CN110987119A - 用于高温高压环境的光纤液位计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于高温高压环境的光纤液位计及其制作方法。所述光纤液位计包括一端封闭另一端敞开的中空金属铠装管、绝缘导热芯、耐高温电热丝、测温光纤和尾端封头，绝缘导热芯装填在中空金属铠装管内，在绝缘导热芯内设有的中心电热丝通孔和环绕在中心电热丝通孔四周的一个或两个或两个以上测温光纤通道，所述耐高温电热丝位于中心电热丝通孔内，一根或两根或两根以上的测温光纤置于对应的测温光纤通道内，且耐高温电热丝和测温光纤的尾端从尾端封头穿出，并通过尾端封头将中空金属管的开口端密封。本发明所述的新型液位计的安装方式灵活，使用温度压力高，液位分辨率高，可以应用于1000℃以下高压水、液态金属、熔盐等介质的液位测量。
Description
技术领域
本发明专利属于传感测量技术领域，具体涉及一种用于高温高压环境且安装角度不受限的光纤液位计及其制作方法，该液位计可用于水冷反应堆核电站中稳压器、蒸发器的液位追踪，金属反应堆(钠冷、铅铋冷却反应堆) 中液态金属液位、熔盐反应堆中熔盐液位监测。
背景技术
核反应堆采用水、液态金属、熔盐等冷却剂将堆芯产生的热量导出并做功发电。各种反应堆事故中由于冷却剂的流失，将带来堆芯丧失冷源，而引起裸露烧毁的风险。因此核反应堆内各种设备内的冷却剂液位，特别是一回路稳压器中冷却剂的液位，是核反应堆极为需要监测的参数。但是核反应堆一回路是高温高压环境，其温度达300℃以上，压力达15MPa以上，因此对液位计的耐受温度及压力均有极高要求。
目前，磁翻板液位计需要将被测容器内的高温介质引流降温后测量，以防止高温下传感器的退磁。这种液位计对容器上下端的开口引流，不但增大了高温高压容器破口风险，而且测量精度及响应速度均有下降。超声波液位计在应用于稳压器及蒸发器等的液相顶部存在蒸气的环境中，由于液相顶部局部出现的高密度蒸汽影响声波穿透，严重干扰测量结果。为应对上述高温高压环境中液位实时精确测量的苛刻条件，当前方案是采用多个不同原理的液位计进行多重测量，以相互校验，然而这种方式系统构成复杂、造价高，因此迫切需要开发一种高温高压环境下安装角度不受限的气-液相界面精确追踪的新型液位计。
发明内容
为了解决在高温高压环境，且对容器结构影响较小的液位精确测量问题，本发明专利提出了一种用于高温高压环境的光纤液位计及其制作方法，该光纤液位计可以用于与温度压力高的环境下，且液位分辨率高，不受自身角安装度的影响，可以减小对容器结构及摆放角度的要求。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案为：所述一种用于高温高压环境的光纤液位计，其特征在于：所述光纤液位计包括金属铠装管、绝缘导热芯、耐高温电热丝、一根或两根或两根以上的测温光纤和尾端封头，所述金属铠装管为一端封闭另一端敞开的中空金属管，其内部装填绝缘导热芯，开口端通过尾端封头密封，并在尾端封头的中部对应位置设有电热丝和光纤穿孔；在绝缘导热芯内设有中心电热丝通孔和环绕在中心电热丝通孔四周的一个或两个或两个以上测温光纤通道，所述耐高电热丝位于中心电热丝通孔内，一根或两根或两根以上的测温光纤置于对应的测温光纤通道内，耐高电热丝和测温光纤的尾端从尾端封头穿出分别与外界的功率调节系统和光纤温度监测系统连接。
本发明进一步的技术方案：所述绝缘导热芯金属铠装管中空区域完全填充，所述中心电热丝通孔设置在绝缘导热芯的中轴线上，其内径与耐高电热丝的外径相匹配，所述测温光纤通道分布在以中心电热丝通孔为圆心的等半径圆柱截面上，其内径与测温光纤的外径相匹配；所述测温光纤通道是与中心电热丝通孔相平行的至少两个直通道，或是螺旋盘绕在中心电热丝通孔周围的一根或两根或两根以上的螺旋通道；当测温光纤通道为多个直通道时，布置在多个测温通道内的多根测温光纤在同一截面上的测点交替分布；当设置两根或两根以上的螺旋通道时，各螺旋通道的盘绕螺距及盘绕半径均一致，螺旋通道之间无交汇区域。
本发明进一步的技术方案：所述光纤液位计还包括光纤温度监测系统和功率调节系统；所述光纤温度监测系统可以采用普通光纤测温系统，通过后处理软件将光纤测温系统的测温值转换成液位值；光纤温度监测系统对测温光纤沿程温度信号进行解调，获得绝缘导热芯轴向方向的温度分布信息，与测温光纤一起实现高空间分辨率的温度测量；如果测温光纤呈螺旋盘绕方式，需要把螺旋光纤沿程测点位置对应成液位计轴向位置，如果是多根直光纤交替布置，需要将各个光纤的测点位置依次对应。所述耐高温电热丝为通电发热金属丝，所述功率调节系统是与耐高电热丝相匹配的加热功率调节系统，采用调节电压或电流的形式，通过调节加载在耐高温电热丝上的电功率的控制耐高温电热丝的发热功率。
本发明较优的技术方案：所述金属铠装管采用不锈钢管、铜管、镍合金管、钛合金管、可伐合金管中的任意一种管材结构；所述测温光纤为分布式连续测温光纤或采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤。
本发明较优的技术方案：所述绝缘导热芯是由带有中心电热丝通孔及测温光纤通道的耐高温绝缘芯块依次拼接而成；或直接采用耐高温绝缘粉末进行填充形成。所述耐高温绝缘芯块为带有耐高温电热丝孔及测温光纤通道的陶瓷或云母芯块，其中心电热丝通孔的孔径与耐高温电热丝紧密配合；所述耐高温绝缘粉末为氮化硼或氧化镁粉末。
本发明提供的一种用于高温高压环境的光纤液位计的制作方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)基于被测容器结构及液位变动范围，确定液位计金属铠装管的插入位置、插入角度、插入深度，以及测温光纤温度测量区间的覆盖范围；
(2)准备液位计的金属铠装管、绝缘导热芯、耐高温电热丝和一根或两根或两根以上的测温光纤，耐高温电热丝通过绝缘导热芯固定在金属铠装管的中轴线上，测温光纤分布在中心电热丝为圆心的等半径圆柱截面上的，且两根或两根以上的测温光纤在同一截面上的测点交替分布；所述绝缘导热芯选用带有中心电热丝通孔及测温光纤通道的耐高温绝缘芯块，或采用耐高温绝缘粉末；
当采用耐高温绝缘芯块时，其外径与金属铠装管内径相匹配，测温光纤包括至少两根平行于中心电热丝通孔的直通道或螺旋盘绕在中心电热丝通孔周围的一根或两根或两根以上的螺旋通道，在安装耐高温电热丝和测温光纤时，直接将多个耐高温绝缘芯块置于金属铠装管内，将耐高温电热丝插入绝缘导热芯中心孔内，并在测温光纤通道内布置测温光纤，然后调节测温光纤的测温区域或测温光栅点的位置，使其覆盖液位的变动范围并满足测量分辨率的要求；
当采用耐高温绝缘粉末时，选用两端开口的金属铠装管，将耐高温电热丝定位至金属铠装管的中心位置，测温光纤定位至高温电热丝周围，采用有定位孔的挡片遮挡金属铠装管底端，将高温绝缘粉末完全充实的填充至金属铠装管内，然后去掉定位挡片，将金属凯装管底端完全封死并调节测温光纤的测温区域或测温光栅点的位置，使其覆盖液位的变动范围并满足测量分辨率的要求；该方式只能适用于直线分布的测温光纤；
(3)在耐高温电热丝和测温光纤安装好之后，将耐高温电热丝和测温光纤的尾端穿过尾端封头上的耐高温电热丝穿孔及测温光纤的穿孔，并将尾端封头与金属铠装管密封连接，同时将耐高温电热丝和测温光纤穿过尾端封头的部位进行密封，完成传感器的封装制作；
(4)将穿出金属铠装管的耐高温电热丝连接至功率调节仪，穿出金属铠装管的测温光纤接入光纤测温系统的输入端口；并在检测前，根据测温光纤测温段的位置及安装角度，确定温度分布与液位的对应关系。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(1)中液位计的插入位置为容器顶部、底部及侧面，插入角度为任意角度，插入深度确保液位计前端测量段完全插入到液位变化区，完全覆盖液位变化范围，并留有余量。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(2)中的绝缘导热芯充分填充在金属铠装管内，并与金属铠装管内壁充分贴合，以实现热量的均匀传导；耐高温电热丝的外壁与绝缘导热芯充分贴合，以实现耐高温电热丝的热量均匀导出；所述步骤(2)中的测温光纤为分布式连续测温光纤或采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤，安装在绝缘导热芯的测温光纤通道内，并与测温光纤通道壁面充分贴合，以准确测得轴向温度阶跃，且在液位变化范围内的测温光纤测点均布或按设置点布置；对于分布式连续测温光纤，通过调节后端的光纤温度监测系统的空间分辨率、精度和范围参数来调节测温光纤的测温区域或测温光栅点的位置；对于采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤，通过控制测温光纤的插入深度，调节测温光纤上的光栅测点在轴向上的对应位置。
本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中耐高温电热丝与金属铠装管在端头通过留设间距实现绝缘隔离；在进行尾端封头与金属铠装连接时，采用橡胶密封圈或绝缘护套管或采用高温绝缘胶在耐高温电热丝穿孔及测温光纤的穿孔处进行密封定位，并通过橡胶密封圈或绝缘护套管或采用高温绝缘胶实现耐高温电热丝与尾端封头之间的绝缘隔离；测温光纤在穿出尾端封头后采用塑料或者橡胶保护套管或者金属波纹管进行保护。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(5)中温度分布与液位的对应关系具体是根据液位计安装位置及安装角度，确定液位计尾端对应液位值L及液位计与液位变化轴向的夹角θ，并计算出温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S，其液位测量值为L-S*cos(θ)；
其中，当测温光纤直线插入时，其温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S＝H-C，H为测温光纤插入液位计金属屏蔽管内的长度，C为为测温光纤温度阶跃点距离测温光纤顶端的距离；
当测温光纤螺旋盘绕时，其温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离 S＝W*(H-C)*(W2+(2πR)2)-0.5，H为测温光纤插入液位计金属屏蔽管内的长度， W为测温光纤的盘绕螺距，R为测温光纤的盘绕半径。
本发明中的液位计在不影响容器密封条件的前提下，可从容器顶端、底端及侧面以任何角度插入贮存液体的容器内。金属铠装管及其内部的测温光纤、耐高温电热丝、绝缘导热芯的插入长度需要完全覆盖所需监测液位的变动范围并留有余量，耐高温电热丝通电发热，并通过功率调节系统控制耐高温电热丝的发热功率，液位两侧介质在金属铠装管表面处的换热性能差别，使得金属铠装管及绝缘导热芯在其轴向方向位于液位处产生在一个温度阶跃。采用测温光纤及光纤温度监测系统获得绝缘导热芯沿程的温度分布，从而找到温度阶跃位置，并基于插入角度计算得到容器内的液位值。
本发明中的测温光纤及光纤温度监测系统，用于进行绝缘导热芯内光纤通道沿轴向方向的温度分布测量，测温光纤及光纤温度监测系统的温度分辨率可达到0.1℃。测温光纤可为分布式连续测温光纤，也可为沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤，分别选择相对应的后端光纤温度监测系统，实现高空间分辨率的沿程温度测量。耐高温电热丝周围可以通过布置多根测点交替的测温光纤，或者将测温光纤螺旋盘绕的方式，提高轴向温度分布测量的空间分辨率，实现液位的精确捕捉。测温光纤不受电磁干扰，可直接在耐高温电热丝外壁布置测温光纤进行温度监测，防止耐高温电热丝温度过高而被烧毁。测温光纤可以单独封装使得测温上限提升至1000℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明中的光纤液位计是根据容器内不同介质传热性能的明显差异，通过分布式或准分布式测温光纤测量耐高温电热丝沿程温度分布的变化感知介质间的液位变化，该液位计不受自身角安装度的影响，可以从容器的顶端，底端以及侧面以任何角度插入到液位变化区间，通过将温度分布基于安装位置和安装角度进行转换，实现液位的精确测量，避免了液位计不必要的插入长度，减小了对容器结构及摆放角度的要求。
(2)本发明中的液位计通过设计金属屏蔽管的结构及材料，选择合适的插入口密封方式实现在15MPa以上压力环境中的使用；该液位计中的测温光纤温度测量上限可以达到1000℃，选择耐温超过1000℃的电加热丝及金属屏蔽管，可以满足1000℃以下环境中的液位测量。
(3)本发明通过多根测温光纤测点交错布置或测温光纤螺旋盘绕，能够将测温光纤的温度空间分辨率提高至mm量级或更高，进而实现mm量级或更高的液位监测。
本发明所述的新型液位计的安装方式灵活，使用温度压力高，液位分辨率高，可以应用于1000℃以下高压水、液态金属、熔盐等介质的液位测量。
附图说明
图1是本发明的绝缘导热芯为耐高温绝缘芯块的结构示意图；
图2是本发明的绝缘导热芯为耐高温绝缘粉末的结构示意图；
图3是本发明的测温光纤为单根螺旋盘绕的结构示意图；
图4是本发明的测温光纤为两根螺旋盘绕的结构示意图；
图5是两根以上的测温光纤螺旋盘绕示意图；
图6是测温光纤直线插入的温度阶跃位置示意图；
图7是测温光纤螺旋盘绕的温度阶跃位置示意图；
图8是实施例中液位测量示意图。
图中：1—金属铠装管，2—缘导热芯，3—耐高温电热丝，4—测温光纤， 4-1—测点，5—尾端封头，6—光纤温度监测系统，7—功率调节系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供的一种用于高温高压环境的光纤液位计，如图1和图 2所示，包括金属铠装管1、绝缘导热芯2、耐高温电热丝3、一根或两根或两根以上的测温光纤4、尾端封头5、光纤温度监测系统6和功率调节系统7；所述金属铠装管1采用不锈钢管、铜管、镍合金管、钛合金管、可伐合金管中的任意材质的管体结构；所述测温光纤4为分布式连续测温光纤或采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤。所述光纤温度监测系统6对测温光纤4沿程温度进行解调，实现高空间分辨率的温度测量，并与测温光纤4 一起进行绝缘导热芯2轴向方向的温度分布测量；所述耐高温电热丝3为通电发热金属丝，为保证在高温工况下使用，可选择铟钶镍718，钼等高熔点金属，所述功率调节系统7是与耐高电热丝3相匹配的加热功率调节系统，采用调节电压或电流的形式，通过调节加载在耐高温电热丝3上的电功率的控制耐高温电热丝3的发热功率。
实施例中的一种用于高温高压环境的光纤液位计，其具体结构如图1至图4所示，金属铠装管1为一端封闭另一端敞开的中空金属管，绝缘导热芯 2装填在金属铠装管1内，绝缘导热芯2将金属铠装管1中空区域完全填充，开口端通过尾端封头5密封，并在尾端封头5的中部对应设有电热丝和光纤穿孔。在绝缘导热芯2内设有的中心电热丝通孔和环绕在中心电热丝通孔四周的一个或两个或两个以上测温光纤通道，所述中心电热丝通孔设置在绝缘导热芯2的中轴线上，其内径与耐高电热丝3的外径相等，所述测温光纤通道分布在以中心电热丝通孔为圆心的等半径圆柱截面上，其内径与测温光纤 4的外径相等。耐高电热丝3位于中心电热丝通孔内，一根或两根或两根以上的测温光纤4置于对应的测温光纤通道内，且布置在测温通道内的两根或两根以上的测温光纤4在同一截面上的测点4-1交替分布；耐高电热丝3和测温光纤4的尾端从尾端封头5穿出分别与功率调节系统7和光纤温度监测系统6连接。
本发明中温度分布与液位的对应关系具体是根据液位计安装位置及安装角度，确定液位计尾端对应液位值L及液位计与液位变化轴向的夹角θ，并计算出温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S，然后按照公式L-S*cos(θ) 计算出液位值。
当测温光纤直线插入时，如图6所示，其温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S＝H-C，H为测温光纤插入液位计金属屏蔽管内的长度，C为测温光纤温度阶跃点距离测温光纤顶端的距离；
当测温光纤螺旋盘绕时，如图7所示，其温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S＝W*(H-C)*(W2+(2πR)2)-0.5，H为测温光纤插入液位计金属屏蔽管内的长度，W为测温光纤的盘绕螺距，R为测温光纤的盘绕半径。
实施例中的绝缘导热芯2是由带有中心电热丝通孔及测温光纤通道的耐高温绝缘芯块依次拼接而成；或直接采用耐高温绝缘粉末进行填充形成。所述耐高温绝缘芯块为带有耐高温电热丝孔及测温光纤通道的陶瓷或云母芯块，其中心电热丝通孔的孔径与耐高温电热丝3紧密配合；所述耐高温绝缘粉末为氮化硼或氧化镁粉末。当绝缘导热芯2采用耐高温绝缘芯块时，如图1所示，其测温光纤通道是与中心电热丝通孔相平行的至少两个直通道，或是螺旋盘绕在中心电热丝通周围的一根或两根或两根以上的螺旋通道(如图3和图4所示)，设置两根或两根以上的螺旋通道时，其螺旋通道之间无交汇区域，设置两螺旋通道时，如图4所示，其端头截面上的螺旋起始点相差180°；设置三螺旋通道时，如图5所示，其端头截面上的螺旋起始点相差120°；设置四螺旋通道时，其端头截面上的螺旋起始点相差90°。当绝缘导热芯2 采用耐高温绝缘粉末时，只能选择直光纤的安装方式，如图2所示，具体是选择两端开放的金属铠装管1，在其中心插入耐高温电热丝3并在四周插入测温光纤4，从两端对耐高温电热丝3和测温光纤4进行拉伸定位，并采用有定位孔的挡片遮挡底部后，将高温绝缘粉末填充至金属铠装管1内，采用超声震荡等方式使高温绝缘粉末完全充实金属凯装管1内部，然后去掉定位挡片并将金属凯装1底部完全密封。
下面结合具体实施例对本发明的制备方法进一步说明，以下实施中的耐高温电热丝3及功率调节系统7为通电发热金属丝及其匹配的加热功率调节系统。金属铠装护管1的材料选用316不锈钢，具有体积小、传热快、耐腐蚀等优点；其外径为10mm，内径为6mm，长度为2800mm。绝缘导热芯 2由70个耐高温的绝缘陶瓷柱组成，其长度、外径分别为40mm、5.9mm，绝缘陶瓷柱的中心开有半径为1.05mm的耐高温电热丝通孔，在4.0mm半径上间隔90°角开有半径为0.5mm的测温光纤孔。耐高温电热丝3选用镍铬丝，直径2.0mm，具有耐高温、不易变形等优点。测温光纤4设有四根，均选用聚酰亚胺涂覆的纯石英光纤以及飞秒激光器刻制的Ⅱ型光纤光栅阵列，其中光栅阵列的间隔为10mm。其封装后最高工作温度可达1000℃。尾端封头5 选用圆柱形不锈钢焊接堵头，分别对应开有耐高温电热丝和测温光纤的贯穿孔。光纤温度监测系统6的搭建基于至少4输入通道的光谱解调仪，实现对 4根测温光纤5上各阵列光栅处温度测点的监测。功率调节系统7采用变压器，通过电压调节，控制耐高温电热丝3的发热功率。
如图7所示，实施例设定液位计从被测容器侧壁距底部L位置以60°向下插入(此时θ＝π/3)，容器内液位变动范围为L-1000mm至L-500mm，该光纤液位计的制作方法可按下述步骤进行：
(1)根据液位变化范围对应在液位计金属铠装管1轴向上的温度测点布置范围为：(L-(L-1000))/cos(π/3)mm至(L-(L-500))/cos(π/3)mm，将测温光纤 4的测温点布置范围覆盖2000mm至1000mm，上述测温点布置范围是测温点距金属屏蔽管1尾端的轴向距离范围；
(2)将耐高温电热丝3依次穿过绝缘陶瓷柱中心的热电丝孔，将70个绝缘陶瓷柱串联起来，然后再整体插入金属铠装管1，保证耐高温电热丝3的端头与金属屏蔽管1有一定间隙使之相互绝缘；安装过程中，保证绝缘导热芯2充分填充在金属铠装管内，并与金属铠装管内壁充分贴合，以实现热量的均匀导出，耐高温电热丝的外壁与绝缘导热芯充分贴合，以实现耐高温电热丝的热量均匀导出；
(3)将四根测温光纤4依次插入绝缘导热芯2的4个光纤孔内，每根测温光纤4上的阵列光栅个数为105，调节测温光纤4的插入长度，第1根光纤的最远端光栅测点位于距金属铠装管1尾端距离2025mm位置，其余测温光纤4的最远端光栅测点依次朝向金属铠装管1尾端方向后移2.5mm，使得沿耐高温电热丝3轴向每隔2.5mm获得一个测温点，并完全覆盖距金属铠装管1尾端2000mm至1000mm区间范围；在安装测温光纤4时，将其固定在绝缘导热芯的测温光纤通道壁面，以准确测得轴向温度阶跃；并通过控制测温光纤的插入深度，调节测温光纤上的光栅测点在轴向上的对应位置；
(4)将耐高温电热丝3穿出尾端封头5后连接至功率调节仪7，测温光纤4穿出尾端封头5后分别接入光纤测温系统6的1至4输入端口；在进行尾端封头与金属铠装连接时，采用橡胶密封圈或绝缘护套管或采用高温绝缘胶在耐高温电热丝穿孔及测温光纤的穿孔处进行密封定位，并通过橡胶密封圈或绝缘护套管或采用高温绝缘胶实现耐高温电热丝与尾端封头之间的绝缘隔离；测温光纤在穿出尾端封头后采用塑料或者橡胶保护套管或者金属波纹管进行保护。
本发明中的液位计在具体使用中通过调节功率调节系统6，控制耐高温电热丝3的发热功率，在其轴向上形成一个温度分布。基于测温光纤4所获得轴向温度分布阶跃点距金属铠装管1尾端的距离S，按照公式L-S*cos(θ) 算出对应容器内液位的位置，本实施例中光栅测温点间隔为2.5mm，传感器安装插入角度为60°，则液位测量的不确定度为±1.25mm。
综上所述，本发明列举了一个实施例，但本发明不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于高温高压环境的光纤液位计，其特征在于：所述光纤液位计包括金属铠装管(1)、绝缘导热芯(2)、耐高温电热丝(3)、一根或两根或两根以上的测温光纤(4)和尾端封头(5)，所述金属铠装管(1)为一端封闭另一端敞开的中空金属管，其内部装填有绝缘导热芯(2)，其开口端通过尾端封头(5)密封，并在尾端封头(5)的中部对应位置开设有电热丝和光纤穿孔；在绝缘导热芯(2)内设有中心电热丝通孔和环绕在中心电热丝通孔四周的一个或两个或两个以上测温光纤通道，所述耐高电热丝(3)位于中心电热丝通孔内，一根或两根或两根以上的测温光纤(4)置于对应的测温光纤通道内，耐高温电热丝(3)和测温光纤(4)的尾端从尾端封头(5)引出分别与外界的功率调节系统(7)和光纤温度监测系统(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计，其特征在于：所述绝缘导热芯(2)将金属铠装管(1)中空区域完全填充，所述中心电热丝通孔设置在绝缘导热芯(2)的中轴线上，其孔径与耐高电热丝(3)的外径相匹配，所述测温光纤通道分布在以中心电热丝通孔为圆心的等半径圆柱截面上，其孔径与测温光纤(4)的外径相匹配；所述测温光纤通道是与中心电热丝通孔相平行的至少两个直通道，或是螺旋盘绕在中心电热丝通孔周围的一根或两根或两根以上的螺旋通道；当测温光纤通道为至少两个直通道时，布置在测温通道内的至少两根测温光纤(4)在同一截面上的测点(4-1)应交替分布；当设置两根或两根以上的螺旋通道时，各螺旋通道的盘绕螺距及盘绕半径均一致，螺旋通道之间无交汇区域。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计，其特征在于：所述光纤液位计还包括光纤温度监测系统(6)和功率调节系统(7)；所述光纤温度监测系统(6)对测温光纤(4)沿程温度信号进行解调，获得绝缘导热芯(2)轴向方向的温度分布信息，与测温光纤(4)一起实现高空间分辨率的温度测量；所述耐高温电热丝(3)为通电发热金属丝，所述功率调节系统(7)是与耐高电热丝(3)相匹配的加热功率调节系统，采用调节电压或电流的形式，通过调节加载在耐高温电热丝(3)上的电功率的控制耐高温电热丝(3)的发热功率。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计，其特征在于：所述金属铠装管(1)采用不锈钢管、铜管、镍合金管、钛合金管、可伐合金管中的任意一种管材结构；所述测温光纤(4)为分布式连续测温光纤或采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计，其特征在于：所述绝缘导热芯(2)是由带有中心电热丝通孔及测温光纤通道的耐高温绝缘芯块依次拼接而成，或直接采用耐高温绝缘粉末进行填充形成；所述耐高温绝缘芯块为带有耐高温电热丝孔及测温光纤通道的陶瓷或云母芯块，其中心电热丝通孔的孔径与耐高温电热丝(3)外径紧密配合；所述耐高温绝缘粉末为氮化硼或氧化镁粉末。
6.一种用于高温高压环境的光纤液位计的制作方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)基于被测容器结构及液位变动范围，确定液位计金属铠装管的插入位置、插入角度、插入深度，以及测温光纤温度测量区间的覆盖范围；
(2)准备液位计的金属铠装管、绝缘导热芯、耐高温电热丝和一根或两根或两根以上的测温光纤，耐高温电热丝通过绝缘导热芯固定在金属铠装管的中轴线上，测温光纤分布在以中心电热丝为圆心的等半径圆柱截面上，且两根或两根以上的测温光纤在同一截面上的测点交替分布；所述绝缘导热芯选用带有中心电热丝通孔及测温光纤通道的耐高温绝缘芯块，或采用耐高温绝缘粉末；
当采用耐高温绝缘芯块时，其外径与金属铠装管内径相匹配，测温光纤包括至少两根平行于中心电热丝通孔的直通道或螺旋盘绕在中心电热丝通孔周围的一根或两根或两根以上的螺旋通道，两根或两根以上的螺旋通道之间无交汇区域，且各螺旋通道的盘绕螺距及盘绕半径均一致；在安装耐高温电热丝和测温光纤时，直接将多个耐高温绝缘芯块置于金属铠装管内，将耐高温电热丝插入绝缘导热芯中心孔内，并在测温光纤通道内布置测温光纤，然后调节测温光纤的测温区域或测温光栅点的位置，使其覆盖液位的变动范围并满足测量分辨率的要求；
当采用耐高温绝缘粉末时，选用两端开口的金属铠装管，将耐高温电热丝定位至金属铠装管的中心位置，测温光纤定位至高温电热丝周围，采用有定位孔的挡片遮挡金属铠装管底端，将高温绝缘粉末密实地填充至金属铠装管内，然后去掉定位挡片，将金属凯装管底端完全封死并调节测温光纤的测温区域或测温光栅点的位置，使其覆盖液位的变动范围并满足测量分辨率的要求；
(3)在耐高温电热丝和测温光纤安装好之后，将耐高温电热丝和测温光纤的尾端穿过尾端封头上的耐高温电热丝穿孔及测温光纤的穿孔，并将尾端封头与金属铠装管密封连接，同时将耐高温电热丝和测温光纤穿过尾端封头的部位进行密封，完成传感器的封装制作；
(4)将穿出金属铠装管的耐高温电热丝连接至功率调节仪，穿出金属铠装管的测温光纤接入光纤测温系统的输入端口；并在检测前，根据测温光纤测温段的位置及安装角度，确定温度分布与液位的对应关系。
7.根据权利要求6所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中液位计的插入位置为容器顶部、底部及侧面，插入角度为任意角度，插入深度确保液位计前端测量段完全插入到液位变化区，完全覆盖液位变化范围，并留有余量。
8.根据权利要求6所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中的绝缘导热芯充分填充在金属铠装管内，并与金属铠装管内壁充分贴合，以实现热量的均匀传导；耐高温电热丝的外壁与绝缘导热芯充分贴合，以实现耐高温电热丝的热量均匀导出；所述步骤(2)中的测温光纤为分布式连续测温光纤或采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤，安装在绝缘导热芯的测温光纤通道内，并与测温光纤通道壁面充分贴合，以准确测得轴向温度阶跃，且在液位变化范围内的测温光纤测点均布或按设置点布置；对于分布式连续测温光纤，通过调节后端的光纤温度监测系统的空间分辨率、精度和范围参数来调节测温光纤的测温区域或测温光栅点的位置；对于采用沿程刻有多个测温光栅的准分布式测温光纤，通过控制测温光纤的插入深度，调节测温光纤上的光栅测点在轴向上的对应位置。
9.根据权利要求6所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中耐高温电热丝与金属铠装管在端头通过留设适当空隙实现绝缘隔离；在进行尾端封头与金属铠装连接时，采用橡胶密封圈或绝缘护套管或采用高温绝缘胶在耐高温电热丝穿孔及测温光纤的穿孔处进行密封定位，并通过橡胶密封圈或绝缘护套管或采用高温绝缘胶实现耐高温电热丝与尾端封头之间的绝缘隔离；测温光纤在穿出尾端封头后采用塑料或者橡胶保护套管或者金属波纹管进行保护。
10.根据权利要求7所述的一种用于高温高压环境的光纤液位计的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中温度分布与液位的对应关系具体是根据液位计安装位置及安装角度，确定液位计尾端对应液位值L及液位计与液位变化轴向的夹角θ，并计算出温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S，其液位测量值为L-S*cos(θ)；
其中，当测温光纤直线插入时，其温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S＝H-C，H为测温光纤插入液位计金属屏蔽管内的长度，C为为测温光纤温度阶跃点距离测温光纤顶端的距离；
当测温光纤螺旋盘绕时，其温度阶跃点距离液位计尾端的轴向距离S＝W*(H-C)*(W2+(2πR)2)-0.5，H为测温光纤插入液位计金属屏蔽管内的长度，W为测温光纤的盘绕螺距，R为测温光纤的盘绕半径。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |