CN203191029U - 加热式热电偶液位测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种加热式热电偶液位测量传感器，该传感器包括位于第一外套管内的加热元件和铠装电缆，其中，加热元件包括加热丝和填充有绝缘粉的陶瓷管，加热丝缠绕在陶瓷管上，两端汇集于陶瓷管的一端，陶瓷管外表面烧结覆盖有釉粉；铠装电缆包括正、负极热电偶丝、镍引线和第二外套管，其间均填充有绝缘粉，正、负极热电偶丝及镍引线的一端伸出第二外套管，第二外套管的两端密封，组成铠装电缆；铠装电缆的镍引线与热元件的加热丝连接，铠装电缆的正、负极热电偶丝的伸出端的顶端焊接成热接点并位于陶瓷管内，第一外套管的两端密封。本传感器复现性很好，分辨率高，能满足超负荷试验等要求，在高温高压下能准确判断液气（汽）界面，统一性好。

Description

加热式热电偶液位测量传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，特别涉及一种加热式热电偶液位测量传感器。 

背景技术

目前，压力容器内的水位测量常采用铠装电缆式传感器进行测量，这种传感器具有如下不足：1、常规的铠装电缆（比如铠装热电偶）不能分辨气液界面；2、常规铠装电缆（比如铠装加热器）也不能分辨出气液界面，不能用于液位测量。现有的加热式热电偶液位测量传感器，采用国外生产的产品，其成本高，维修困难，严重制约了我国液位测量技术的发展。因此，如何得到一种加热式热电偶液位测量传感器，使其即能满足复现性很好，分辨率高，能够满足超负荷试验等要求，在高温高压等恶劣环境下能准确判断液气（汽）界面的技术要求，又能降低生产成本，是本领域亟待解决的问题。 

发明内容

本实用新型的目的，是提供一种加热式热电偶液位测量传感器，该传感器能够在高温高压下准确判断液气（汽）界面的传感器。本传感器复现性很好，分辨率高，能够满足超负荷试验等要求，在高温高压等恶劣环境下能准确判断液气（汽）界面，并且工艺简单，产品统一性好。 

实现本实用新型所述的技术方案是： 

加热式热电偶液位测量传感器，包括位于第一外套管内的加热元件和铠装电缆，其中，加热元件包括加热丝和陶瓷管，陶瓷管内填充有绝缘粉，所述加热丝等距离地缠绕在陶瓷管上，加热丝的两端汇集在陶瓷管的一端，缠绕有加热丝的陶瓷管外表面烧结覆盖有釉粉；铠装电缆包括正、负极热电偶丝、镍引线和第二外套管，所述正、负极热电偶丝和镍引线按照正极热电偶丝、镍引线、负极热电偶丝、镍引线的顺序顺时针排列在第二外套管内，镍引线、正极热电偶丝、负极热电偶丝、镍引线之间均填充有绝缘粉隔离，正、负极热电偶丝及镍引线的一端伸出第二外套管的一端，将第二外套管的另一端焊接密封，一端灌胶、密封，组成铠装电缆；铠装电缆的两根镍引线分别与加热元件一端的加热丝的两个端头连接，铠装电缆的正、负极热电偶丝的伸出端的顶端焊接成热接点，正、负极热电偶丝的伸出端和热接点均位于陶瓷管内，第一外套管中有加热元件端设置有焊接封头，第一外套管的非焊接端为灌胶密封。

所述的加热丝采用熔点为1400℃，密度为8.4克/立方毫米，延伸率≥20，电阻率1.09±0.05μΩ.m，导热系数为60.3 kj/m.h℃，线胀系数为18的金属材料。 

所述的镍引线采用熔点为1435～1446℃，比重为8.80～8.95，导热系数为0.56～0.65（100℃）卡/厘米.秒.℃,电阻系数为9.2μΩ.cm～9.7μΩ.cm(20℃)的金属材料。 

所述的负极热电偶丝采用电阻温度系数为1.13×10^-3/℃～1.25×10^-3/℃，电阻率为0.266μΩ.m～0.275μΩ.m金属的材料。 

所述的正极热电偶丝采用电阻温度系数为1.03×10^-3/℃～1.16×10^-3/℃，电阻率为0.688μΩ.m～0.755μΩ.m的金属材料。 

所述外套管采用不锈钢材料。 

所述的伸出第二外套管的正、负极热电偶丝焊至热接点的距离为17mm；伸出第二外套管的镍引线的距离为3mm。 

所述绝缘粉为电熔级氧化镁，其纯度≥99.5%。 

所述陶瓷管的直径为1.8～2.2mm，厚度为0.2～0.3mm。 

采用本实用新型所述的加热式热电偶液位测量传感器，其原理是基于发热体在气（汽）体和液体中放热系数的显著差异，来判断出液气（汽）界面的准确位置。 

本实用新型具有如下有益效果： 

1.所述加热式热电偶液位测量传感器由一个加热元件和一支铠装电缆两部分组合而成。由于加热元件维持恒定功率，具有良好的稳定性，铠装热电偶具有良好的准确性和可靠性，因此，该传感器能够用于压力容器进行测温。

2.所述加热式热电偶液位测量传感器从原材料选择、制造工艺设计等方面进行了研究，确保该传感器复现性、高分辨率和高超负荷性能，有效地保证了信号采集的灵敏性和准确性。 

3.所述加热式热电偶液位测量传感器采用316L不锈钢作为外套管, 除了有效地适应了压力容器耐高温性能和耐腐蚀性能，还为该传感器的挠制提供了极大的方便，最重要的是保证了液位测量的可靠性。 

本实用新型所述的加热式热电偶液位测量传感器，能够在高温高压下准确判断液气（汽）界面的传感器。本传感器复现性很好，分辨率高，能够满足超负荷试验等要求，在高温高压等恶劣环境下能准确判断液气（汽）界面，并且工艺简单，产品统一性好。 

附图说明

图1为本实用新型所述传感器的结构简图。 

图中，1为绝缘粉，2为第二外套管，3为镍引线，4为负极热电偶丝，5为正极热电偶丝，6为第一外套管，7为加热丝，8为陶瓷管，9为加热元件。 

具体实施方式

参见图1，加热式热电偶液位测量传感器，包括位于第一外套管6内的加热元件9和铠装电缆，其中，加热元件包括加热丝7和陶瓷管8，陶瓷管内填充有绝缘粉1。所述的加热丝采用熔点为1400℃，密度为8.4克/立方毫米，延伸率≥20，电阻率1.09±0.05μΩ.m，导热系数为60.3 kj/m.h℃，线胀系数为18的金属材料，加热丝的直径为0.18～0.22mm。陶瓷管的直径为1.8～2.2mm，厚度为0.2～0.3mm。所述绝缘粉为电熔级氧化镁，其纯度≥99.5%，杂质Fe，Ca和Mn的含量分别为：Fe≤0.007%，Ca≤0.12%,Mn≤0.003%。所述加热丝等距离地缠绕在陶瓷管上，加热丝的两端汇集在陶瓷管的一端，缠绕有加热丝的陶瓷管外表面覆盖有经一层高温烧结的釉粉；铠装电缆包括正、负极热电偶丝、镍引线和第二外套管，所述的镍引线采用熔点为1435～1446℃，比重为8.80～8.95，导热系数为0.56～0.65（100℃）卡/厘米.秒.℃,电阻系数为9.2μΩ.cm～9.7μΩ.cm(20℃)的金属材料；所述的负极热电偶丝采用电阻温度系数为1.13×10^-3/℃～1.25×10^-3/℃，电阻率为0.266μΩ.m～0.275μΩ.m金属的材料；所述的正极热电偶丝采用电阻温度系数为1.03×10^-3/℃～1.16×10^-3/℃，电阻率为0.688μΩ.m～0.755μΩ.m的金属材料。所述正、负极热电偶丝和镍引线按照正极热电偶丝5、镍引线3、负极热电偶丝4、镍引线3的顺序顺时针排列在第二外套管2内，镍引线、正极热电偶丝、负极热电偶丝、镍引线之间均填充有绝缘粉隔离，避免负极热电偶丝、正极热电偶丝和镍引线相接触，以保证热电偶接受热电动势和接收信号，正、负极热电偶丝及镍引线的一端伸出第二外套管的一端，将第二外套管的另一端焊接密封，一端灌胶、密封，组成铠装电缆；铠装电缆的两根镍引线分别与热元件一端的加热丝的两个端头连接，铠装电缆的正、负极热电偶丝的伸出端的顶端焊接成热接点，所述的伸出第二外套管的正、负极热电偶丝焊至热接点的距离为17mm；伸出第二外套管的镍引线的距离为3mm。正、负极热电偶丝的伸出端和热接点均位于陶瓷管内，第一外套管中有加热元件端设置有焊接封头，第一外套管的非焊接端为灌胶密封。所述外套管采用不锈钢材料。 

实施例1 

本实施例所述的加热式热电偶液位测量传感器，选择电阻率低的镍引线作为加热元件的引出线，为了电阻可靠、稳定，选用Ni20Cr80作为加热丝。为了测量准确可靠，选用Alumel作为负极偶丝，Chromel作为正极偶丝,镍引线选择N7，以进一步验证该传感器的复现性。

工作时，加热元件被供给一个直流恒流或恒压电源，待其工作电压或电流稳定后，测出其电势值并换算成相应的温度值；然后把仍在加热并且处于稳定状态下的传感器浸没到热传导较高的液态中，观察其电势值的变化，并且换算成相应的温度值。该传感器温度的变化通过电势的大小反应出来，并以此来判断出气（汽）液界面的位置。 

重复性试验： 

用YJ26M三路直流稳压器给加热式热电偶液位测量传感器供以5.62V的电压，用QJ31型直流单双臂电桥测出引线值为0.03Ω，元件值为12.8Ω，当工作电压稳定后，先后三次把该传感器放在沸水及室温下反复试验，其电势值在一个瞬间阶跃下降后，紧接着呈连续下降趋势，直至达到稳定状态。用HP34401A数字电压表测出其电势值换算成相应的温度，其试验结果见表1。

表1 

从表1中可以看出该传感器响应时间快（3 min.），测温精度高（＜±1.5℃），复现性好。

性能实验： 

为了进一步测试加热式热电偶液位测量传感器的性能，用YJ26M三路直流稳压器电源给一支电阻为12.7Ω的传感器通以直流恒压电源，待电势稳定后，测出其电势值（温度），接着把该传感器放在沸水中，用HP34401A数字电压表测出其电势值（温度）的变化。改变电压的大小，重复上面试验过程，其试验结果见表2。

表2 

从表2中可以看出：随着电压的增加，该传感器的功率也不断的增加，其加热元件加热的温度也越高，并且随着传感器内加热元件加热温度的增加，其在沸水中温差也越来越大。

试验结果表明，采用实施例1所述的方法制备的传感器的液气（汽）界面的分辨率较高。 

实施例2：

取2支加热式热电偶液位测量传感器进行检测，2支加热式热电偶液位测量分别编号为1#和2#，具体检测结果如表3，从加热元件测试结果看，其电阻偏差为0.002，加热器一致性很好。从热电偶电势值来看，热电偶也保持了高度的一致性。2支加热式热电偶液位测量传感器保持了很好的一致性。

表3 

用YJ26M三路直流稳压器给实施例2所得2支加热式热电偶液位测量传感器供以5.62V的电压，当工作电压稳定后，先后三次把传感器放在沸水及室温下反复试验，其电势值在一个瞬间阶跃下降后，紧接着呈连续下降趋势，直至达到稳定状态。用HP34401A数字电压表测出其电势值换算成相应的温度，其试验结果见表4。

表4 

从表4中可以看出实施例2所得2支加热式热电偶液位测量传感器一致性好，而且响应时间快，能很好的分辨出液气界面。

为了进一步测试加热式热电偶液位测量传感器的性能，用YJ26M三路直流稳压器电源给实施例2加热式热电偶液位测量传感器通以直流恒压电源，待电势稳定后，测出其电势值（温度），接着把该传感器放在沸水中，用HP34401A数字电压表测出其电势值（温度）的变化。改变电压的大小，重复上面试验过程，其试验结果见表5。 

表5 

从表5中可以看出：随着电压的增加，加热式热电偶液位测量传感器的功率也不断增加，其加热元件加热的温度也越高。并且随着传感器内加热元件加热温度的增加，其在沸水中温差也越来越大。从试验结果还可以看出2支传感器一致性很好，而且都能够很明显的分辨出液气（汽）界面。

当传感器的负载电压大于12V时，给实施例2所述加热式热电偶液位测量传感器加热2小时，然后用DT9505多功能万用表测试其电阻值，看加热元件是否因为超负荷而断路。其试验结果见表6。              

表6

从表6中可以看到出：该加热式热电偶液位测量传感器在730℃左右工作2小时仍然完好无损，所以该传感器完全可以满足0℃～350℃的测温要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种加热式热电偶液位测量传感器，其特征在于：该传感器包括位于第一外套管内的加热元件和铠装电缆，其中，加热元件包括加热丝和陶瓷管，陶瓷管内填充有绝缘粉，所述加热丝等距离地缠绕在陶瓷管上，加热丝的两端汇集于陶瓷管的一端，缠绕有加热丝的陶瓷管外表面烧结覆盖有釉粉；铠装电缆包括正、负极热电偶丝、镍引线和第二外套管，所述正、负极热电偶丝和镍引线按照正极热电偶丝、镍引线、负极热电偶丝、镍引线的顺序顺时针排列在第二外套管内，镍引线、正极热电偶丝、负极热电偶丝、镍引线之间均填充有绝缘粉隔离，正、负极热电偶丝及镍引线的一端伸出第二外套管的一端，将第二外套管的另一端焊接密封，一端灌胶、密封，组成铠装电缆；铠装电缆的两根镍引线分别与加热元件一端的加热丝的两个端头连接，铠装电缆的正、负极热电偶丝伸出端的顶端焊接成热接点，正、负极热电偶丝的伸出端和热接点均位于陶瓷管内，第一外套管中有加热元件端设置有焊接封头，第一外套管的非焊接端为灌胶密封。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的加热丝采用熔点为1400℃，密度为8.4克/立方毫米，延伸率≥20，电阻率1.09±0.05μΩ.m，导热系数为60.3 kj/m.h℃，线胀系数为18的金属材料。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的镍引线采用熔点为1435～1446℃，比重为8.80～8.95，导热系数为0.56～0.65（100℃）卡/厘米.秒.℃,电阻系数为9.2μΩ.cm～9.7μΩ.cm(20℃)的金属材料。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的负极热电偶丝采用电阻温度系数为1.13×10^-3/℃～1.25×10^-3/℃，电阻率为0.266μΩ.m～0.275μΩ.m金属的材料。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的正极热电偶丝采用电阻温度系数为1.03×10^-3/℃～1.16×10^-3/℃，电阻率为0.688μΩ.m～0.755μΩ.m的金属材料。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述外套管采用不锈钢材料。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的伸出第二外套管的正、负极热电偶丝焊至热接点的距离为17mm；伸出第二外套管的镍引线的距离为3mm。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述绝缘粉为电熔级氧化镁，其纯度≥99.5%。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述陶瓷管的直径为1.8～2.2mm，厚度为0.2～0.3mm。

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