基于光纖光柵傳感的核廢水液位溢出監測系統

劉小清　朱佳佳

摘 要

本文將針對核電站廢水處理系統的液位監測需求，研究基于光纖傳感技術的核廢水處理監測系統，使用波紋管和不銹鋼基底封裝光纖液位傳感器，重點突破可溫度、液位同時連續測量的光纖光柵液位傳感器，實現對核廢水系統的溫度、液位進行連續、實時監測，保證裝置安全、長期、有效運行體現了重要的科學價值，創新意義和應用前景。

關鍵詞

光纖光柵液位傳感;核電液位監測;廢水溢出監測

中圖分類號： TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.013

0 引言

發展核電能源，對于保障能源安全，實現可持續的發展，對于綜合經濟實力的提升及工業水平的提升有非常重要的意義，但是潛在的風險不容忽視，核廢水處理過程中的安全監測，是核電安全生產中一個重要環節，核廢水如果未達標排出，會對土壤、水等環境造成嚴重污染，并通過各種途徑進入生物體內，對人類造成嚴重危害，因此，放射性廢水的處理研究備受重視。

目前核廢水液位監測系統普遍采用的是進口傳感器，如羅斯蒙特的壓差式液位計等，現有傳感器能實現液位連續監視，液位斷續報警，但是傳感器壽命與精度受輻射環境影響，每個傳感器需單獨配備變送器，系統結構龐大復雜;液位的連續監測和限位監測需不同的模擬量、開關量傳感器來完成，響應時間緩慢，且均需供電，在事故工況下，將無法工作。

結合目前廢水處理裝置的要求，核電液位系統儀表的選取的基本要求是：

1）液位、溫度連續測量;

2）測量精度高、安裝簡單、維護方便;

3）耐輻照、抗震、抗凝露;

4）可進行核級鑒定。

近年來，光纖傳感器彌補了傳統技術手段不足，光纖探頭無需要電、耐強磁強電、耐腐蝕、抗強輻射、高靈敏度、壽命長、可靠性、穩定性高、響應迅速，一根光纖上可連接多數目、多參量傳感器，且共用同一變送器進行信號處理，光纖傳感系統傳感單元為光纖（材質為玻璃），無須供電，可在事故工況下安全運行等優點，可彌補了傳統傳感器液位斷續測量、供電不變、無法進行核級鑒定等不足，滿足上述要求，因此，本文提出用于核廢水監測的光纖光柵液位傳感器。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是通過紫外光照射相位掩模版，使得光纖纖芯部位發生折射率周期性變化，從而可對入射光進行選擇性反射的光學器件。

如圖1所示，光入射到FBG時，滿足Bragg條件的光反射，布拉格條件如式1：

λ=2neffΛ（1）

λ為 FBG 的中心波長，neff：纖芯的有效折射率，Λ：光柵周期。

當外部被測量（應變場與溫度場或者液位場）發生變化時，光柵的中心波長隨之發生變化，通過解調儀解調出中心波長變化量，結合標定好的待測量與光柵中心波長的對應關系，達到傳感測量目的。

2 光纖光柵解調原理

光纖光柵波長變化量為皮米級（1pm=10-9m），因此需要高精度的信號解調器對其進行信號解調，為光、機、電、算結合的一個復雜精密儀器。

目前最主流的光柵解調方法為：可調FP濾波法，解調范圍寬、精度高、可大容量復用。

ASE光源的光入射后經光纖光柵反射回可調濾波器，當光柵的反射峰與濾波器的透射波峰相重合時，濾波器的透射光強達到最大，得到光柵的高斯光譜信號，將光信號轉換為電信號后，經放大、濾波等調理電路，結合濾波器掃描電壓和透射波長的對應關系，使用標準具進行波長校準，最終送入計算機結合上位機軟件進行信號處理，解調出被測信號。

3 核電光纖光柵液位傳感器設計

本文提出的光纖液位傳感器結構示意圖如圖3，傳感器使用316不銹鋼外殼封裝，內置波紋管，波紋管上部留有進液口，底部密封，外殼上端設置有與使傳感器內外保持大氣壓的導氣管。其中FBG2上下端分別與外殼頂部和波紋管底部連接，FBG1所在環境溫度和靈敏度與FBG2保持一致，用于溫度測量和溫度補償.測量時，將整個傳感器固定在容器底部，兩根FBG通過光纖引出并輸入到解調設備中。

對傳感器進行受力分析，當傳感器投入待測液體時，水經過波紋管的進液孔流入，產生拉伸力，帶動液位光柵（FBG2）受到軸向拉力。如圖（b）所示，其中FP：波紋管豎直方向的液壓;G：質量;FA：大氣壓力;F：彈力。

FBG2因液壓產生軸向應力后，中心波長發生飄移，通過中心波長的變化量檢測，得到液位數值。

當待測液體的溫度和高度同時發生變化，則液位光柵FBG2中心波長變化量Δλ2為：

Δλ2=ΔλL+ΔλT（2）

ΔλL：液位產生的中心波長變化量，ΔλT：溫度造成的波長變化量，FBG1僅受溫度的變化，且溫度光柵（FBG1）和液位光柵（FBG2）溫度度靈敏度相同，因此溫度引起的波長偏移量相同，使用溫度光柵對液位光柵進行溫度補償，則液位光柵（FBG2）的中心波長變化量為：

ΔλL=Δλ2-ΔλT （3）

液位導致的中心波長的變化量為：

ΔλB/λB（1-pe）ε（4）

波紋管伸長量、液壓的關系為：

ΔY=X（N*PA*（1-μ2）R22）/（Er3） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：X：波紋管的修正系數;N：波紋管的波紋數目;P=ρgh;A=π（R1+R2）2/4，R1、R2：波紋管內外徑;E：材料的彈性模量;μ：泊松比、r為波紋管壁厚。

聯立上式可得

ΔλB/λB=η*h ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：η=Cc（nρg AeqR22（1-μ2）（1-pe）/（Er3），為變化系數;h：液面高度。

因此，通過液位光柵中心波長的變化量，且使用FBG2進行溫度補償，可測得液面高度。

此封裝形式的優點為：

液位、溫度光柵均密封在外殼內，不與核廢水直接接觸，避免長時間浸泡在核廢水中，可提高壽命。

傳感器封裝2支光柵，可同時對核廢水液位、溫度進行連續測量。

波紋管為核電常用標準件，利用成熟核電標準件進行封裝，成熟、可靠，可進行核級鑒定。

4 光纖光柵液位監測系統

如圖4所示，光纖光柵液位計投入到待監測罐體里，感知罐體液位變化，傳輸光纜將攜帶液位信息的光信號傳遞至光纖傳感分析儀進行信號解調，輸出液位值，可在光纖傳感分析儀的上位軟件中設置液位報警閾值及級別，進行液位溢出報警。

系統組成及各部分功能如下：

a）光纖光柵液位計：安裝在水箱內，對廢水處理系統罐體液位進行實時監測;

b）光纖傳感分析儀：對光纖液位計的信號進行調制解調，輸出液位數據;

c）傳輸光纜：傳輸液位信號

d）報警裝置：液位超出預警時，進行報警。

5 光纖光柵監測系統的優勢

本文采用耐輻射、體積小、重量輕、防水型光纖光柵傳感器進行液位測量，精度高、壽命長;傳感器內封裝2支光柵，可同時對核廢水液位、溫度進行連續測量;傳感器傳輸信號為光信號，可在事故工況下安全運行;使用光纖傳感系統，一根光纖上可連接多數量、多參量傳感器，共用同一變送器進行信號處理，系統結構簡單。

6 總結

本技術將針對核電站廢水處理系統的液位監測需求，使用耐輻射、不帶電、溫度、液位同時測量的光纖光柵液位傳感器組成液位監測系統，可對液位進行實時、在線、持續測量，當液位溢出報警值時，進行聲光報警。

參考文獻

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