间区间之内显著的，尤其是跳跃性的升高，所述时间区间是前置 于每个评估时间点(U的，一旦温差(DT)的变化(ADT)在所述时间区间内达到或超过 预设的临界值的话，就发出一个警报信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以多个周期性先后排列的测量时间点 (…，L2, L1, t0, t1 t2， …)为基础，测量出一个温差系列(…，DT(L2), DT(L1), DT(t0), DKt1), DT(t2),…)，在一个评估时间点(to)上求出温差系列的最后一个项 (DTO0))和它前面所有的项(DT (L1)，…，DT (t_N))的差值(S1 =DT(U-DTt1),…， δΝ = DT(t0)-DT(LN)),所述前面的所有项的测量时间点都位于事先设定的具有时间长 度(At = to-t-N)的时间区间(t-N，…，tQ)内，如果所述差值(S1,…，δΝ)中的至少 一个达到或超过了预设的临界值，就发出一个警报信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，评估过程以一种重复迭代的方式在每个测 量时间点(…，t_2，L1, t0, t1 t2, …)被重复。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，两个直接顺序相邻的测量时间点之 间的时间间距(δ = It1 = t「t0 =…)被设置在50ms和IOOOms之间的区域，尤其是在 IOOms和350ms之间的区域。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述时间区间的时间长度 (At)被设置在30s和IOOs之间的区域，尤其是大约为50s。
6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，所测出的温差(DT)在一个 按照先进者先出原则工作的储存器中被临时储存。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，设置了多个不同的临界值， 当所述临界值被达到或超过时，不同的警报被触发。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，如果在一个警报被触发之后 在一个预设的时间段之内，测量出温差(DT)的下降幅度达到一个预设的量值，所述已被 触发的警报就被取消。
9.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，如果在一个警报被触发之后 在一个预设的时间段之内，测量出温差(DT)降低到或低于一个预设的和温度无关联的阀 值，所述已被触发的警报就被取消。
10.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，液体容器中其液位需要被 监测的介质的温度和/压力被测量，在触发了警报之后，如果检测到温差(DT)降低到或 者低于一个和当前温度和/或当前压力有关联的预设的阀值时，所述已被触发的警报就 被取消。
11.一个电子评估和操控单元(18)，所述电子评估和操控单元被应用于一个用来监测 液体容器中的液体(F)的液位的设备(2)，包括眷为每个相关联的已加热的热电偶(HT)和未加热的热电偶(UHT)的测量信号设置 的一个信号入口，以及一个减法运算的单元，所述减法运算的单元从测量信号中求取对 上述两个热电偶(HT，UHT)的温差(DT)有表征性的一个温差信号，眷或者，可替换地，一个用于具有已加热的热电偶(HT)和未加热的热电偶(UHT) 的连接装置的温差信号的信号入口， 一个评估单元(18)，所述评估单元带有用来对温差在时间上的变化进行持续性监 测的装置，以搜寻温差在一个位于每个评估时间点(U之前的，具有预设时间长度(At) 的时间区间之内的显著的，尤其是跳跃性的升高， 以及在一旦温差(DT)的升高(ADT)在所述时间区间之内达到或超过一个预设的 临界值的时候在用来发出警报信号的装置。
12.—个用来监测液体容器中的液体(F)的液位的设备(2)，包括一个一个已加热的 热电偶(HT)和一个未加热的热电偶(UHT)，以及一个如权利要求11所述的电子评估和 操控单元(18)。
全文摘要
一种用来监测液体容器中的液体(F)的液位的方法，尤其是用来监测压水反应堆设施的反应堆压力容器(4)中的冷却剂的液位，该方法借助测量一个已加热的热电偶(HT)和一个与之关联的未加热的热电偶(UHT)之间的温差(DT)来判断液面是否已经下降到低于已加热的热电偶的安装位置，所述两个热电偶都安装在液体容器中，所述方法和装置可以在设备资源和操控技术方面都只需要比较小的投入的情况下，在一旦需要被监测的液面降到低于临界值时，提供特别可靠的和具有迅速反应时间的警报触发。为此目的，本发明做如下设置，即对温差在时间上的走势的监测是持续不断地找寻一个温差(DT)在事先设定的具有特定时间长度(Δt)的时间区间之内显著的，尤其是跳跃性的增高，所述时间区间是前置于每个评估时间点(t0)的，一旦温差(DT)的变化(ΔDT)在所述时间区间内达到或超出预设的临界值的话，一个警报信号就被触发。
文档编号G01F23/24GK102016523SQ200980116226
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月19日 优先权日2008年5月6日
发明者君特·尼茨巴拉 申请人:阿利发Np有限公司