一種實(shí)時連續(xù)測量液位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)時連續(xù)測量液位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，用于測量液位的傳感器幾乎遍及生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)。液 位傳感器按其設(shè)計(jì)原理通常分為接觸式的如壓差式、浮球式、電容式、磁性液位傳感器等， 非接觸式的如超聲式、雷達(dá)式液位傳感器等，還有部分為非連續(xù)性的僅起報(bào)警或開關(guān)作用 的液位傳感器。而在一些特殊的工況環(huán)境如高溫、高壓、強(qiáng)輻照環(huán)境的液位連續(xù)測量，對液 位傳感器的性能要求較高，普通液位傳感器很難滿足要求，特別是有活動部件的如接觸式、 滲透式液位傳感器。
[0003] 國外生產(chǎn)的一體化連續(xù)測量液位傳感器，由于沒有活動部件，測量時性能可靠性 高，不僅可現(xiàn)場顯示數(shù)據(jù)，還可實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控，已被廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、強(qiáng)輻照等特殊工 況環(huán)境的液位連續(xù)測量。但是，由于這類液位傳感器屬于特種儀表，進(jìn)口價格不但高昂，而 且受到國際因素的限制，在維護(hù)、維修這類進(jìn)口液位傳感器時，國外廠商的技術(shù)響應(yīng)時間較 長，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)，備品、備件的更換困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種一體化鎧裝連續(xù)測量的液位傳感器用于測量液位的方 法，該測量方法簡單、可靠，可實(shí)現(xiàn)液面位置的遠(yuǎn)距離在線實(shí)時監(jiān)測，同時還可以實(shí)時監(jiān)測 液體的溫度。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種實(shí)時連續(xù)測量液位的方法，采用了一種液位傳 感器，所述液位傳感器包括前端密封的管狀金屬殼體，所述管狀金屬殼體的內(nèi)腔中設(shè)有形 成回路的鉑絲、形成回路的熱電偶絲，以及形成回路的電加熱絲，所述鉑絲、熱電偶絲、電加 熱絲均沿管狀金屬殼體軸向延伸，所述管狀金屬殼體的內(nèi)腔中填充有絕緣材料，鉑絲、熱電 偶絲、電加熱絲由填充的緣材料隔離，所述管狀金屬殼體的后端設(shè)置密封連接頭形成密封， 該密封連接頭上設(shè)有鉑電阻，所述鉑絲、熱電偶絲、電加熱絲、鉑電阻通過密封連接頭與多 芯屏蔽電纜電連接；
[0006] 所述液位傳感器用于實(shí)時連續(xù)測量液位的方法具有以下步驟，
[0007] 1)將傳感器豎直浸入測量液體中，記傳感器金屬殼體總長度為H，傳感器金屬殼 體露出液面部分長度為I1，傳感器金屬殼體浸入液體部分長度為I2= H-I 1;
[0008] 2)通電后，采集熱電偶絲測量的液體溫度t。、鉑電阻測量的環(huán)境溫度tf，以及鉑絲 電阻值R，并將采集的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，利用傳感器金屬殼體露出液面部分長度I 1 與液體溫度t。、環(huán)境溫度tf、鉑絲電阻值R的相互關(guān)系，得到以下迭代函數(shù)關(guān)系式：
[0010] 式中，
其中，h為液體的傳熱系數(shù)，P為傳感器金屬殼體的截面周長，λ 為傳感器金屬殼體的導(dǎo)熱系數(shù)，Α。為傳感器的截面積，R。為傳感器處于攝氏零度（273. 15Κ) 環(huán)境中時金屬殼體內(nèi)鉬絲的電阻值；
[0011] 3)將實(shí)時采集的液體溫度t。、環(huán)境溫度tf、鉑絲電阻值R，代入步驟2)中的迭代函 數(shù)關(guān)系式，計(jì)算出傳感器金屬殼體露出液面部分長度I 1，并根據(jù)步驟1)的傳感器金屬殼體 浸入液體部分長度為I2= H-I i，即可得到傳感器金屬殼體浸入液體長度I2，由此實(shí)現(xiàn)對液 位的實(shí)時連續(xù)測量。
[0012] 所述步驟2)中迭代函數(shù)關(guān)系式通過以下步驟得到，
[0013] a)由泊松方程
傳感器金屬殼體露出液面部分I1的溫度 分布t (X)與距離液面X具有如下函數(shù)關(guān)系式（液面處X = 0):
其中，h為液體的傳熱系 數(shù)，P為傳感器金屬殼體的截面周長，λ為傳感器金屬殼體的導(dǎo)熱系數(shù)，A。為傳感器的截面 積，t。為熱電偶絲（3)測量的液體溫度t。，tf為鉑電阻測量的環(huán)境溫度；
[0015] b) AR為傳感器內(nèi)鉑絲單位長度、單位溫度條件下的電阻增量（相對于〇°C時的電 阻值），^為為露出液面部分鉑絲的電阻增量值，建立等式
聯(lián)立步驟 a)的函數(shù)關(guān)系式可得：
[0017] 同理，可得浸入液面部分鉑絲的電阻增量巧的函數(shù)關(guān)系式：
[0018] r2= Δ R(L_1 D · t。，所述鉬絲的總電阻 R = a+i^+R。，即
其中Rc為傳感器處于攝氏零度 (273. 15K)環(huán)境中時金屬殼體內(nèi)鉑絲的電阻值；
[0019] c)將步驟b)所得總電阻R的函數(shù)關(guān)系式采用迭代法計(jì)算傳感器露出液面部分長 度I1，即得
[0020] 所述形成回路的鉑絲由兩根鉑絲平行排列且前端通過激光焊接相連形成U形結(jié) 構(gòu)；所述形成回路的熱電偶絲由兩極熱電偶絲平行排列且前端通過激光焊接相連形成U形 結(jié)構(gòu)；所述形成回路的電加熱絲由兩根電加熱絲平行排列且前端通過激光焊接相連形成U 形結(jié)構(gòu)。
[0021] 所述U形結(jié)構(gòu)的鉑絲位于U形結(jié)構(gòu)的熱電偶絲的一側(cè)，U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的兩根鉑 絲之間的連線與所述U形結(jié)構(gòu)的熱電偶絲的兩級熱電偶絲之間的連線形成垂直分布，所述 U形結(jié)構(gòu)的電加熱絲的兩根電加熱絲之間的連線與U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的兩根鉑絲之間的連線 呈垂直空間交錯分布，U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的前端位于電加熱絲的U形結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0022] 所述U形結(jié)構(gòu)的電加熱絲采用恒流電源供電。
[0023] 采用上述技術(shù)方案：將本發(fā)明所述傳感器垂直浸入待測液體中，傳感器的一部分 露出液面以上，傳感器的另一部分位于液面以下，液面將傳感器的管狀金屬殼體分為上、下 兩個部分。位于傳感器金屬殼體中的熱電偶絲焊接組成的熱電偶用于測量待測液體的溫 度；位于密封連接頭中的鉑電阻用于測量外部環(huán)境的溫度。由于待測液體與外部氣體環(huán)境 導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，而位于液面以下環(huán)境為等溫區(qū)，可直接建立鉑絲電阻值與浸入液面以 下傳感器長度I 2和液體溫度t。的關(guān)系式；位于液面以上環(huán)境為半無限空間對流傳熱模型， 位于液面以上傳感器的溫度沿軸向呈梯度分布，通過微積分的方法對該段鉑絲電阻值的累 積計(jì)算，因此，可建立液體溫度、環(huán)境溫度、鉑絲電阻值與液位的關(guān)系式，而待測液體的溫 度、外部環(huán)境的溫度、鉑絲整體的電阻值可通過多芯屏蔽電纜進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過函數(shù)關(guān)系 式，得知傳感器金屬殼體浸入液體的長度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時連續(xù)測量液面位置。
[0024] 所述U形結(jié)構(gòu)的鉑絲位于U形結(jié)構(gòu)的熱電偶絲的一側(cè)，U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的兩根鉑絲 之間的連線與所述U形結(jié)構(gòu)的熱電偶絲的兩極電偶絲之間的連線形成垂直分布，所述U形 結(jié)構(gòu)的電加熱絲的兩根電加熱絲之間的連線與U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的兩根鉑絲之間的連線呈 垂直空間交錯分布，U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的前端位于電加熱絲的U形結(jié)構(gòu)內(nèi)，液位傳感器管狀金 屬殼體內(nèi)腔中的多根芯線如此分布排列，能保證熱電偶絲所測溫度與液體溫度最接近，鉑 絲所處溫度場更加均勻，提高液位傳感器的測量精度。
[0025] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說明。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明液位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為圖1的A-A音視圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明液位傳感器管狀金屬殼體中各芯線分布圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明液位傳感器的使用狀態(tài)圖。
[0030] 附圖中，1為鉑絲，2為電加熱絲，3為熱電偶絲，4為管狀金屬殼體，5為絕緣材料， 7為鉑電阻，8為多芯屏蔽電纜，9為密封連接頭，10為電連接器。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 實(shí)施例1 :
[0032] 參見圖1至圖3,為本發(fā)明采用的液位傳感器的一種具體實(shí)施例。液位傳感器包括 前端密封的管狀金屬殼體4,本實(shí)施例中，所述管狀金屬殼體采用不銹鋼材料316L通過鎧 裝拉拔成型。所述管狀金屬殼體4的內(nèi)腔中設(shè)有形成回路的鉑絲1、形成回路的熱電偶絲3， 以及形成回路的電加熱絲2,所述鉑絲1、熱電偶絲3、電加熱絲2均沿管狀金屬殼體4的軸 向延伸，本實(shí)施例中，所述形成回路的鉑絲1由兩根鉑絲平行排列且前端通過激光焊接相 連形成U形結(jié)構(gòu)，兩根鉑絲的后端與管狀金屬殼體的后端齊平；所述形成回路的熱電偶絲 3由正、負(fù)極熱電偶絲平行排列且前端通過激光焊接相連形成U形結(jié)構(gòu)，兩根熱電偶絲的后 端與管狀金屬殼體的后端齊平；所述形成回路的電加熱絲2由兩根電加熱絲平行排列且前 端通過激光焊接相連形成U形結(jié)構(gòu)，兩根電加熱絲的后端與管狀金屬殼體的后端齊平。所 述管狀金屬殼體4的內(nèi)腔中填充有絕緣材料5,鉑絲1、熱電偶絲3、電加熱絲2由填充的絕 緣材料5隔離，本實(shí)施例中，所述絕緣材料5為氮化鋁，為高導(dǎo)熱絕緣材料。所述管狀金屬 殼體4的后端設(shè)置密封連接頭9形成密封，本實(shí)施例中，所述密封連接頭的后端還連接有電 連接器10,電連接器10采用LEMO連接器，該LEMO連接器的插座端固定在管狀金屬殼體的 后端，插頭端與十芯屏蔽電纜連接，密封連接頭9上還設(shè)有鉑電阻7,所述鉑電阻7為四線 制輸出鉑電阻，所述鉑絲1、熱電偶絲3、電加熱絲2、鉑電阻7通過密封連接頭9與十芯屏 蔽電纜8電連接；為避免熱電偶絲與鉑絲相互干擾，所述U形結(jié)構(gòu)的鉑絲1位于U形結(jié)構(gòu)的 熱電偶絲3的一側(cè)，U形結(jié)構(gòu)的鉑絲1的兩根鉑絲之間的連線與所述U形結(jié)構(gòu)的熱電偶絲 3的兩根熱電偶絲之間的連線形成垂直分布，為提高液位傳感器的測量精度，所述U形結(jié)構(gòu) 的電加熱絲的兩根電加熱絲之間的連線與U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的兩根鉑絲之間的連線呈垂直 空間交錯分布，U形結(jié)構(gòu)的鉑絲的前端位于電加熱絲的U形結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0033] 上述液位傳感器的制備方法為：將絕緣材料氮化鋁擠壓成具有六孔的絕緣瓷柱， 按照圖2所示的分布方式，分別將兩根鉑絲、兩根電加熱絲、兩根熱電偶絲裝配在絕緣瓷柱 中，取兩端均開口的316L不銹鋼金屬管，將裝有金屬絲的絕緣瓷柱裝入金屬管中，然后鎧 裝拉拔至外徑5. 3mm，形成管狀金屬殼體；拉拔完成后，絕緣瓷柱被擠壓成高致密的粉狀， 填充在管狀金屬殼體中，然后用激光焊接的方式分別將兩根鉑絲的前端焊接、兩根電加熱 絲的前端焊接、兩根熱電偶絲的前端焊接，形成三組U形結(jié)構(gòu)的回路；激光焊接完成后，用 氬弧焊接的方式對管狀金屬殼體的前端開口