CN2589954Y - 低温液体液面计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低温液体液面计。它依次具有中空的导热管、两个法兰、板叠、声谐振管，板叠由两片固定金属垫片固定，声谐振管一端封闭，另一端与法兰连接，导热管一端与法兰连接，另一端开口。本实用新型是利用热声效应原理，通过声响来判断液面的位置，给操作带来一定的方便，并且它是根据导热管一旦离开低温液体的液面，就会发出声音，再一次插入液面后声音便马上消失机理，根据声音的发生和消失的临界点便可以精确的确定液面的高度。这种测量液面的方法，不仅克服了传统测量方法的低温液体会飞溅的危险性，同时又能高度精确的确定液面所在的位置。更重要的是，本实用新型结构简单、制作方便，无运动部件，无卡住失灵及动密封的困难，可以长期使用，液面高低也能及时跟踪，正确地反映出来。

Description

低温液体液面计

                            技术领域

本实用新型涉及一种低温液体液面计。

                            背景技术

在低温气体液化和气体分离领域，低温液面测量显得尤为重要。其中，一种是通过测量容器、储罐内的液面的高低来确定储存在容器内或储罐中液体的数量；另一种是通过测量液面参数，并控制该参数保持一定数值，以保证生产过程维持平衡。目前的低温液体液面测量仪有差压式液面计(汉普逊型低温液面计、电动和气动差压液面计)；电容液面计；浮标液面计；放射性液面计；超声波液面计；碳电阻液面计；还有利用金属或合金在低温下变为超导体的超导深度计等。但还没有利用热声效应原理制造的低温液体液面计。而且综合而言，以上几种液面计结构复杂、不易加工、造价高，给普通的生产活动带来了麻烦。通常低温液体测液面计采用导热系数较小的杆(如塑料杆等)插入低温液体储藏容器，然后迅速将其取出，通过杆在空气中的结霜长度来推算低温液体液面的高度。这种方法虽然简单，但具有一定的危险性。为了测量较为精确需将插入液体中的绝热杆迅速拔出，这样会导致低温液体溅出，并且由于导热系数再小的材料，也会有一定的导热性，加上低温液体与绝热杆的温差较大，导热速度就会明显加快，因而绝热杆上结霜位置实际并不是低温液体液面温度的位置。

                            发明内容

本实用新型的目的是提供一种低温液体液面计。

它依次具有中空的导热管、两个法兰、板叠、声谐振管，板叠由两片固定金属垫片固定，声谐振管一端封闭，另一端与法兰连接，导热管一端与法兰连接，另一端开口。

本实用新型是利用热声效应原理，通过声响来判断液面的位置，给操作带来一定的方便，并且它是根据导热管一旦离开低温液体的液面，就会发出声音，再一次插入液面后声音便马上消失机理，根据声音的发生和消失的临界点便可以精确的确定液面的高度。这种测量液面的方法，不仅克服了传统测量方法的低温液体会飞溅的危险性，同时又能高度精确的确定液面所在的位置。更重要的是，本实用新型结构简单、制作方便，无运动部件，无卡住失灵及动密封的困难，可以长期使用，液面高低也能及时跟踪，正确地反映出来。

                            附图说明

图1是低温液体液面计结构示意图；

图2是低温液体液面计板叠结构放大图。

                          具体实施方式

从理论上来讲，热声效应是指可压缩的具有热膨胀性的流体工质，与具有较大热容量和导热系数的固体工作介质之间，由于流体相对固体的声振荡和产生热相互作用，而导致的时均热力学能量效应。

对于一般驻波而言，声场中的温度波动只是由振动气团的绝热压缩与绝热膨胀引起，幅值极小，人们很难注意到。如果加入足够短的平板(第二介质)，由于第二介质和压力波的热接触导致热渗透深度内的流体产生一个沿着声传播方向的热流，在沿着平板方向会存在一个温度梯度，当这个温度梯度足以克服平板本身决定的临界温度梯度时，就会表现为热流从高温端流向低温端并将部分热量转换成声功输出。由此可见，要实现热驱动声振荡，其必要条件有两点：一是要有第二介质，二是要有足够的温度梯度。若发声，则另外需要有流动的气体。

驻波热声管内有驻波声场，它是一个垂直放置的一端封闭的直管，内置有塑料板叠(或者金属丝网)。板叠一般是由一簇玻璃管孔组成，可以起到增强热声效应的结果。根据Rayleigh准则，垂直放置的管在其中“一点冷却时，有对流穿堂风。基波声压在两端为节点，中心为腹点，质点速度正相反，两端为腹点而中心为节点，在声压达到极大以前的四分之一周期中，在上半截和下半截的质点速度都是流向中心。在下半截的质点速度与平均气流方向相同而加强，板叠从空气中的吸取热量增加。由于热量转移与声压之间有相当相位差，所以热量转移恰好有利于声压振荡，而形成驱动力。”可知，声压驱动既有赖于质点速度，又关系声压。对于基波而言，管内节点及腹点均不能驱动管内振荡。而节点至腹点之间，即在管口上四分之一管长处是最好的驱动点。此处即为板叠作用的最佳位置。一般热声板之间的间隔大约为两倍或多一些热附面层厚度(热穿透距离)。

本实用新型采用以下基本的热声部件来实现。这些部件各具有不同的功能。在低温液体液面计完成了热能传递，热能与声能的相互转化，运输等功能。这些基本的部件是：

1)导热管导热管是一个换热部件。在液面计刚插入低温液体时，它主要通过热传导、对流等方式与管内的气体进行热交换，使管内的气体尽可能的达到或接近管壁温。此外，它必须尽可能使管内的气体呈层流运动状态。导热管的结构可以采用导热性能良好的固体圆管状(如金属管)结构，也可以采用由导热性能好的小管径的金属管束构成。金属管或金属管束的管径没有严格的规定，一般按具体情况而定。导热管的固体介质应有良好的导热性，从而使得管壁上的温度尽可能地接近低温。液体的温度，管壁上的温度越低，管内气体的冷却速率越快，同时，也越接近低温液体温度，以使管内的气体尽可能接近等温状态。

2)热声板叠热声板叠是低温液体液面计最为关键的部件，是热声转换过程的发生地。板叠有平板型，多孔材料型，细管型(包括圆孔和方形)，丝网型和针棒型等多种结构。根据研究结果看来，针棒型板叠的效率最高，而平板型次之，然而针棒结构虽有着较高的板叠效率，但其制作工艺复杂，一般很难得到实际上的应用。平板型板叠制作方便，并且具有较高的效率。不过，平板型板叠要求加工精度较高。通常采用近似平板型的螺旋卷筒状结构。由于在制作和安装方面的方便性，丝网型和多孔材料型热声板叠获得了越来越多的应用。常用的板叠材料也多种多样，总的选材原则是有利于板叠中温度梯度的建立。若选择丝网型或多孔材料的话，一般选择不锈铜、黄铜等导热性能较好的材料，这样由于丝网或多孔材料之间的接触热阻较大，而金属材料本身的导热性能较好，使得制成后的板叠轴向导热能力差，而径向导热能力较强。不但有利于板叠中温度梯度的建立，而且，有利于热声转化效率的提高；其他型式的板叠，为了获得较为有利热声转化的温度梯度，一般使用导热性能差的材料，如塑料、陶瓷、树脂等。

从热声学的基本原理可以看到，热声效应只发生于距平板大约一个热渗透深度范围内，若板叠间距取得过大，必然有一部分面积不参与热声泵热，影响板叠的效率。若板叠间距取得过小，则粘滞损失会增加，对比存在多种不同的看法，有的建议间距取2～4倍的热渗透深度值( ${\mathrm{\δ}}_k=\sqrt{2K/{\mathrm{\ω\ρ}}_m\mathrm{Cp}}$ 为气体的热渗透深度，其中K为气体的热导率，Cp为定压比热容，ω为角频率，ρ_m为平均密度)。有的则认为热声板叠间距为2.5～5倍热渗透深度值更符合线形热声理论的假设。综合来看，2～5倍热渗透深度是板叠间距地一个比较合适的值。除此之外，热声板叠的另一个重要的结构尺寸是板叠长度。在冷热端温度一定的情况下，板叠的长度直接影响着板叠两端的温度梯度。若板叠长度太短，则热声效应赖以存在的气-固界面面积太小，而当板叠太长，也会造成沿板叠长度上的温度梯度减少，转换效率降低。此外，板叠的长度还会影响相位之间的关系。因而会存在一个最佳板叠长度。但由于测液面计不存在效率转化问题。因而只要满足能在板叠中温度梯度超过发声所需要的临界梯度即可。

3)谐振管谐振管是一段外壁面与外界导热良好的固体管道。它有两个主要作用，第一个作用是通过管道的长度在系统中的匹配，在整个系统中产生半波谐振或近谐振声场。热声谐振管的两端声导率比最好跨越高声导率比和低声导率比的区域。第二个作用，它应该具有良好的导热性能。这样，能使谐振管起到高温端换热器作用，以便使管内的气体处于或接近常温状态。此外，它还起到用于连接处于同样温区的两端以形成声波的反馈调节回路，或用于调节系统的固有频率，谐振管的截面形状可以多种多样。但其声流道当量尺度应大于或远大于当地流体的热渗透深度，以避免由于固体热传导和热声效应产生从高温端到低温端的热流损失，但也不能太大以使整个系统的空容积太大，能量密度太低。谐振管沿纵向方向可采用直管，也可以采用从低温端向高温端扩张的变截面管。如喇叭形连续扩张，或梯形阶梯式扩张。谐振管的外壁面应与外界尽量充分热接触，以使管内的气体达到常温状态，这样会有利于热声板叠中的温度梯度的建立与维持。谐振管的开口端可设置(也可不设置)层流化元件，使谐振管内的流动尽量接近于层流，降低或消除紊流混和损失。

本实用新型所指的低温液体液面计是由以上几个基本的声学和热声部件构成。这几种部件不同的选择和组合，可以形成不同结构特点的低温液面测量计。在这里所指的不同的选择和组合，都需要满足这样的条件，即一个低温液体液面测量计至少包括以上几种基本部件。在导热管端，导热管从低温液体液面吸收冷量，从而使导热管的壁温接近或达到低温液体的温度。通过管壁与气体间的热传导，对流甚至辐射等方式将管内的气体也冷却到接近低温液体的温度。低温气体在板叠形成一定的温度梯度，当板叠中的温度梯度大于热声效应产生所需的临界梯度时，开始有一部分热能转化为声能，此时如果管中的气流流动，就会发出声扰动。声扰动在谐振管中协调成一固定的声振频率，并且反馈迅速放大，此时就会发出声音。其中管中气体流动与否是决定能否发出声音的一个重要条件。低温液体液面测量仪插入液面时，导热管中的气流除了对流等无规则的流动外，几乎不产生其他层流流动。因而不能发声。而导热管离开液体时，由于外界的气体涌入管内，因而即刻发声，就是通过发声与否得临界点来精确的确定液面的高度。

采用上述的设计，可以非常精确的确定低温液体液面的位置，并且本实用新型结构简单、操作也较为简便，它不但克服了传统确定低温液体液面位置方法的危险性，和不准确性，而且可以广泛的应用到不同的场合。

低温液体液面计依次具有中空的导热管1、两个法兰4、板叠2、声谐振管3，板叠由两片固定金属垫片7固定，声谐振管3一端封闭，另一端与法兰连接，导热管1一端与法兰连接，另一端开口。

所说的导热管1和声谐振管3的材料为银、紫铜、铝，导热管的外径为15～100mm，壁厚为1.5～15mm，长为144mm～14.4m。声谐振管外径15～100mm，壁厚1.5～15mm，长度为131mm～13.1m。

板叠2的形状为平板型、多孔材料型、列管型、丝网型和针棒型，板叠上的小孔孔径为热渗透深度的2～5倍，丝网型板叠，采用不锈钢，黄铜；平板型、多孔材料型板叠，采用塑料、树脂、陶瓷；板叠直径为30～150mm，厚度为16～55mm，在板叠上同心均匀设有直径为1.5～5mm的小孔223～500个。

金属垫片7的材料选择银、紫铜、铝，它的大小和形状与板叠一致。

两法兰采用螺栓、螺母5连接，螺母上设有塑料垫圈6，垫圈采用氟塑料。

本实用新型的低温液体液面计使用说明：

将该低温液体液面计缓缓插入储存低温液体的大储罐中，管身垂直向下，导热管1开口端深入低温液体液面以下，另一段声谐振管3握在手中，保持常温。维持一段时间后，会发现管身有强烈振感，垂直提升管身，直到发出“嗡……”的声响。此时通过外界参照标尺记下所处位置，再与液面计尺寸比较，即可确定低温液体液面所在的位置。

本实用新型的低温液体液面计工作原理如下：

低温液体将测液面计导热管冷却，而另一端的声谐振管处在常温下，这样低温空气就在板叠中建立起一定的温度梯度，当这个温度梯度达到或超过临界温度梯度时，就会有一部分热能转化为声能。另外，一定温度的低温气体与固体介质作用发声仍需要一个额外条件：热声管中的气流必须流动。如果管内的气体完全静止，则不会发出声音。本低温液体液面计就是利用这一原理来准确测定低温液体液面高度。测液面计的管口置于低温液体中时，由于低温液体堵塞管口。虽然能形成一定的温度梯度，但由于管内气体不流动，因而不能发声。缓缓提升插在液体中的测液面计，当管口恰好露出液面时，管中的流体即刻发生流动。同时发出“嗡嗡”的声响。

Claims (5)

1、一种低温液体液面计，其特征在于：它依次具有中空的导热管(1)、两个法兰(4)、板叠(2)、声谐振管(3)，板叠由两片固定金属垫片(7)固定，声谐振管(3)一端封闭，另一端与法兰连接，导热管(1)一端与法兰连接，另一端开口。

2、根据权利要求1所述的一种低温液体液面计，其特征在于：所说的导热管(1)和声谐振管(3)的材料为银、紫铜、铝，导热管的外径为15～100mm，壁厚为1.5～15mm，长为144mm～14.4m，声谐振管外径15～100mm，壁厚1.5～15mm，长度为131mm～13.1m。

3、根据权利要求1所述的一种低温液体液面计，其特征在于：所说的板叠(2)的形状为平板型、多孔材料型、列管型、丝网型和针棒型，板叠上的小孔孔径为热渗透深度的2～5倍，丝网型板叠采用不锈钢、黄铜；平板型、多孔材料型板叠采用塑料、树脂、陶瓷。板叠直径为30～150mm，厚度为16～55mm，在板叠上同心均匀设有直径为1.5～5mm的小孔223～500个。

4、根据权利要求1所述的一种低温液体液面计，其特征在于：所说的金属垫片(7)的材料选择银、紫铜、铝，它的大小和形状与板叠一致。

5、根据权利要求1所述的一种低温液体液面计，其特征在于：所说的两法兰采用螺栓、螺母(5)固定，螺母上设有塑料垫圈(6)，垫圈采用氟塑料。

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