CN105258763B - 一体化铠装连续测量的液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体化铠装连续测量的液位传感器，包括前端密封的管状金属壳体，所述管状金属壳体的内腔中设有形成回路的铂丝和形成回路的热电偶丝，所述铂丝、热电偶丝均沿管状金属壳体的轴向延伸，所述管状金属壳体的内腔中填充有绝缘材料，铂丝和热电偶丝由填充的绝缘材料隔离，所述管状金属壳体的后端设置密封连接头形成密封，所述铂丝、热电偶丝通过密封连接头与多芯屏蔽电缆电连接，该密封连接头上设有铂电阻，铂电阻与多芯屏蔽电缆电连接。本发明所述液位传感器的测量性能可靠性高，运行功率小，可对液面位置和液体温度进行实时连续测量。

Description

一体化铠装连续测量的液位传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种一体化铠装连续测量的液位传感器。

背景技术

在现代工业生产中，用于测量液位的传感器几乎遍及生产过程中的各个环节。液位传感器按其设计原理通常分为接触式的如压差式、浮球式、电容式、磁性液位传感器等，非接触式的如超声式、雷达式液位传感器等，还有部分为非连续性的仅起报警或开关作用的液位传感器。而在一些特殊的工况环境如高温、高压、强辐照环境的液位连续测量，对液位传感器的性能要求较高，普通液位传感器很难满足要求，特别是有活动部件的如接触式、渗透式液位传感器。

国外生产的一体化连续测量液位传感器，由于没有活动部件，测量时性能可靠性高，不仅可现场显示数据，还可实现远程监控，已被广泛应用于高温、高压、强辐照等特殊工况环境的液位连续测量。但是，由于这类液位传感器属于特种仪表，进口价格不但高昂，而且受到国际因素的限制，在维护、维修这类进口液位传感器时，国外厂商的技术响应时间较长，严重影响企业的生产作业，备品、备件的更换困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种一体化铠装连续测量的液位传感器，其可靠性高，运行功率小，可对液面位置和液体温度进行实时连续测量。

本发明的目的是这样实现的：一种一体化铠装连续测量的液位传感器，包括前端密封的管状金属壳体，所述管状金属壳体的内腔中设有形成回路的铂丝和形成回路的热电偶丝，所述铂丝、热电偶丝均沿管状金属壳体的轴向延伸，所述管状金属壳体的内腔中填充有绝缘材料，铂丝和热电偶丝由填充的绝缘材料隔离，所述管状金属壳体的后端设置密封连接头形成密封，所述铂丝、热电偶丝通过密封连接头与多芯屏蔽电缆电连接，该密封连接头上设有铂电阻，铂电阻与多芯屏蔽电缆电连接。

所述形成回路的铂丝由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构；所述形成回路的热电偶丝由两极热电偶丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构。

所述U形结构的铂丝位于U形结构的热电偶丝的一侧，U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝的两极热电偶丝之间的连线形成垂直分布。

所述管状金属壳体中还设有形成回路的电加热丝，形成回路的电加热丝沿管状金属壳体的轴向延伸，形成回路的电加热丝由两根电加热丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，所述U形结构的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交错分布，所述电加热丝的长度大于铂丝的长度，U形结构的铂丝的前端位于电加热丝的U形结构内，该电加热丝与铂丝、热电偶丝之间由填充的绝缘材料隔离，所述电加热丝的后端通过密封连接头与多芯屏蔽电缆电连接。

所述电加热丝采用恒流电源供电。

所述绝缘材料为氮化铝。

所述铂电阻为四线制输出铂电阻。

所述管状金属壳体为铠装拉拔成型的直径为3～6mm的管状金属壳体。

采用上述技术方案：一种一体化铠装连续测量的液位传感器，包括前端密封的管状金属壳体，所述管状金属壳体的内腔中设有形成回路的铂丝和形成回路的热电偶丝，所述铂丝、热电偶丝均沿管状金属壳体的轴向延伸，所述管状金属壳体的内腔中填充有绝缘材料，铂丝和热电偶丝由填充的绝缘材料隔离，使铂丝和热电偶丝相互独立，在作业时不会发生相互干扰。当液位传感器的管状金属壳体的下端部分浸入液体中时，由于管状金属壳体和绝缘材料均为高导热材料，热电偶丝测量的温度为液体温度，同时由于铂丝位于液体中的丝段受热，环境温度、液体温度，以及浸入液体内传感器的长度影响铂丝的总电阻值。所述管状金属壳体的后端设置密封连接头形成密封，将铂丝、热电偶丝密封在管状金属壳体中，避免铂丝、热电偶丝受到外部干扰，保证测量精度。所述铂丝、热电偶丝通过密封连接头与多芯屏蔽电缆电连接，该密封连接头上设有铂电阻，铂电阻与多芯屏蔽电缆电连接，设置在密封连接头上的铂电阻用于测量环境温度，通过多芯屏蔽电缆将热电偶测量的液体温度、铂电阻测量的环境温度、铂丝电阻传输至控制中心，实现远程监控液体液位和液体温度。本发明所述的传感器通过铠装拉拔成型，传感器中没有活动部件，同时作业时的运行功率小，具有耐辐射、耐高温、抗振动的特性，非常适用于在高温、高压、高辐射环境下对待测液体液面的实时连续测量。

所述管状金属壳体中还设有形成回路的电加热丝，形成回路的电加热丝沿管状金属壳体的轴向延伸，形成回路的电加热丝由两根电加热丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，所述U形结构的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交错分布，所述电加热丝的长度大于铂丝的长度，U形结构的铂丝的前端位于电加热丝的U形结构内，该电加热丝与铂丝、热电偶丝之间由填充的绝缘材料隔离，所述电加热丝的后端通过密封连接头与多芯屏蔽电缆电连接，在液体温度和环境温度的温差较小时，电加热丝通电后发热，加热铂丝，有效提高铂丝露出液面部分和浸入液体部分的温度差值，减小液位传感器的测量误差。

本发明所述液位传感器用于连续测量液位的原理是：当将液位传感器垂直浸入液体中时，传感器的上端部分位于液面以上，传感器的下端部分位于液面以下。传感器中的热电偶丝测量液体的温度，传感器中的铂电阻测量环境的温度，铂丝的总阻值等于位于液面以下的铂丝阻值和位于液面以上的铂丝阻值之和。位于液面以上的铂丝阻值由环境温度和位于液面以上的铂丝的长度确定，位于液面以下的铂丝阻值由液体温度和位于液面以下的铂丝的长度确定。由于液体温度、环境温度、铂丝总电阻均可测量出，通过计算出位于液面以上的铂丝的长度和位于液面以下铂丝的长度，即可实现对液位的实时连续测量。

下面结合附图和具体实施方式作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明管状金属壳体中各芯线分布图；

图4为本发明的使用状态图。

附图中，1为铂丝，2为电加热丝，3为热电偶丝，4为管状金属壳体，5为绝缘材料，7为铂电阻，8为多芯屏蔽电缆，9为密封连接头，10为电连接器。

具体实施方式

实施例1：

参见图1至图3，一体化铠装连续测量的液位传感器包括前端密封的管状金属壳体4，本实施例中，所述管状金属壳体采用不锈钢材料316L通过铠装拉拔成型。所述管状金属壳体4的内腔中设有形成回路的铂丝1和形成回路的热电偶丝3，所述铂丝1、热电偶丝3均沿管状金属壳体4的轴向延伸，本实施例中，所述铂丝1由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，两根铂丝的后端与管状金属壳体4的后端齐平；所述热电偶丝3由正、负极偶丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，正、负极偶丝的后端与管状金属壳体4的后端齐平。为避免热电偶丝与铂丝相互干扰，所述U形结构的铂丝1位于U形结构的热电偶丝3的一侧，U形结构的铂丝1的两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝3的正、负极偶丝之间的连线形成垂直分布。所述管状金属壳体4的内腔中填充有绝缘材料5，本实施例中，所述绝缘材料5为氮化铝，为高导热绝缘材料，铂丝1和热电偶丝3由填充的高导热绝缘材料隔离。所述管状金属壳体4的后端设置密封连接头9形成密封，所述铂丝1、热电偶丝3通过密封连接头9与多芯屏蔽电缆8电连接，该密封连接头9上设有铂电阻7，铂电阻7与多芯屏蔽电缆8电连接，本实施例中，所述密封连接头的后端连接一电连接器10，电连接器10采用LEMO连接器，该LEMO连接器的插座固定在管状金属壳体的后端，LEMO连接器的插头与十芯屏蔽电缆连接，所述铂电阻7为四线制输出铂电阻。

进一步地，为了提高液位传感器的检测精度，所述管状金属壳体4中还设有形成回路的电加热丝2，形成回路的电加热丝2沿管状金属壳体的轴向延伸，形成回路的电加热丝2由两根电加热丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，两根电加热丝的后端与管状金属壳体的后端齐平，所述U形结构的电加热丝2的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝1的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交错分布，所述电加热丝2的长度大于铂丝1的长度，U形结构的铂丝1的前端位于电加热丝2的U形结构内，该电加热丝2与铂丝1、热电偶丝3之间由填充的高导热绝缘材料隔离，所述电加热丝2的后端通过LEMO连接器与多芯屏蔽电缆8电连接，本实施例中，通过电加热丝2的恒定电流为0.5A。

上述液位传感器的制备方法为：将氮化铝粉末挤压成具有六孔的绝缘瓷柱，按照图1所示的分布方式，分别将两根铂丝、两根电加热丝、两根热电偶丝装配在绝缘瓷柱中，取两端均开口的316L不锈钢金属管，将装有金属丝的绝缘瓷柱装入金属管中，然后铠装拉拔至外径为5.3mm；拉拔完成后，绝缘瓷柱被挤压成高致密、高导热的绝缘体，将金属管内的金属丝分隔开，然后用激光焊接的方式分别将两根铂丝的前端焊接、两根电加热丝的前端焊接、两根热电偶丝的前端焊接，形成三组U形结构的回路；激光焊接完成后，用氩弧焊接的方式对管状金属壳体的前端开口焊接封头，形成前端密封的管状金属壳体；氩弧焊接封头完成后，将管状金属壳体置于120℃环境中，使内腔中的六路芯线与管状金属壳体的绝缘电阻大于1000MΩ·M，然后在管状金属壳体的后端装入四线制的铂电阻，最后灌入耐高温的密封胶，形成密封连接头。从金属壳体内引出的十根引线与密封连接头后端的LEMO连接器插座端连接，LEMO连接器插座端固定在管状金属壳体上，LEMO连接器插头端与十芯屏蔽电缆电连接，所以传感器的信号通过LEMO连接器转接后，通过十芯屏蔽电缆长距离传输至控制中心。

本发明所述液位传感器的使用方法为：

1、将传感器的管状金属壳体竖直浸入测量液体中，记传感器管状金属壳体4总长度为H，传感器管状金属壳体4露出液面部分长度为l₁，传感器管状金属壳体4浸入液体部分长度为l₂＝H-l₁；

2、通电后，采集热电偶丝3测量的液体温度t₀、铂电阻7测量的环境温度t_f，以及铂丝电阻值R，并将采集的实时数据传输至控制中心，利用传感器管状金属壳体4露出液面部分长度l₁与液体温度t₀、环境温度t_f、铂丝电阻值R的相互关系，得到以下函数关系式：

式中，其中，h为液体的传热系数，P为传感器的截面周长，λ为传感器金属壳体的导热系数，A_C为传感器的截面积，R₀为传感器处于摄氏零度(273.15K)环境中时金属壳体内铂丝的电阻值；

3、将实时采集的液体温度t₀、环境温度t_f、铂丝电阻值R，代入步骤2中的迭代函数关系式，计算出传感器管状金属壳体4露出液面部分长度l₁，并根据步骤1的传感器管状金属壳体4浸入液体部分长度为l₂＝H-l₁，即可得到传感器管状金属壳体4浸入液体长度l₂，由此实现对液位的实时连续测量。

实施例2：

实施例3：

实施例4：

本发明所述的液位传感器没有活动部件，且通过铠装拉拔整体成型，具有耐辐照，抗高温和抗振动的特性，较目前广泛应用的液位传感器而言，可靠性大大提高，而且探测精度较高，工作功率较小，还可通过数据电缆远距离传输到中控室，实现液位的实时在线远距离监测，通过实时曲线、动态图形等直观的显示液位的变化情况。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种一体化铠装连续测量的液位传感器，包括前端密封的管状金属壳体(4)，所述管状金属壳体(4)的内腔中设有形成回路的铂丝(1)，所述铂丝(1)沿管状金属壳体(4)的轴向延伸，所述管状金属壳体(4)的内腔中填充有绝缘材料(5)，其特征在于：所述管状金属壳体(4)的内腔中设有形成回路的热电偶丝(3)，所述热电偶丝(3)沿管状金属壳体(4)的轴向延伸，铂丝(1)和热电偶丝(3)由填充的绝缘材料(5)隔离，所述管状金属壳体(4)的后端设置密封连接头(9)形成密封，所述铂丝(1)、热电偶丝(3)通过密封连接头(9)与多芯屏蔽电缆(8)电连接，该密封连接头(9)上设有铂电阻(7)，铂电阻(7)与多芯屏蔽电缆(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述形成回路的铂丝(1)由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构；所述形成回路的热电偶丝(3)由两极热电偶丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构。

3.根据权利要求2所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述U形结构的铂丝(1)位于U形结构的热电偶丝(3)的一侧，U形结构的铂丝(1)的两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝(3)的两极热电偶丝之间的连线形成垂直分布。

4.根据权利要求1所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述管状金属壳体(4)中还设有形成回路的电加热丝(2)，形成回路的电加热丝(2)沿管状金属壳体(4)的轴向延伸，形成回路的电加热丝(2)由两根电加热丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，所述U形结构的电加热丝(2)的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝(1)的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交错分布，所述电加热丝(2)的长度大于铂丝(1)的长度，U形结构的铂丝(1)的前端位于电加热丝(2)的U形结构内，该电加热丝(2)与铂丝(1)、热电偶丝(3)之间由填充的绝缘材料(5)隔离，所述电加热丝(2)的后端通过密封连接头(9)与多芯屏蔽电缆(8)电连接。

5.根据权利要求4所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述电加热丝(2)采用恒流电源供电。

6.根据权利要求1所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述绝缘材料(5)为氮化铝。

7.根据权利要求1所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述铂电阻(7)为四线制输出铂电阻。

8.根据权利要求1所述的一体化铠装连续测量的液位传感器，其特征在于：所述管状金属壳体(4)为铠装拉拔成型的直径为3～6mm的管状金属壳体。