鎧裝旁熱式熱電偶水位傳感器的實(shí)驗(yàn)研究

摘要:介紹了水位監(jiān)測(cè)用鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器的測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和水位淹沒(méi)與脫離傳感器敏感部位時(shí)的差分熱電偶的溫差輸出波形。實(shí)驗(yàn)表明應(yīng)用閾值或溫差變化的斜率來(lái)判別水位的方法能有效地縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間和增加測(cè)量的可靠性。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器完全適用于水位及其他液位監(jiān)測(cè)尤其適用于核場(chǎng)高可靠性要求的場(chǎng)合。
0引言
　　水位監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域例如發(fā)電廠鍋爐內(nèi)水位和水池內(nèi)水位的監(jiān)測(cè)核電站壓力殼內(nèi)水位的監(jiān)測(cè)等;也廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ铑I(lǐng)域,例如供水塔/池內(nèi)水位的監(jiān)測(cè)等。
　　水位監(jiān)測(cè)方法很多,例如,直讀式玻璃管水位計(jì)、浮力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、電導(dǎo)式水位計(jì)、電容和電感式水位計(jì)、差壓式水位計(jì)等。基于熱效應(yīng)的水位計(jì)是新興的水位監(jiān)測(cè)傳感器廣泛應(yīng)用于高可靠性要求的場(chǎng)合尤其是壓水堆核電站。例如在美國(guó)三里島核事故之前壓水堆核電站中用穩(wěn)壓器中的水位來(lái)監(jiān)測(cè)壓水堆-回路冷卻劑的總量核事故發(fā)生后證明這是一-種不可靠的方法。壓水堆一回路冷卻劑的總量的監(jiān)測(cè)需要一種直接測(cè)量反應(yīng)堆壓力殼內(nèi)水位的方法而且要不同于、且獨(dú)立于穩(wěn)壓器內(nèi)水位測(cè)量的方法熱效應(yīng)水位計(jì)是一種適用的監(jiān)測(cè)傳感器。
這幾年來(lái),國(guó)內(nèi)相繼有幾家研究單位在研究與開(kāi)發(fā)基于熱效應(yīng)的水位測(cè)量用傳感器。經(jīng)過(guò)近兩年的努力成功地制造了幾種結(jié)構(gòu)的鎧裝旁熱式熱電偶水位傳感器并在常溫常壓水/空氣環(huán)境中,完成了實(shí)驗(yàn)研究。
1鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理
1.1傳感器的結(jié)構(gòu)
　　所謂的鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器就是在同一鎧裝套管內(nèi)(鎧裝套管外徑為4mm左右)用MgO/A2O3作絕緣材料將2支熱電偶沿軸向相隔一定距離布置其中一支熱電偶的結(jié)點(diǎn)采用電加熱絲加熱(稱(chēng)作熱端加熱:)另-支熱電偶的結(jié)點(diǎn)不加熱(稱(chēng)作不加熱熱電偶)，作為參考溫度點(diǎn),這種結(jié)構(gòu)可稱(chēng)作一體化結(jié)構(gòu)。第二種結(jié)構(gòu)是用作參考溫度點(diǎn)的熱電偶是一支獨(dú)立的鎧裝熱電偶單獨(dú)布置。第三種結(jié)構(gòu)是加熱段外帶導(dǎo)熱套的傳感器,目的是為了增大傳感器敏感區(qū)的比值(表面積/質(zhì)量)以提高傳感器的靈敏度。傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。這種熱效應(yīng)液位傳感器中的熱端加熱的熱電偶是敏感部位。圖中a、b結(jié)構(gòu)的傳感器的制造與鎧裝熱電偶一樣即將MgO/Al203絕緣瓷柱、電加熱絲、熱電偶絲組合在不銹鋼套管內(nèi)經(jīng)多次整體拉制縮徑而成以確保其完整性和質(zhì)量的穩(wěn)定性。上述結(jié)構(gòu)的傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)在加熱熱電偶區(qū)域的外表面處裝有防水濺的護(hù)套，以防止水濺到表面而造成假信號(hào)同時(shí)也起到阻斷表面液膜作用以提高響應(yīng)速度。

1.2傳感器的測(cè)量原理
　　由水和水蒸汽或空氣的物性參數(shù)可知水的換熱系數(shù)同水蒸汽(空氣)的換熱系數(shù)存在著明顯的差別,當(dāng)傳感器的敏感部位處在水中熱端加熱的熱電偶測(cè)得的溫度低;處在汽(氣)體中熱電偶測(cè)得的溫度高。一般情況下將熱端加熱熱電偶和不加熱熱電偶(參考溫度點(diǎn))連接成差分熱電偶采用溫差輸出值來(lái)判定液位。也就是差分熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)為高電位表明熱接點(diǎn)處于水蒸汽(空氣)中;如果為低電位則加熱接點(diǎn)處于液體/水中。這種熱端加熱式熱電偶液位傳感器可以是單點(diǎn)(支)的也可以組成多點(diǎn)(支)的。如果沿水位高度布置若千個(gè)單支傳感器便可測(cè)量出水位的不同高度了,這叫做組合式熱端加熱式熱電偶液位傳感器。圖2所示的是由5根加熱式熱電偶傳感器組成的組件的示意圖。左側(cè)2根傳感器差分熱電偶輸出低電平右側(cè)3根輸出高電平,表明水位在右側(cè)第3根與第4根之間即E2和E3之間。

　　上述的3種結(jié)構(gòu)形式的鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器中--體化結(jié)構(gòu)的傳感器(圖1中a和c),由于參考溫度點(diǎn)與敏感部位相距近敏感區(qū)域小適用于壓力容器內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)不均勻的場(chǎng)合;另--種結(jié)構(gòu)傳感器(圖1b),由于參考溫度點(diǎn)可能遠(yuǎn)離敏感部位(可以與幾支熱端加熱式熱電偶液位傳感器合用)適用于溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均勻的場(chǎng)合。
1.3傳感器的傳熱分析
1)傳感器在介質(zhì)中的溫度分布
　　如圖3a所示的傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的敏感部位為一小段圓柱體,內(nèi)有加熱絲忽略其軸向?qū)?根據(jù)傳熱學(xué)原理有:

　　式中:λ1、λ2和λ3分別為MgO、不銹鋼和介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)ɑ為放熱系數(shù),q為加熱絲加熱功率線密度，Nu為努謝爾特?cái)?shù),Cr為葛拉曉夫數(shù)Pr為普朗特?cái)?shù)。
　　為簡(jiǎn)化問(wèn)題,由于Mg0導(dǎo)熱性能良好不銹鋼管很薄圖3b所示的溫度分布中,將不銹鋼壁和MgO的導(dǎo)熱系數(shù)均按Mg0的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)考慮的。傳感器在水/汽(氣)介質(zhì)中的溫度分布表明在不同介質(zhì)中熱端加熱熱電偶測(cè)得的溫度差是很大的。實(shí)際上,由于MgO導(dǎo)熱性能良好,傳感器外壁溫度與加熱熱電偶測(cè)得的溫度相差不大。

　　實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于傳感器而言,由于遠(yuǎn)不能算作無(wú)限長(zhǎng)細(xì)桿其軸向?qū)崾遣荒芎雎缘摹Ａ硗膺m用的換熱經(jīng)驗(yàn)公式的選取也十分困難所以，上述理論計(jì)算只能作為設(shè)計(jì)參考。
2)傳感器的響應(yīng)時(shí)間分析
　　傳感器的響應(yīng)時(shí)間定義為:當(dāng)液位階躍上升淹沒(méi)傳感器的敏感部位或階躍下降脫離敏感部位時(shí)取穩(wěn)定終值的0.623時(shí)所對(duì)應(yīng)的變化時(shí)間;或取傳感器的溫度上升或下降到某-給定閾值時(shí)所需的時(shí)間。
當(dāng)液位.上升時(shí),由于液體良好的傳熱性能所以傳感器反應(yīng)靈敏,當(dāng)液位下降時(shí),由于氣體傳熱性能差所以反應(yīng)較慢。對(duì)于核電站壓力容器內(nèi)液位最;關(guān)心的是液位下降時(shí)的時(shí)間響應(yīng),所以重點(diǎn)分析液位下降時(shí)的傳感器響應(yīng)時(shí)間。
　　由于MgO導(dǎo)熱性能良好不銹鋼管很薄,它們的溫度降不大為簡(jiǎn)化問(wèn)題令加熱熱電偶測(cè)得的溫度就是傳感器敏感區(qū)的溫度。
設(shè)傳感器的平均質(zhì)量和比熱為m和c,表面積為F。設(shè)液位下降時(shí)傳感器的溫度由液位開(kāi)始下降時(shí)的液體溫度T0(假定液/汽(氣)平衡溫度為液體溫度T0).上升到在汽(氣)中的T0+△T令時(shí)間1由0開(kāi)始增加到dr的時(shí)間內(nèi)傳感器的溫度上升了dT根據(jù)能量平衡原理傳感器吸收的熱量等于加熱絲發(fā)出的熱量減去介質(zhì)的散熱量則有:

　　上式表明,對(duì)于--定的傳感器和環(huán)境狀態(tài)當(dāng)△T取定時(shí),加熱功率Q增加則響應(yīng)時(shí)間l減小。顯然，也可以通過(guò)改變△T值來(lái)改變響應(yīng)時(shí)間1?！鱐可稱(chēng)作閾值。
3)傳感器溫度/溫差輸出波形分析與液位判斷從上述測(cè)量原理可以看出熱效應(yīng)液位傳感器的本質(zhì)是借助于溫度1溫差的測(cè)量來(lái)判斷液位的,它的最大優(yōu)勢(shì)在于:容易選用K型熱電偶和鎳鉻加熱絲以適用于核反應(yīng)堆核電站壓力容器內(nèi)液位測(cè)量的輻照環(huán)境其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,使用壽命長(zhǎng)信號(hào)幅度大便于遠(yuǎn)傳等。它的主要缺點(diǎn)是,由于傳熱易受環(huán)境溫度和流體流動(dòng)的影響使用時(shí)必須要考慮應(yīng)用環(huán)境狀態(tài);另-個(gè)缺點(diǎn)是由于熱慣性使響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)不適用于液位快速變化的場(chǎng)合。.
　　下面結(jié)合傳熱學(xué)原理給出一個(gè)典型工況的傳感器的溫度/溫差輸出波形特性分析液位上升逐漸浸沒(méi)傳感器與液位下降逐漸裸露傳感器時(shí)的溫度波形有助于液位判斷和判斷閾值的選取。
一般情況下液位上升時(shí),T加熱熱偶領(lǐng)先T不加熱熱偶冷卻至水溫經(jīng)分析,可以得到傳感器的溫度/溫差輸出波形如圖4所示。

　　由于存在軸向?qū)峒訜峤z的高溫會(huì)使不加熱熱電偶處的溫度也升高,所以,當(dāng)水位緩慢.上升時(shí),水首先浸沒(méi)加熱熱電偶加熱熱電偶處的溫度先于不加熱熱電偶處的溫度到達(dá)水溫,因此溫差變化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。
4)液位判斷和判斷閾值的選取
　　以圖5(液位上升/下降時(shí),T不加熱熱偶恒等于水溫傳感器的溫度/溫差輸出波形)為例液位判斷方法有兩種:一種叫閾值判斷法即輸出的溫差值低于閾值表明傳感器敏感部位處在液體中;另一種方法是溫差變化斜率(△T/△t)判斷法,當(dāng)液位在.上升/下降發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)溫差響應(yīng)曲線的斜率發(fā)生變化理論上講斜率為零時(shí)表明液位已淹沒(méi)或已脫離傳感器的敏感部位。當(dāng)溫差曲線的斜率由零-負(fù)值-→零時(shí)液位開(kāi)始浸沒(méi)傳感器的敏感部位->淹沒(méi)傳感器,當(dāng)溫差曲線的斜率由零-→正值-+零時(shí)液位開(kāi)始離開(kāi)傳感器的敏感部位-→脫離傳感器。這種趨勢(shì)性判斷有助于在復(fù)雜的環(huán)境中結(jié)合閾值可以更可靠地判斷液位的位置。應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù),便能非常方便、可靠地判斷液位的位置。對(duì)于別的幾種溫差波形圖液位判斷的方法與此相同。

2鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器的實(shí)驗(yàn)研究
　　這里只討論溫度/溫差響應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究。
2.1傳感器響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)
　　任何一種傳感器其響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)是否具有實(shí)用價(jià)值的重要指標(biāo)。鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器,由于它是借助溫度變化來(lái)測(cè)量液位的熱慣性大它的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)所以其應(yīng)用場(chǎng)合受到一些限制。鎧裝旁熱式熱電偶液位傳感器的響應(yīng)時(shí)間是指溫度/溫差響應(yīng)液位變化的快慢。針對(duì)液位上升和下降,它有液位上升響應(yīng)時(shí)間和下降響應(yīng)時(shí)間而且液位下降響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于上升響應(yīng)時(shí)間。
2.1.1實(shí)驗(yàn)裝置
　　如圖6所示,直流電源用來(lái)給傳感器的加熱絲供電溫度計(jì)和毫伏表測(cè)量加熱熱電偶和不加熱熱電偶的溫度和溫差秒表記錄時(shí)間。

2.1.2實(shí)驗(yàn)方法和步驟
1)常溫常壓環(huán)境中液位上升時(shí),傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)
(1)實(shí)驗(yàn)步驟
①傳感器通電加熱(恒流);
②等待傳感器在空氣中溫度穩(wěn)定;
③溫度穩(wěn)定后模擬階躍輸入將傳感器敏感部位快速插入一定水深;
④每隔△t時(shí)間記錄差分熱電偶輸出值。
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖7是0#傳感器快速插入不同水深時(shí)的差分熱電偶輸出值。

　　當(dāng)水深≥3.5cm時(shí),水己淹沒(méi)傳感器的敏感區(qū)傳感器的溫差快速降到水溫。.上述實(shí)驗(yàn)表明液位.上升時(shí)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(T0.632)約為幾秒鐘。
2)常溫常壓環(huán)境中液位下降時(shí),傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)
(1)實(shí)驗(yàn)步驟
①傳感器通電加熱(恒流);
②將傳感器插入-定水深等待傳感器在水中:溫度穩(wěn)定;.
③溫度穩(wěn)定后模擬階躍輸入將傳感器敏感部位快速抽出水面;.
④每隔△t時(shí)間,記錄差分熱電偶輸出值。
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖8是0#傳感器快速抽出水面時(shí)的差分熱電偶的輸出值。由于液位下降時(shí)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(T0.632)比較長(zhǎng)。

 
　　上述實(shí)驗(yàn)表明液位下降時(shí),由于空氣傳熱效果遠(yuǎn)差于水另外水位下降時(shí)傳感器表面帶水需要消耗-定熱量來(lái)蒸發(fā)水膜,所以傳感器的響應(yīng)時(shí)間(T0.632)遠(yuǎn)大于液位上升時(shí)的響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間約為幾十秒。
2.2水位.上升和下降時(shí)組合式傳感器的溫差響應(yīng)
　　為觀測(cè)組合式傳感器的溫差響應(yīng)將3只傳感器按軸向不同水位高度布置實(shí)驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行水位上升實(shí)驗(yàn)隨后做水位下降實(shí)驗(yàn)。
1)實(shí)驗(yàn)參數(shù)
①實(shí)驗(yàn)環(huán)境:常溫常壓空氣/水;
②環(huán)境溫度:29℃;
③加熱電流:0.60A(3只傳感器加熱絲串聯(lián));
④傳感器:4#6#7#
2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖9是3只傳感器隨水位上升和下降時(shí)的溫差響應(yīng)曲線水位.上升時(shí)的溫差的負(fù)值是由于加熱熱電偶的溫度領(lǐng)先不加熱熱電偶到達(dá)水溫。實(shí)驗(yàn)時(shí)由于很難做到水位上升和下降的速度-樣,所以圖中水位上升和水位下降時(shí)溫差響應(yīng)曲線長(zhǎng)度不一樣從圖中溫差響應(yīng)曲線可以看出實(shí)驗(yàn)時(shí)水位下降的速度要快些。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明在常溫常壓空氣/水環(huán)境中信號(hào)非常清晰完全符合理論分析。由于信噪比很大水位測(cè)量與判別非?？煽?。

3結(jié)論
　　根據(jù).上述所論液位傳感器的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可以得到如下結(jié)論:
1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠信噪比高信號(hào)可遠(yuǎn)傳。
2)適用于水位的監(jiān)測(cè)尤其適用于壓水堆核電站壓力容器內(nèi)液位的測(cè)量和其他高可靠性要求的場(chǎng)合。
3)在常溫常壓水/空氣環(huán)境中,當(dāng)水位上升浸沒(méi)傳感器時(shí)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(T0.632)約幾秒,當(dāng).水位下降脫離傳感器時(shí)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(To62)約幾十秒。
4)對(duì)于實(shí)驗(yàn)所用的傳感器如果人工設(shè)置判別水位閾值△T為10℃這樣水位上升時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為4s水位下降時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為20so。調(diào)節(jié)溫差閾值△T,可以改變傳感器的響應(yīng)時(shí)間。結(jié)合溫差變化的斜率可以有效提高測(cè)量的可靠性。
5)在保證加熱絲表面熱負(fù)荷不超過(guò)允許值情況下適當(dāng)增加加熱功率是有益的有利于提高靈敏度和改善水位下降時(shí)的響應(yīng)速度。