基于光纤光栅传感的核废水液位溢出监测系统
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摘 要
本文将针对核电站废水处理系统的液位监测需求，研究基于光纤传感技术的核废水处理监测系统，使用波纹管和不锈钢基底封装光纤液位传感器，重点突破可温度、液位同时连续测量的光纤光栅液位传感器，实现对核废水系统的温度、液位进行连续、实时监测，保证装置安全、长期、有效运行体现了重要的科学价值，创新意义和应用前景。
关键词
光纤光栅液位传感;核电液位监测;废水溢出监测
中图分类号： TP212.9 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.013
0 引言
发展核电能源，对于保障能源安全，实现可持续的发展，对于综合经济实力的提升及工业水平的提升有非常重要的意义，但是潜在的风险不容忽视，核废水处理过程中的安全监测，是核电安全生产中一个重要环节，核废水如果未达标排出，会对土壤、水等环境造成严重污染，并通过各种途径进入生物体内，对人类造成严重危害，因此，放射性废水的处理研究备受重视。
目前核废水液位监测系统普遍采用的是进口传感器，如罗斯蒙特的压差式液位计等，现有传感器能实现液位连续监视，液位断续报警，但是传感器寿命与精度受辐射环境影响，每个传感器需单独配备变送器，系统结构庞大复杂;液位的连续监测和限位监测需不同的模拟量、开关量传感器来完成，响应时间缓慢，且均需供电，在事故工况下，将无法工作。
结合目前废水处理装置的要求，核电液位系统仪表的选取的基本要求是：
1）液位、温度连续测量;
2）测量精度高、安装简单、维护方便;
3）耐辐照、抗震、抗凝露;
4）可进行核级鉴定。
近年来，光纤传感器弥补了传统技术手段不足，光纤探头无需要电、耐强磁强电、耐腐蚀、抗强辐射、高灵敏度、寿命长、可靠性、稳定性高、响应迅速，一根光纤上可连接多数目、多参量传感器，且共用同一变送器进行信号处理，光纤传感系统传感单元为光纤（材质为玻璃），无须供电，可在事故工况下安全运行等优点，可弥补了传统传感器液位断续测量、供电不变、无法进行核级鉴定等不足，满足上述要求，因此，本文提出用于核废水监测的光纤光栅液位传感器。
1 光纤光栅传感原理
光纤光栅是通过紫外光照射相位掩模版，使得光纤纤芯部位发生折射率周期性变化，从而可对入射光进行选择性反射的光学器件。
如图1所示，光入射到FBG时，满足Bragg条件的光反射，布拉格条件如式1：
λ=2neffΛ（1）
λ为 FBG 的中心波长，neff：纤芯的有效折射率，Λ：光栅周期。
当外部被测量（应变场与温度场或者液位场）发生变化时，光栅的中心波长随之发生变化，通过解调仪解调出中心波长变化量，结合标定好的待测量与光栅中心波长的对应关系，达到传感测量目的。
2 光纤光栅解调原理
光纤光栅波长变化量为皮米级（1pm=10-9m），因此需要高精度的信号解调器对其进行信号解调，为光、机、电、算结合的一个复杂精密仪器。
目前最主流的光栅解调方法为：可调FP滤波法，解调范围宽、精度高、可大容量复用。
ASE光源的光入射后经光纤光栅反射回可调滤波器，当光栅的反射峰与滤波器的透射波峰相重合时，滤波器的透射光强达到最大，得到光栅的高斯光谱信号，将光信号转换为电信号后，经放大、滤波等调理电路，结合滤波器扫描电压和透射波长的对应关系，使用标准具进行波长校准，最终送入计算机结合上位机软件进行信号处理，解调出被测信号。
3 核电光纤光栅液位传感器设计
本文提出的光纤液位传感器结构示意图如图3，传感器使用316不锈钢外壳封装，内置波纹管，波纹管上部留有进液口，底部密封，外壳上端设置有与使传感器内外保持大气压的导气管。其中FBG2上下端分别与外壳顶部和波纹管底部连接，FBG1所在环境溫度和灵敏度与FBG2保持一致，用于温度测量和温度补偿.测量时，将整个传感器固定在容器底部，两根FBG通过光纤引出并输入到解调设备中。
对传感器进行受力分析，当传感器投入待测液体时，水经过波纹管的进液孔流入，产生拉伸力，带动液位光栅（FBG2）受到轴向拉力。如图（b）所示，其中FP：波纹管竖直方向的液压;G：质量;FA：大气压力;F：弹力。
FBG2因液压产生轴向应力后，中心波长发生飘移，通过中心波长的变化量检测，得到液位数值。
当待测液体的温度和高度同时发生变化，则液位光栅FBG2中心波长变化量Δλ2为：
Δλ2=ΔλL+ΔλT（2）
ΔλL：液位产生的中心波长变化量，ΔλT：温度造成的波长变化量，FBG1仅受温度的变化，且温度光栅（FBG1）和液位光栅（FBG2）温度度灵敏度相同，因此温度引起的波长偏移量相同，使用温度光栅对液位光栅进行温度补偿，则液位光栅（FBG2）的中心波长变化量为：
ΔλL=Δλ2-ΔλT （3）
液位导致的中心波长的变化量为：
ΔλB/λB（1-pe）ε（4）
波纹管伸长量、液压的关系为：
ΔY=X（N*PA*（1-μ2）R22）/（Er3） （5）
式中：X：波纹管的修正系数;N：波纹管的波纹数目;P=ρgh;A=π（R1+R2）2/4，R1、R2：波纹管内外径;E：材料的弹性模量;μ：泊松比、r为波纹管壁厚。 联立上式可得
ΔλB/λB=η*h （6）
式中：η=Cc（nρg AeqR22（1-μ2）（1-pe）/（Er3），为变化系数;h：液面高度。
因此，通过液位光栅中心波长的变化量，且使用FBG2进行温度补偿，可测得液面高度。
此封装形式的优点为：
液位、温度光栅均密封在外壳内，不与核废水直接接触，避免长时间浸泡在核废水中，可提高寿命。
传感器封装2支光栅，可同时对核废水液位、温度进行连续测量。
波纹管为核电常用标准件，利用成熟核电标准件进行封装，成熟、可靠，可进行核级鉴定。
4 光纤光栅液位监测系统
如图4所示，光纖光栅液位计投入到待监测罐体里，感知罐体液位变化，传输光缆将携带液位信息的光信号传递至光纤传感分析仪进行信号解调，输出液位值，可在光纤传感分析仪的上位软件中设置液位报警阈值及级别，进行液位溢出报警。
系统组成及各部分功能如下：
a）光纤光栅液位计：安装在水箱内，对废水处理系统罐体液位进行实时监测;
b）光纤传感分析仪：对光纤液位计的信号进行调制解调，输出液位数据;
c）传输光缆：传输液位信号
d）报警装置：液位超出预警时，进行报警。
5 光纤光栅监测系统的优势
本文采用耐辐射、体积小、重量轻、防水型光纤光栅传感器进行液位测量，精度高、寿命长;传感器内封装2支光栅，可同时对核废水液位、温度进行连续测量;传感器传输信号为光信号，可在事故工况下安全运行;使用光纤传感系统，一根光纤上可连接多数量、多参量传感器，共用同一变送器进行信号处理，系统结构简单。
6 总结
本技术将针对核电站废水处理系统的液位监测需求，使用耐辐射、不带电、温度、液位同时测量的光纤光栅液位传感器组成液位监测系统，可对液位进行实时、在线、持续测量，当液位溢出报警值时，进行声光报警。
参考文献
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