CN1831493A - 用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置，包括检测杆、变送器、电压比较电路、比较输出驱动电路和报警输出电路。检测杆由半导体材料砷铝化镓制成PN结传感器、保护管、刻度杆组成。传感器固定在一个标有刻度的环氧玻璃钢制成的刻度杆上；保护管的上面、下面和侧壁开有通液孔[3]。传感器与变送器电流输出端相连接，变送器的电压输出端与电压比较电路相连接，电压比较电路的输出与比较输出驱动电路相连接，对于需要设置为报警点的传感器，报警输出电路与电压比较的输出相连接。在可能感应出的电场情况下，在杜瓦补充液氮时液氮和氮气流动的情况下，在液氮飞溅起的情况下，本发明可准确的测量出高电压超导电力设备中液氮的液面位置。

Description

用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置

技术领域

本发明涉及一种指示液氮液位的测量装置，尤其是用于高电压超导电力设备上指示杜瓦中的液氮液位的测量装置。

背景技术

目前，测量液氮液位的方法主要有以下几种：1、差压(压力)式液位测量法，其原理是根据公式P＝(ρ_液-ρ_气)Hg×10^-3，将压差(压力)转化为被测液位的高度，通过压力传感器测量压差来确定液面的位置；2、电阻式测量法，它的传感器是一个电阻，由于液体和气体的导热系数不同，那么电阻传感器在液体和气体中的温度也不同，从而电阻在气液中的阻值不同，这样容器中的液面与电阻值之间存在着一个函数关系，通过桥路法可以准确的测量出电阻的阻值，进而确定液面的位置；3、静压式液位测量法，其原理是利用测量静压的方法来算出容器内的液位高度；4、浮子液位测量法，它是利用放在容器内的浮子的浮动来带动容器外的码带移动，然后用光电检测装置来测量码带的位移，进而测得液面的高度；5、电容及射频导纳液位测量法，它的传感器元件是一个由自身电极和参考电极构成的电容，电容随着液位的变化而变化，然后用交流电桥原理测量出电容值，根据电容值的不同来确定液面的位置；6、磁性液位测量法，它是利用磁性浮子的浮动，传感器导管不断发送磁脉冲信号来检测浮子位置进而检测液面位置；7、超声波液位检测法，它是利用压电陶瓷组成的超声波探头发出的超声波脉冲，遇到液面后反射并被探头接收，根据发射和接收的时间差来确定液面的位置的；8、雷达液位检测法，它是利用波导管发射低功率微波，微波遇到液面后反射被接收器接收，通过发射和接收的时间差来确定液面的位置。以上这8种方法在特定的场合中都可以测量出杜瓦中液氮液面的位置。但是在装有高电压超导电方设备的杜瓦中，由于杜瓦中的传感器上有可能会感应出一个电场，并且在设备补充液氮的时候，液氮和氮气会在杜瓦中流动，甚至液氮会向上溅起，在这些情况下，现有的测量方法就会有些缺陷。如方法1差压(压力)式液位测量法和方法3静压式液位测量法，往往需要把压力传感器放置在杜瓦的底部，如果在杜瓦中有高电压磁体，需要保持一定绝缘距离的情况下，就不适用。此外这两种测量方法易受到气体和液体流动所带来的影响。方法2电阻式测量法，其传感器选择是个关键，因为在装有液氮的杜瓦中，在液面以上一段距离，温度的梯度变化不是很明显，因此具体的液面位置不容易确定。方法4浮子液位测量法，要求浮子与联动装置要运动自如，这不利于杜瓦的密闭，并且在液面流动时，不容易准确定出液面位置。方法5电容及射频导纳液位测量法所用的传感器电容在电场中会受到感应电场的影响，进而影响到传感器输出信号的测量，影响到液面的确定。方法6磁性液位测量法，波导管发射的磁脉冲易受到杜瓦中磁体产生的磁场的影响，同时它也会影响到这个磁场。方法7超声波液位检测法中，超声波是变化的波束，仪表的存储数据，分析需要一定的时间，因此，当液面有流动，起伏的时候，就会出现液面不能确定的现象，同时，杜瓦中的氮气流动会对超声波有所影响，这种测量方法还需要杜瓦液面以上有足够大的空间而且光滑无障碍。方法8雷达液位检测法中，雷达产生的微波受环境的影响比较小，但是这种方法也需要杜瓦中液面以上有足够的空间，并且在天线与液面之间要求有一定的距离，也就是存在盲区。

发明内容

为了克服现有液面测量装置在高电压超导电力设备中使用的不足，本发明提供一种液面测量装置，该液面测量装置可以在高电压超导电力设备中使用，能够在可能感应出的电场情况下，在杜瓦补充液氮时液氮和氮气流动的情况下，在液氮飞溅起的情况下，准确的测量出高电压超导电力设备中液氮的液面位置。

本发明包括检测杆、变送器、电压比较电路、比较输出驱动电路和报警输出电路。检测杆由传感器、保护管、刻度杆组成。传感器采用半导体材料砷铝化镓(GaAlAs)制成PN结传感器。传感器与变送器电流输出端相连接，变送器的电压输出端与电压比较电路相连接，电压比较电路的输出与比较输出驱动电路相连接，对于需要设置为报警点的传感器，报警输出电路与电压比较的输出相连接。

传感器固定在一个标有刻度的环氧玻璃钢制成的刻度杆上。根据测量的精度要求确定需要安装的传感器个数，如，对测量精度要求在10mm，那么在刻度杆每隔10mm处安装一个传感器；如果对测量精度要求在1mm，那么在刻度杆每隔1mm处安装一个传感器。刻度杆放在一个由环氧玻璃钢制成的保护管中，保护管与刻度杆同轴心固定，保护管的上面、下面和侧壁开孔，在选择孔的位置时，应该考虑到以下两个因素：一是孔的位置要和安装传感器的位置尽可能错开，二是在保护管的单侧外壁上高度上对称的位置打孔。通过孔，保护管内与外面形成连通区域。补充液氮时，由于输液管上喷出的液氮会激起液氮飞溅，有了保护管就可以使得飞溅起的液氮不会直接与传感器相接触，而在保护管内的狭小区域内，外面液氮和氮气的流动对内部的波动影响很小，就能够达到既使液氮自由进入到保护管内与传感器相接触，又能够有效地避免补充液氮时液氮和氮气流动，液氮飞溅起所带来的误指示。

传感器与变送器相连接。变送器的电路包括电压比较器、分压电阻、PNP三极管、电流调节电阻、旁路电容、变送器上电指示灯。电压比较器、分压电阻、PNP三极管相连接产生恒定的电流，通过调节电流调节电阻的阻值来调节这个恒定电流的大小。变送器的电流输出端与传感器相连接。变送器的电压输出端与电压比较电路相连接。电压比较电路包括电压比较器和分压电阻。电压比较器有三个端口，正相输入端，反相输入端和输出端，分压电阻上产生一个固定的电压值，这个电压值作为参考电压与电压比较器的正相输入端相连，变送器传来的电压与反相输入端相连。电压比较电路的输出与比较输出驱动电路相连接，比较输出驱动电路包括NPN三极管、发光二极管、上拉电阻和三极管基极串联电阻。NPN三极管起开关的作用，用来控制发光二极管是否与地相连接，发光二极管用来指示是否传感器位于液氮中，上拉电阻和三极管基极串联电阻分别用来调整基极和集电极的电流。对于需要设置为报警点的传感器，报警输出电路与电压比较的输出相连接。报警输出电路包括NPN三极管、蜂鸣器、上拉电阻和三极管基极串联电阻。NPN三极管起开关的作用，用来控制蜂鸣器是否与地相连接，蜂鸣器用来指示需要报警的传感器是否位于液氮中，上拉电阻和三极管基极串联电阻分别用来调整基极和集电极的电流。在电压比较电路中调节分压电阻来设置参考电压，参考电压连接电压比较器的正相输入端，根据电压比较电路的输出来触发指示灯，根据指示灯所对应测量杆中传感器的位置即可确定液氮的液位高度。在实际工程运行中，可以设置测量杆上的两个传感器的位置为报警点，根据报警点的输出来确定杜瓦中应该输入多少液氮和应该何时输入液氮。如：根据工程运行要求，杜瓦中的液氮液面最低应高于磁体以上200mm，最高不超过上盖板下500mm。根据此工程要求，在磁体上200mm和上盖板下500mm这两个位置上安置传感器，从这两个传感器对应的电压比较电路中的电压比较器输出信号引出一个分支，接入报警输出电路的输入端。当液氮液位在磁体上200mm时，产生蜂鸣器报警提示，提示应补充液氮；当补充液氮至上盖板下500mm这个位置时，产生蜂鸣器报警提示，提示补充液氮到位，应停止补充。

由于本发明应用于高电压的设备，所以在杜瓦中安装传感器时，传感器要与带有高压的部件之间保持在安全距离之上。此外在杜瓦外面的控制、显示的仪表上安装有接地导线。然后通过高压测试之后，确保其安全可靠性。

本发明采用半导体材料砷铝化镓(GaAlAs)制成PN结传感器，其所依据的原理是：在小注入和突变结耗尽层近似相等的条件下，如果不考虑结区载流子的产生和复合并且假设在耗尽层两端载流子满足玻耳兹曼分布，可以导出砷铝化镓PN结的电压——电流(密度)方程 $J=J_S(e^{\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{kT}}}-1),$ 其中J为砷铝化镓PN结的电流密度，V为砷铝化镓PN结的电压，T为砷铝化镓PN结的温度，在这个方程中有3个变量J、V、T，当把J作为参数固定下来时，方程可以写成 $V=\frac{k}{q}[\ln \frac{J_0}{A}-(3+\frac{r}{2})\ln T]T+V_g,$ 其中A为一常量，在正常情况下，V＜V_g，所以 $\frac{k}{q}[\ln \frac{J_0}{A}-(3+\frac{r}{2})\ln T]<0,$ 即V将随着T升高而减小，而且因为有InT×T这一项使得V随着T变化而明显的变化。

在装有液氮的杜瓦中，液氮和液氮面以上的一段高度上存在着温度梯度变化，但是在液氮面上下的一小段高度范围内，温度梯度度变化不是很明显。因此如果采用电压V与温度T是线性关系(即V～kT)的传感器来测量，液面的位置就难以确定。本发明中的PN结传感器电压与温度的关系是(V～kInT×T)，因此即使小的温度梯度变化也会引起电压V一个大的变化，进而可以根据电压准确确定液氮的液面位置。

用半导体材料砷铝化镓(GaAlAs)制成PN结传感器可以单独加工制作，也可以有选择的使用带有这种PN结的高亮发光二极管来作为传感器。其选择的标准是，多个传感器性能的一致性和可重复性。这种砷铝化镓(GaAlAs)PN结传感器在35KV的电场中，200高斯的磁场中经过测量实验，能够抵御感生电场及磁场的影响所带来的测量干扰，准确地测量。

本发明可以在测量液氮液面的过程中，有效的抵制由于感生电场，液氮和氮气流动以及液氮飞溅所带来的测量干扰，准确的测量出杜瓦中液氮的液面位置。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明具体实施方式的刻度杆结构示意图，图中：1刻度，2传感器定位孔；

图3为本发明的保护管示意图，图中：3通液孔：

图4为本发明的变送器电路原理图；

图5为本发明的电压比较电路和比较输出驱动电路原理图，图中4电压比较电路，5比较输出驱动电路；

图6为本发明的报警输出电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括检测杆、变送器、电压比较电路、比较输出驱动电路和报警输出电路。检测杆由传感器、保护管、刻度杆组成。传感器与变送器电流输出端相连接，变送器的电压输出端与电压比较电路相连接，电压比较电路的输出与比较输出驱动电路相连接，对于需要设置为报警点的传感器，报警输出电路与电压比较的输出相连接。

图2为刻度杆结构示意图。如图2所示，刻度杆上标有表示杆高的刻度1，以最低点为零点，隔一定的刻度上打出定位孔2用于固定传感器，传感器的测量线从刻度杆内走线，在刻度杆的上端用密封插头把测量线接出。然后将刻度杆和保护管用螺栓同心固定。如图3所示，保护管的上面、下面和侧壁开有通液孔3。

通过密封插头用数据线引入到控制箱，把传感器与变送器的电流输出端相连接。

图4为本发明的变送器电路原理图，变送器的电路包括电压比较器LM124、分压电阻RH1和RL1、PNP三极管QS，QP1，QP2，QP3、电流调节电阻RS，RP1，RP2，RP3、旁路电容C1和C2、变送器上电指示灯LED。三极管QS，QP1，QP2，QP3的基极相连接后接在电压比较器LM124的输出。QS的集电极连接变送器上电指示灯LED和电流调节电阻RS，QS的发射极连接在比较器LM124的反相输入端。QP1的集电极为恒定电流输出端，QP1的发射极连接电流调节电阻RP1。QP2的集电极为恒定电流输出端，QP2的发射极连接电流调节电阻RP2。QP3的集电极为恒定电流输出端，QP3的发射极连接电流调节电阻RP3。电压比较器、分压电阻、PNP三极管相连接产生恒定的电流，通过调节电流调节电阻的阻值来调节这个恒定电流的大小。其中I₀₁，I₀₂，I₀₃为3路恒流源输出，I₀₁输出的电流值等于比值RSt1/RP1与RS中电流的乘积，I₀₂输出的电流值等于比值RSt1/RP2与RS中电流的乘积，I₀₃输出的电流值等于比值RSt1/RP3与RS中电流的乘积，通过调节RP1，RP2，RP3的电阻值就可以达到调节I₀₁，I₀₂，I₀₃的电流输出的效果，如果需要n路恒流源输出，在电源输出功率允许的情况下，只需要在后面的同路中并上RPn与QPn的串联电路。旁路电容C1和C2并联跨接在电源的高电位与地之间。RH1与RL1起到调节基极电流的作用。LED是电源指示灯，起上电指示的作用。如图4所示，第一个传感器的数据线两端分别与端口I₀₁和地端相连接，第二个传感器的数据线两端分别与端口I₀₂和地端相连接，第三个传感器的数据线两端分别与端口I₀₃和地端相连接，其它传感器的连接以此类推。变送器提供两方面的功能，其一为一个多路恒流源，为传感器提供一个电流信号；其二，变送器提供一个电压检测功能，变送器可以把传感器上的电压变化检测出来。电压比较器采用的是LM124，图4中的1、2、3、4表示芯片LM124的管脚号，A表示使用的电压比较器为芯片中的第一个电压比较器。

图5为一路传感器的电压比较电路和比较输出电路。如图5所示，4为电压比较电路，5为比较输出驱动电路。变送器的输出与电压比较电路相连接。电压比较电路包括电压比较器LM358和分压电阻RA11，RA12，RA13。电压比较器LM358有三个端口：正相输入端，反相输入端和输出端，分压电阻RA11，RA12，RA13产生一个固定的电压值，这个电压值作为参考电压与电压比较器LM358的正相输入端相连，变送器传来的电压与电压比较器LM358反相输入端相连。端口A1是与变送器连接的接口，变送器的一路输出与电压比较电路4中A1端和地端相连接，高电位通过RA11，RA12与RA13后在电压比较器LM358的正相输入端形成一个固定参照电压，当变送器的输出电压高于比较端的电压时，电压比较器LM358输出一个反相信号，触发比较输出驱动电路5中的指示灯Dflight动作。比较输出驱动电路包括NPN三极管、发光二极管Dflight、上拉电阻RA15和三极管基极串联电阻RA14。NPN三极管的基极与电阻RA14相连接，电阻RA14用来调节基极的电流，NPN三极管的集电极与RA15和指示灯Dflight相串联，RA15调节集电极电流，Dflight来指示是否传感器位于液氮中，当液位在传感器以下时，Dflight显示红色。图5所示的电压比较电路4和比较输出驱动电路5中只列出一相比较电路，其它路类同。对于需要连接报警电路的传感器，可以在它的电压比较器LM358输出电路中引出端口Au。电压比较器采用的是LM358，图4中的2、3、4、8表示芯片LM358的管脚号，A表示使用的电压比较器为芯片中的第一个电压比较器。

图6为报警输出电路，报警输出电路包括NPN三极管、蜂鸣器Beep、上拉电阻RHUp2和三极管基极串联电阻RHUp1。NPN三极管的基极与电阻RHUp1相连接，NPN三极管的集电极极与蜂鸣器、电阻RHUp2相串联。NPN三极管起开关的作用，用来控制蜂鸣器是否与地相连接，蜂鸣器用来指示需要报警的传感器是否位于液氮中，上拉电阻和三极管基极串联电阻分别用来调整基极和集电极的电流。其中Au接图5中的端口Au，RHUp1与RHUp2用来调节NPN三极管QHUp中的基极与集电极的电流，端口JPFUp接蜂鸣器Beep用来提示液氮液位到达报警的高度。

Claims (4)

1、一种用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置，其特征在于包括检测杆、变送器、电压比较电路、比较输出驱动电路和报警输出电路；检测杆由半导体材料砷铝化镓制成PN结传感器、保护管、刻度杆组成；传感器固定在一个标有刻度的环氧玻璃钢制成的刻度杆上，刻度杆上标有表示杆高的刻度[1]，以最低点为零点，隔一定的刻度打出定位孔[2]用于固定传感器，传感器的测量线从刻度杆内走线，在刻度杆的上端用密封插头把测量线接出；刻度杆和保护管用螺栓同心固定；保护管的上面、下面和侧壁开有通液孔[3]；传感器与变送器电流输出端相连接，变送器的电压输出端与电压比较电路相连接，电压比较电路的输出与比较输出驱动电路相连接，对于需要设置为报警点的传感器，报警输出电路与电压比较的输出相连接。

2、根据权利要求1所述的用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置，其特征在于所述的变送器包括电压比较器LM124、分压电阻RH1和RL1、PNP三极管QS，QP1，QP2，QP3、电流调节电阻RS，RP1，RP2，RP3、旁路电容C1和C2、变送器上电指示灯LED；三极管QS，QP1，QP2，QP3的基极相连接后接在电压比较器LM124的输出；QS的集电极连接变送器上电指示灯LED和电流调节电阻RS，QS的发射极连接在比较器LM124的反相输入端；QP1的集电极为恒定电流输出端，QP1的发射极连接电流调节电阻RP1；QP2的集电极为恒定电流输出端，QP2的发射极连接电流调节电阻RP2；QP3的集电极为恒定电流输出端，QP3的发射极连接电流调节电阻RP3；旁路电容C1和C2并联跨接在电源的高电位与地之间；第一个传感器的数据线两端分别与端口I01和地端相连接，第二个传感器的数据线两端分别与端口I02和地端相连接，第三个传感器的数据线两端分别与端口I03和地端相连接，其它传感器的连接以此类推。

3、根据权利要求1所述的用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置，其特征在于所述的电压比较电路[4]与变送器的输出相连接，电压比较电路[4]包括电压比较器LM358和分压电阻RA11，RA12，RA13；分压电阻RA11，RA12，RA13产生的固定的电压值作为参考电压，与电压比较器LM358的正相输入端相连，变送器传来的电压与电压比较器LM358反相输入端相连；变送器的一路输出与电压比较电路[4]中A1端和地端相连接，高电位通过RA11，RA12与RA13后在电压比较器LM358的正相输入端形成一个固定参照电压，当变送器的输出电压高于比较端的电压时，电压比较器LM358输出一个反相信号，触发比较输出驱动电路[5]中的指示灯Dflight动作；比较输出驱动电路[5]包括NPN三极管、发光二极管Dflight、上拉电阻RA15和三极管基极串联电阻RA14；NPN三极管的基极与电阻RA14相连接，NPN三极管的集电极与RA15和指示灯Dflight相串联。

4、根据权利要求1所述的用于高电压超导电力设备的液氮液位测量装置，其特征在于所述的报警输出电路包括NPN三极管、蜂鸣器Beep、上拉电阻RHUp2和三极管基极串联电阻RHUp1；NPN三极管的基极与电阻RHUp1相连接，NPN三极管的集电极与蜂鸣器、电阻RHUp2相串联。

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