CN114518151A - 一种容器液位的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种容器液位的检测装置和检测方法，包括加热器和温度传感器。加热器设置于所述容器内预设的监测位置，用于加热预设的所述监测位置的介质；温度传感器设置于所述容器内预设的所述监测位置，用于检测预设的所述监测位置的介质的温度变化，以判断预设的所述监测位置的液位。本申请公开的装置和方法操作简单，能够减少检测成本、经济性好。

Description

一种容器液位的检测装置及检测方法

技术领域

本申请涉及液位检测领域，尤其涉及一种容器液位检测装置及检测方法。

背景技术

在深冷领域，容器内液位的分辨率要求一般不高，可由离散测量满足，而对于离散测量的液位检测需求精度并不是十分严格，多数连续测量仪器设备可轻易满足。但若在极低温度下采用连续液位测量设备，则需要设备的各方面性能要求加强，可能增加安装工艺复杂性，导致投入成本提高。因此，对于特殊环境非稳定工况下的离散液位测量需要，需要开发相应的液位检测方法及装置，以更经济地满足测量需求。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种容器液位检测装置及检测方法，以解决特种环境下离散液位测量经济差问题。

为了达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请实施例一方面公开了一种容器液位检测装置及检测方法，包括：

加热器，设置于所述容器内预设的监测位置，用于加热预设的所述监测位置的介质；

温度传感器，设置于所述容器内预设的所述监测位置，用于检测预设的所述监测位置的介质的温度变化，以判断预设的所述监测位置的液位。

进一步地，所述检测装置还包括：

套管，设置在所述容器内，所述加热器和所述温度传感器均设置在所述套管内。

进一步地，所述套管数量为一个，多对所述加热器和所述温度传感器间隔设置在所述套管内，每对所述加热器和所述温度传感器的接线端由所述套管出口统一引出，以监测预设的不同所述监测位置的液位；或，

所述套管数量为多个，每个所述套管内设置一对所述加热器和所述温度传感器，以监测预设的不同所述监测位置的液位。

进一步地，所述检测装置还包括：

填充物，设置在所述套管内，以填充所述套管、所述加热器和所述温度传感器之间的间隙，用于绝缘导热。

本申请实施例另一方面公开了一种容器液位的检测方法，利用上述中任意一项的检测装置，所述检测方法包括：

将所述检测装置放入待测容器中；

确定所述检测装置检测所述容器液位的数据获取要求；

对预设的所述监测位置的所述加热器施加电热功率；

获取预设的所述监测位置的所述温度传感器测量的温度变化；

根据预设的所述监测位置的温度变化情况判断液相介质的位置。

进一步地，将所述检测装置放入待测容器中的步骤之前，所述检测方法还包括：

确定所述容器的空间尺寸及预设的所述监测位置的数量；

根据所述容器的空间尺寸及其待监测介质性质，选取适配的所述加热器和所述温度传感器；

根据所述监测位置的数量确定所述检测装置的布置方式。

进一步地，确定所述检测装置检测所述容器液位的数据获取要求的步骤，包括：

对所述容器的液位数据要求高的，采用对预设的所有所述监测位置同步加热同步检测方式；

对所述容器的液位数据要求低的，采用对预设的所有所述监测位置异步加热异步检测方式。

进一步地，所述异步加热异步检测方式包括：

按照预设方向对所述监测位置逐个位点加热检测温度变化；

确定上位点液位状态后，根据其液位检测结果，明确下位点液位检测的必要性；

若上位点检测后已足可明确液位位置，则停止后续位点检测加热动作，只保留液位所在两侧位点的加热状态，以供液位变动指示参考。

进一步地，对预设的所述监测位置的所述加热器施加电热功率的步骤，所述电热功率配置为：

施加所述电热功率后，所述检测装置位于液相介质处的温度变化在预设范围内，所述检测装置位于气相介质处的温度变化在所述预设范围外。

本申请实施例公开了一种容器液位检测装置及检测方法，通过加热器加热监测位置的介质，使用温度传感器检测监测位置的介质的温度变化，能够有效检测出液位所在区间，结构简单，检测成本低、经济性高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种容器液位的检测装置的结构示意图；

图2为套管数量为多个的检测装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种容器液位的检测方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种容器液位的检测方法的流程示意图。

附图标记说明

检测装置1；加热器11；温度传感器12；套管13；容器2；监测位置21；介质22。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

下面结合附图及具体实施例对本申请再做进一步详细的说明。本申请实施例中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含地包括至少一个特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

随着现代化生产技术的深入发展，液位测量需求遍布工业生产各个领域。目前，液位检测主要有离散测量和连续测量两种需求形式。离散测量主要用于对固定位置的液位进行监测，典型如上、下限指示；连续测量即覆盖全部可能液位路径的持续性测量。根据工作环境的不同，所采用的检测仪器也多种多样。目前已有多种成熟的液位检测方法，如压力法、电学法、超声波法、核辐射法、磁电法、光学法等等。随着自动控制技术和传感器技术的日益发展，液位检测方法及相应仪表在不断改进和更新，对于连续性高精度的液位测量需求适应效果越来越好。

在深冷领域，低温环境的建立和维持一般通过低温容器实现。就提供低温环境而言，容器内液位的分辨率要求一般并不高，可由离散测量满足。相较而言，离散测量的液位检测需求精度并不十分严格，其需求功能可为多数连续测量仪器设备轻易满足。但若采用可于极低温度下工作的连续液位测量设备“高能低就”，显然经济性不够。此外，某些应用场景可能存在沸腾、起泡工况，测量介质密度不稳定，测量液面可能是震荡的，液面扰动对于多数液位传感器会产生较大干扰，无法得到有效液位数据。因此，对于非稳定工况下的离散液位测量需求，有必要针对性地开发相应的液位检测方法及设备，以更经济地满足测量需求。

可以理解的是，这里的“高能低就”，经济性不够是指，一、在低温深冷环境领域，对液位检测的分辨率要求不高，也就是说连续性测量的必要性不强。二、与常规连续液位测量设备相比，工作处在极低温度环境下的连续性测量设备需要能够经受住低温考验，各方面的性能要求必要加强，投入成本会相对提高；另外，深冷介质存储及应用设备一般需要保温层维护深冷环境，部分甚至深埋地下，结构及应用场景复杂时，会涉及到复杂测量管路的接引及布置工作，会造成常规液位测量设备的安装成本超过仪器本身，操作性及经济性都较差。

一般而言，同种介质液相热容远高于气相热容，接收同样的热量，气相温度变化反馈速度迅速很多，幅值也相对显著。涉及相转化时，气液相受热温度变化差异更为显著。封闭系统内处于平衡的气液两相，同样受热，液相升温幅度远小于气相；对于非封闭系统内的介质而言，液相吸收热量往往伴随液-气相转化，原则上不会引起任何温度变化，而气相吸热升温则相对显著。

有鉴于此，本申请实施例一方面公开了一种容器液位的检测装置，请参阅图1，包括加热器11和温度传感器12。加热器11设置于容器2内预设的监测位置21，用于加热预设的监测位置21的介质22；温度传感器12设置于容器2内预设的监测位置21，用于检测预设的监测位置21的介质22的温度变化，以判断预设的监测位置21的液位。例如，可以将温度传感器12固定在加热器11表面上以形成离散液位检测的基本硬件，能够直接显示加热器11表面温度。

可以理解的是，这里所说的温度传感器12固定在加热器11表面，是想表达的是两者的相对位置较为接近，不能过远，也就是说，只要能够保持固定的前提下，温度传感器12和加热器11之间可以有微小距离，所以温度传感器12所测的温度既不需要是加热器11的真实温度，也不需要是待测介质22的真实温度，而是测的加热前后两者之间的温度变化，但这并不会影响检测结果。例如，对加热器11施加一定功率后，如果是待测介质22是气相，则温度传感器12所测温度急剧上升，变化显著；如果待测介质22是液相，则温度传感器12所测温度稳定，变化不显著，以此判断容器2内的液位所在处。

本申请实施例通过在监测位置21设置加热器11，加热监测位置21的介质22，采用温度传感器12检测监测位置21的介质22的温度变化，来判断监测位置21的液位，结构简单，监测成本低以及经济性好。

在一实施例中，检测装置1还包括套管13，套管13设置在容器2内，加热器11和温度传感器12均设置在套管13内，便于固定加热器11和温度传感器12在监测位置21上，使得检测液位时更加准确。

可以理解的是，采用套管13装载加热器11和温度传感器12，能够为加热器11和温度传感器12在容器2内的监测位置21上有更好的支撑。

可以理解的是，套管13和待测容器2尺寸相差较大，当套管13位于容器2内时，可以忽略套管13体积对容器2内液面上升的影响。图1中所示结构只是示意，不能理解为以此为比例来理解套管13与容器2的尺寸关系。

在一实施例中，请参阅图1，套管13数量为一个，多对加热器11和温度传感器12间隔设置在套管13内，每对加热器11和温度传感器12的接线端由套管13的出口统一引出，以监测预设的不同监测位置21的液位。例如，液位路径短而监测位置21相对密集时，可以将多对加热器11和温度传感器12设置在一个套管13内，其每对加热器11和温度传感器12的接线端可以从套管13内的一个接口引出来，可以减少导线的长度，布置相对方便。

可以理解的是，液位路径是指容器2内可能存在的液面位置的高度。

可以理解的是，套管13是一种绝缘、阻燃以及热导良好的管道，能够保证施加的电热功率有效地向容器2内的介质22传递，也能够快速将容器2内监测位置21附近的温度传回，以供温度传感器12测量。

在一实施例中，请参阅图2，套管13数量为多个，每个套管13内设置一对加热器11和温度传感器12，以监测预设的不同监测位置21的液位。例如，液位路径长而监测位置21相对稀疏时，可以在容器2的内壁上设置多根横向套管13，每一个套管13内单独封装一对加热器11和温度传感器12。

可以理解的是，当液位路径长监测位置12稀疏时，如采用单根套管13，则会导致套管13要设置很长，每对加热器11和温度传感器12之间的距离较大，导致之间的导线长度也要增加，成本加大；而过长的套管13可能涉及固定问题。采用在内壁上设置横向的套管13的原因是，容器2内可能存在其他装置，采用竖直安装时无法规避。

可以理解的是，套管13的安装方式并不限于横向安装，也可以是竖直于容器2的底部安装，还可以与容器2的内壁成一定角度安装，总之，只需将套管13内的加热器11和温度传感器12处于监测位置12即可。

在一实施例中，检测装置1还包括填充物，填充物设置在套管13内，以填充套管13、加热器11和温度传感器12，用于绝缘导热。例如，填充物可以填充在加热器11和温度传感器12之间的间隙、一对加热器11和温度传感器12与另一对加热器11和温度传感器12之间的间隙以及加热器11和温度传感器12与套管13之间的间隙，用于绝缘、阻燃和导热，防止烧坏仪器设备；还可以填充在套管13内其余空间，便于更好地固定加热器11和温度传感器12，防止从套管13内脱落。

本申请实施例另一方面提供了一种容器液位的检测方法，利用上述中的检测装置1，请参阅图3，检测方法包括：

S1、将检测装置1放入待测容器2中；

S2、确定检测装置1检测容器2液位的数据获取要求；

S3、对预设的监测位置21的加热器11施加电热功率；

S4、获取预设的监测位置21的温度传感器12测量的温度变化；

S5、根据预设的监测位置21的温度变化情况判断液相介质22的位置。

需要说明的是，本申请实施公开的容器液位检测方法在一些既需要检测液位又有加热需求的场景应用更具有优势，例如一部分类型的精馏塔再沸器，需要在一定产品液位时，加热液相产品产生压力驱动进行出料，而位于再沸器产品内的加热器11的加热量在辅助检测液位的同时，能将液相加热到气相，作为出料的增压驱动力。

本实施例通过将检测装置1放入待测容器2中，然后确定检测装置1检测容器2液位的数据获取要求，对预设的监测位置21的加热器11施加电热功率，获取预设的监测位置21的温度传感器12测量的温度变化，根据预设的监测位置21的温度变化情况判断液相介质22的位置，操作简单，检测成本低，经济性好。

在一实施例中，在上述S1步骤之前，检测方法还包括：

S01、确定容器2的空间尺寸及预设的监测位置21的数量；

S02、根据容器2的空间尺寸及其待监测介质22性质，选取适配的加热器11和温度传感器12；

S03、根据监测位置21的数量确定检测装置1的布置方式。

例如，加热器11的功率范围、材质及尺寸以及温度传感器12所测的温度范围和形式可以根据容器2的空间尺寸及监测介质22性质综合确定。

在一实施例中，上述S2步骤：确定检测装置1检测容器2液位的数据获取要求，包括：

S21、对容器2的液位数据要求高的，采用对预设的所有监测位置21同步加热同步检测方式；

S21’、对容器2的液位数据要求低的，采用对预设的所有监测位置21异步加热异步检测方式。

可以理解的是，这里所说的容器2的液位数据要求高和低是指，液位数据刷新率以及数据同步要求的严格性。液位数据刷新率较高，且数据同步要求严格的，采用同步加热同步检测方式，即可同步获取全部监测位置21的温度反馈及液位信息。液位数据刷新率及数据同步要求的严格性不高的，可采用异步加热异步检测方式，可按照监测顺序，依次获取每一个监测位置21的温度反馈及液位信息。

在一实施例中，上述S21’步骤中异步加热异步检测方式，包括：

S21’1、按照预设方向对监测位置21逐个位点加热检测温度变化；

S21’2、确定上位点液位状态后，根据其液位检测结果，明确下位点液位检测的必要性；

S21’3、若上位点检测后已足可以明确液位位置，则停止后续位点检测加热动作，只保留液位所在上下两位点的加热状态，以供液位变动指示参考。

例如，监测位置21可以为n个，按照监测顺序由下向上依次标记1,2,3，…，n，然后在每个监测位置21分别布置一对加热器11和温度传感器12，按竖直方位由下向上依次对加热器11施加电热功率，直至第x个监测位置21产生显著的温度变化，则监测介质22液面位于第x个监测位置21和第x-1个监测位置21之间。

同理，上述实施例可以采用监测顺序由上向下依次标记1,2,3，…n，然后在每个监测位置21分别布置一对加热器11和温度传感器12，按竖直方位由上向下依次对加热器11施加电热功率，直至第x个监测位置21的温度变化不明显，则监测介质22液面位于第x个监测位置21和第x-1个监测位置21之间。

本实施例采用的异步加热异步检测方式，采用依次加热依次检测，可较为精确地获取液面所在位置，在获取液面位置后，可停止之后加热动作，极大降低整体能耗，提高经济性。

在一实施例中，对预设监测位置21的加热器11施加电加热功率的步骤，电加热功率配置为：

施加电加热功率后，检测装置1位于液相介质22处的温度变化在预设范围内，检测装置1位于气相介质22处的温度变化在预设范围外。

可以理解的是，预设范围是指，介质22吸收热量前后温度的变化区间。例如，电加热功率加热后，检测位点若为气相介质则产生明显温度变化，温度变化超过预设范围，若为液相介质则温度变化在预设范围内，而不致使液体局部沸腾。

本申请实施例通过加热器11施加电功率，可显著弱化液面震荡对检测结果的干扰，提高测量数据的有效性，以及是通过检测介质22的温度变化，对介质22适应性强、检测量程不受限制，便于现场和远传显示与控制，高效、便捷。

下面将对本申请实施例提供的一种容器2液位的检测方法进行示例性说明，请参阅图4；

S01、确定容器2的空间尺寸及预设的监测位置21的数量；

S02、根据所述容器2的空间尺寸及其待监测介质22性质，选取适配的加热器11和温度传感器12；

S03、根据所述监测位置21的数量确定所述检测装置1的布置方式；

S1、将所述检测装置1放入待测所述容器2中；

S2、确定检测装置1检测容器2液位的数据获取要求；

S3、对预设的所述监测位置21的加热器11施加电热功率；

S4、获取预设的所述监测位置21的所述温度传感器12测量的温度变化；

S5、根据预设的所述监测位置21的温度变化情况判断液相介质22的位置。

例如，以检测80K/10bar大型低温容器中液氮动态液位为例。容器内液氮处于不断汽化流出的状态，要求流出氮气压力恒定。检测需求为简单的三点液位监测，监测位点分别位于低温容器2的上、中、下三个位置，检测数据用作容器2内液氮的定量指示，主要用作液氮补充的指示信号，关联相关阀门开通/关闭动作，保证容器2内液氮位于合理液位。液位上下限动作可接受分钟级延迟时间。

由于液氮处于恒压下的相平衡状态，因此，加热液相将至其汽化补充气相，原则上不会引起任何温度变化。80K/10.0bar温度下，气相氮气热容

气相密度

根据氮气的热容及密度，选择百瓦级加热功率的电阻丝作为加热器11，热电阻型温度传感器作为温度传感器12。

将热电阻温度传感器固定在加热电阻丝轴向中部表面的适宜位置处。为方便布置，将组成后的热电阻温度传感器和加热电阻丝放入硬质套管13内，套管13与热电阻温度传感器和加热电阻丝之间的间隙通过绝缘、阻燃、热导良好的粉体作为填充物进行填充，以保证所施加的电热功率能够有效地向容器内介质22传递。

根据液位数据刷新率和数据同步要求的严格性，采用异步加热异步检测方式进行检测装置1的制作及布置。

根据三个监测位置21，确定每对热电阻温度传感器和加热电阻丝的布置间距。以此为依据，将三对热电阻温度传感器和加热电阻丝分段布置于同一套管13内，通过填充物将间隙填充固定后，将电阻丝和热电阻的接线端统一接于容器2顶部引出。上、中、下三个位点处对应的电热功率及温度信号分别为H3/T3、H2/T2和H1/T1。

由下向上，依次向检测装置1的加热电阻丝持续施加恒定电热功率。电热功率的施加原则：足以引起氮气内监测位置21产生明显温度变化，而不致液氮局部沸腾。由液/气相氮的热容及密度数据，确定施加电热功率为100W。

(1)向位于容器2底部的加热器11施加恒定电热功率H1＝100W，检测对应温度信号T1的变化。若T1无显著变化，则该处处于液相中，液氮液位位于其上；若T1显著上升，则该处处于气相中，液氮液位位于其下。

(2)若T1无显著变化，则向位于容器2中部的加热器11施加恒定电热功率H2＝100W，检测对应温度信号T2的变化。若T2无显著变化，则该处处于液相中，液氮液面位于其上；若T2显著上升，则该处处于气相中，液氮液液面位于其下。

(3)若T2无显著变化，则向位于容器2上部的加热器11施加恒定电热功率H3＝100W，监测对应温度信号T3的变化。若T3无显著变化，则该处处于液相中，液氮液面位于其上；若T3显著上升，则该处处于气相中，液氮液面位于其下。

由(1)(2)(3)可确定上、中、下三个液位监测位置21的介质22状态，进而确定容器2内液位大致位置。通过比对检测温度值，温度的突变点即为容器2中介质22的液位所在区间。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种容器液位的检测装置，其特征在于，包括：

加热器，设置于所述容器内预设的监测位置，用于加热预设的所述监测位置的介质；

温度传感器，设置于所述容器内预设的所述监测位置，用于检测预设的所述监测位置的介质的温度变化，以判断预设的所述监测位置的液位。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：

套管，设置在所述容器内，所述加热器和所述温度传感器均设置在所述套管内。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述套管数量为一个，多对所述加热器和所述温度传感器间隔设置在所述套管内，每对所述加热器和所述温度传感器的接线端由所述套管出口统一引出，以监测预设的不同所述监测位置的液位；或，

所述套管数量为多个，每个所述套管内设置一对所述加热器和所述温度传感器，以监测预设的不同所述监测位置的液位。

4.根据权利要求2或3所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：

填充物，设置在所述套管内，以填充所述套管、所述加热器和所述温度传感器之间的间隙，用于绝缘导热。

5.一种容器液位的检测方法，其特征在于，利用权利要求1～4中任意一项所述的检测装置，所述检测方法包括：

将所述检测装置放入待测容器中；

确定所述检测装置检测所述容器液位的数据获取要求；

对预设的所述监测位置的所述加热器施加电热功率；

获取预设的所述监测位置的所述温度传感器测量的温度变化；

根据预设的所述监测位置的温度变化情况判断液相介质的位置。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，将所述检测装置放入待测容器中的步骤之前，所述检测方法还包括：

确定所述容器的空间尺寸及预设的所述监测位置的数量；

根据所述容器的空间尺寸及其待监测介质性质，选取适配的所述加热器和所述温度传感器；

根据所述监测位置的数量确定所述检测装置的布置方式。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，确定所述检测装置检测所述容器液位的数据获取要求的步骤，包括：

对所述容器的液位数据要求高的，采用对预设的所有所述监测位置同步加热同步检测方式；

对所述容器的液位数据要求低的，采用对预设的所有所述监测位置异步加热异步检测方式。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述异步加热异步检测方式包括：

按照预设方向对所述监测位置逐个位点加热检测温度变化；

确定上位点液位状态后，根据其液位检测结果，明确下位点液位检测的必要性；

若上位点检测后已足可明确液位位置，则停止后续位点检测加热动作，只保留液位所在两侧位点的加热状态，以供液位变动指示参考。

9.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，对预设的所述监测位置的所述加热器施加电热功率的步骤，所述电热功率配置为：

施加所述电热功率后，所述检测装置位于液相介质处的温度变化在预设范围内，所述检测装置位于气相介质处的温度变化在所述预设范围外。

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