专利名称：电加热元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种棒状的电加热元件，该加热元件包括外壳和嵌入外壳中的、可加 载电能的导线。
背景技术：
测量装置和液位探针尤其使用在核电站中，在这些装置中根据由加热的热电偶产 生的热电动势推断出在液体容器中的液位高度，因为这些装置相对于基于其它的测量原理 的测量装置对于放射性的辐射来说相比较而言并不敏感，并因此即使在有故障的情况时也 还能伴随着在一定条件下升高的辐射值可靠地工作。这样的测量装置尤其应用在压水反应 堆的反应堆压力容器中，以便在该处监测经过电厂设备的初级循环回路流动的、在燃烧件 (Brenne 1 emente)之上的冷却液的液位高度。测量原理充分利用了不同的热传导特性，这些热传导特性出现在热量从加热元件 一方面传导至包围住加热元件的液体冷却剂时并且另一方面传导至气体状或蒸气状的介 质时。只要加热元件被液体冷却介质包围着，那就使得由加热元件产生的热量迅速排出，从 而即使在其紧邻的周围环境中，温度也只位于那个可能在非加热情况下调节出现的周围环 境温度以上一点。现在如果例如在正常的反应堆运行期间或者也在反应堆有故障的情况下 出现了以下情况，即受运行的限制或者根据在初级循环回路中的压力损失，反应堆堆壳中 的液位降低到加热元件的高度之下，该加热元件因此被蒸气状的冷却剂包围，所以热传导 特性就变差了。这造成了在加热元件的周围环境中的温度升高，这可以通过毗邻于加热元 件安置的温度计或者温度探测器来证实。由于热电偶的可靠而坚固的工作原理，一般将其 用作温度探测器，热电偶提供一种基本上与温度成比例的热电动势。多个加热的热电偶通常以大多情况下有规律的间距相互布置在棒状的或管状的 支架上或者长形的测量管上，测量管浸入在需要对于其液位进行监测的液体中，而且在其 内部中也引导了为了给加热元件供电和为了传输信号至外部的分析单元所必需的供电线 和信号线。布置在不同高度的传感器或者测量位置因此可以实现数字的、空间分立地显示 容器中的液位高度，其中(局部的)分辨率取决于每个高度部段的热传感器的数量。这种 类型的测量装置例如在RU 2153712 Cl中公开了。除了作为初级信号发送器起作用的加热 的热电偶之外这里也还布置了多个在测量管的内部中的未加热的电热偶，这些热电偶提供 对应于各自的初级信号的参考信号。以这种方式可以在分析温度信息和由此推导求出液位 高度时也考虑到液体温度或周围环境温度的随时间的变化。如果没有一种这样的措施，则 例如液体温度的升高或降低可能错误地被示为液位高度的变化，或者通过液体的同时的温 度变化而“掩盖”液位高度的事实上的变化。确定尽可能精确的液位值取决于热电偶的测量精度，然而也取决于由加热元件提 供的温度的可再现性。已知的加热元件通常在施加的加热电流和尤其通过加热元件的整个 长度产生的温度之间没有精确的线性关系。
发明内容
本发明的目的是提出一种加热元件，该加热元件具有可以尽可能精确地确定的特 性，而且其具有在结构上的预定值的尽可能精确的可再现性。该目的根据本发明通过一种棒状的电加热元件来实现，该加热元件具有导电的外 壳和嵌入外壳中的电导线，该电导线具有至少两个分别具有不同的电特性和/或导热性的 导线部段。至少一个电导线与外壳热接触，优选地在棒状的加热元件的端部上，以便可以在 可加载加热电流的导线和外壳之间实现良好的导热。这种加热元件尤其可以应用在用于在 液体容器中、尤其是在核技术设备的反应堆堆壳中测量液位的装置中。至少两个分别具有 不同的电特性和/或热特性的金属的导线部段可以精确地确定热特性和电特性，并且尤其 是可以取决于周围环境温度，尤其是冷却介质的温度，精确地控制可传输至可与加热元件 耦合的热电偶上的热流。本发明的一种优选的设计方案提出，至少两个具有不同导热性的导线部段分别直 接相互邻接或依次紧随。以这种方式可以确保在加热元件和可与之耦合的热电偶之间的测 量地点或耦合位置的精确定位。视导线部段的种类及其分别至具有其它特性的其它导线部 段的距离而定可以选择耦合位置，以便获得所希望的测量精度。尤其可以获得加热元件的不同种类的导线部段的不同的热特性和/或电特性，其 方法是至少两个不同的导线部段分别具有金属的不同的材料成分。因此可以由具有降低的 导热性的金属制成加热元件的第一导线部段。该第一导线部段因此形成加热元件的所谓 的“冷部分”。例如镍或者主要是镍成分的镍合金适合用于获得第一导线部段的所希望的特 性。加热元件的这个所谓的冷部分因此可以显示出具有强信号变化的、相对较大的测量范 围。第一导线部段的电阻与温度有相对明显的相关性，在将镍应用于该第一导线部段时，当 温度为30°C时电阻值例如可以大约为10欧姆，而在温度为360°C时，电阻值可达大约50欧 姆。因为这种电阻的变化以近似线性的特性曲线地进行，因此可精确再现的测量值可取决 于冷却介质的温度或周围的介质的温度实现。优选的是，至少一个第二导线部段、加热元件的所谓的“热部分”由具有高导热性 的金属制成。尤其适合于此的是金属如镍铬(NiCr)。可以有选择地设有仅一个这样的第二 导线部段。但也可以在加热元件中设置多个“热部分”，它们例如由镍铬制成。所选的材料 必须具有尽可能高的热流，也就是说尽可能高的电阻。为了避免加热元件的线性的电阻通 过温度变化而部分地以在加热元件的“热部分”中起控制作用的温度为基础而改变，至少一 个第二导线部段的材料具有电阻与温度之间的尽可能小的温度关系。铬镍提供了这种所希 望的特性。加热元件还可以具有金属的外部的外壳、尤其是由不锈钢制成的外壳。该外壳用 于保证加热元件的介质阻抗(Medienresistenz)和较长的使用寿命。在该外部的外壳之 内，加热元件可以嵌入绝缘体中。尤其是矿物材料、例如氧化镁(MgO)适合于作为用于绝缘 体的材料。在液位指示器中使用根据本发明的加热元件时，加热元件的上面的部分放置在介 质或冷却水的上面的部段中。以这种方式可以利用加热元件的该上面的部段覆盖相对较大 的轴向的温度梯度。为了避开在检测介质温度时的测量精度，加热元件的这个部段具有一 种材料，该材料的电阻只是和温度略微相关。此外加热元件的该部段可以具有较大的直径，因此可以使加热元件的线性的电阻变化实现更加精确的可调整性，这是因为由此使得上面 的部段的量值与整个电阻变化相比减小了。本发明还包括一种用于在液体容器中、尤其是在核技术设备的反应堆堆壳中测量 液位的装置，该装置具有多个长形的、相互间隔开的测量管，其中每个测量管具有多个在纵 向方向上分布地布置的热电偶，而且其中至少一个热电偶具有根据前面所述实施方式中任 一种的加热元件。该装置尤其适用于监测液位并进而可以以有利的方式用作为核反应堆的 安全装置的组成部分。本发明因此也包括一种核技术设备，其具有这种用于监测液位的装 置，该装置具有至少一个根据前面所述实施变体中任一种的加热元件。当然也可考虑加热 元件的其它使用领域，其中重要的是所提供的测量值的精度。概况而言根据本发明实现了一种加热元件，其导电的导体(“加热丝”)具有至少两 个不同的区域也就是具有比较高的加热功率的“热”加热区，因此在运行期间在该范围中 为了进行测量在周围的冷却介质上进行局部的热传导；和(空间上与加热区域分离开的) 与之相比具有可忽略的加热功率的更冷的区域，该区域通过与周围的冷却介质的热接触基 本上具有在该部段中的冷却介质的温度。由于加热区域和非加热区域在空间上分离，因此 在非加热区域的范围中的周围的冷却介质的温度并不进一步由于加热区域的范围中的局 部的加热过程而受到影响或者失真(verfaelscht)。通过局部加热可以与布置在加热区域附近的温度探测器、尤其是与热电偶结合 地，利用测量技术来检测从加热元件到周围的冷却介质的热传导的质量，并因此推断出在 这个范围中(液体的或气体状的)冷却介质的物态。加热区域与对应的热电偶在一定程度 上一起构成了用于热传导测量且进而最终也用于液位测量的探针。由此可以判断液面是否 位于加热区域之下或者之上。在加热区域的范围中，加热丝适宜地由具有相对高的(电学的)电阻率并具有电 阻率的相比较更小的温度关系的材料制成，例如由镍铬(NiCr)制成。因此形成加热区域的 加热丝部段的总电阻基本上与取决于加热而调整的瞬时材料温度无关。与此相反，金属丝 或导体在非加热区域的范围中适合地由一种材料制成，该材料具有电阻率与材料温度之间 的相比较更明显的、优选为线性的关系，材料温度在此范围中(如上面所述那样)基本上由 周围环境温度、也就是说由周围的冷却介质的温度来确定。一种适合的材料例如是镍(Ni)。 加热丝的、由串联的加热区域和非加热区域的电阻相加组成的总电阻的温度关系因此基本 上仅仅由非加热区域的范围中的温度关系来确定。通过这种结构加热丝的总电阻理想地线性地随围绕装置的冷却介质的温度而增 大，确切地说不受加热区域的范围中所发生的局部加热过程的影响，这些加热过程在此 (局部限制的)在一定情况下导致有偏差的并且随时间而变化的温度。可利用测量技术简 单地检测到的这个总电阻因此是用于确定总的冷却剂温度的适合的特征值。例如可以一次 以一种校准测量的形式记录温度-电阻-特性曲线，借助于该曲线以下用于根据当前所测 的电阻值确定当前的冷却剂温度。因此在一定条件下可以取消用来确定冷却剂温度的一种 单独分开的温度探测器，或者可以用多样的测量原理实现对于这样的温度探测器来说的备 用的测量。在冷却剂温度的这样的测量值的基础上，例如可以进行对于加热元件的与温度 相关的加热电流调节，以用于对随温度而变化的热传导系数的例如不期望的次级效应进行 补偿，该热传导系数用于从加热元件的加热区域到冷却介质的热传导。
除了已经提到的加热区域和“温度敏感的”非加热区域之外，加热元件的电导线也 还可以包括其它的部段，它们适宜地由具有电阻率的尽可能小的温度关系的材料制成和/ 或通过相应大尺寸的导线横截面只是很少地有助于金属丝或导线的总电阻，而且因此并不 是根据上面所述的那样对温度敏感。因此对于温度测量有效的导线部段，就是说温度测量 区域，和其在总布置之内的空间位置可以精确地通过材料转换的合适的定位进行确定。
根据附图对本发明的一个实施例详细地加以说明。附图所示为图1是一种根据本发明的加热元件的示意图；图2是加热元件的第一变体的纵向剖视简图；和图3是加热元件的第二变体的纵向剖视简图。
具体实施例方式图1的示意图示出了一种棒状的电加热元件10的一个实施例，该加热元件在长形 的下面部段12中具有固定的直径，该直径小于上面部段14的同样也是固定的直径。加热 元件10的上面部段14的直径例如可为大约2mm，而下面部段12的直径大约为1mm，长度可 为大约500mm。上面部段的长度可以变化，这取决于加热元件10的使用目的和实施变体而 定。上面部段14的较大的直径可以改善加热元件10的参数的可调整形，因为这样减小了 上面部段14相对于整个电阻变化的值，这根据以下附图还要详细叙述。图2和图3的示意图分别表示了加热元件10的第一或第二变体的纵向截面。金 属外壳16上面敞开、下面封闭，从而其整体上具有一种长形容器的结构形状，在该外壳之 内嵌入U形导线18，其中通过由氧化镁制成的绝缘体20填充间隙。在加热元件10的下面 部段12中，在导线18和外壳16之间有导电接触。外壳16尤其是可以由不锈钢材料(例 如1.4306,1.4435或者2. 4816)制成，而导线18由不同的导线部段构成，这些导线部段由 不同的金属制成。第一导线部段22由具有相对较小的导热性的金属制成。这里适合的尤其是镍或 镍合金。由于较低的导热性，第一导线部段22也可以称为加热元件10的“冷部分”。第二 导线部段对由具有高导热性的金属制成，适合于此的尤其是镍铬。该第二导线部段M构 成了加热元件的真正的加热区域。由于较高的导热性，该第二导线部段M也可以称为加热 元件10的“热部分”。无论是第一导线部段22还是第二导线部段M都布置在加热元件10 的具有较小直径的下面部段12中。例如可以由铜制成的第三导线部段沈位于具有较大直 径的上面部段14中。图2和3所示的两种实施变体的区别在于将第二导线部段M分别不同地布置在 不同的高度上。形成真正的加热区域的第二导线部段M在根据图2的第一变体中布置在 下面部段12的下端部并且一直到达外壳16的下端面，而加热区域和进而第二导线部段M 在根据图3的第二变体中位于下面部段12的中间区域中。下面部段12的下面的区域又由 第一种由镍或镍合金制成的导线部段填充。第一导线部段22 —直到达外壳16的下端面。 第一种由镍制成的另一个导线部段22又位于由铬镍制成的第二导线部段M之上。加热区域或第二导线部段M的长度例如可以为50mm。 由图2和3可见，在不同的导线部段22，对和沈的不同金属之间的转换并没有中 断或者间隔。这些连接例如可以通过熔焊或者钎焊来建立。为了得到一种具有可尽可能精 确再现的电特性和热特性的加热元件，重要的是，U形导线18的两个支腿的构造很大程度 上是对称的；也就是说第一和第二导线部段22和M在两个支腿中的每个支腿上分别精确 地长度相等并且定位于相同高度上。参考标号表
10电加热元件
12下面部段
14上面部段
16外壳
18导线
20绝缘体
22第一导线部段
24第二导线部段
26第三导线部段
权利要求
1.一种电加热元件(10)，尤其是应用在用于在液体容器中、尤其是在核技术设备的反 应堆堆壳中测量液位的装置中，所述加热元件包括一个导电的外壳(16)和至少一个嵌入 所述外壳中的电导线(18)，所述电导线与所述外壳(16)导电接触，其特征在于，所述电导 线(18)具有至少两个分别具有不同的电特性和/或导热性的导线部段(22，24)。
2.根据权利要求1所述的加热元件，其特征在于，所述至少两个具有不同的导热性的 导线部段(22，24)分别直接相互邻接。
3.根据权利要求1或2所述的加热元件，其特征在于，所述至少两个不同的导线部段 (22，24)分别具有不同的材料成分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的加热元件，其特征在于所述电导线(18)的金属 的导线部段(22，24)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热元件(10)的 第一导线部段(22)由具有降低的导热性的材料或金属制成。
6.根据权利要求5所述的加热元件，其特征在于，所述第一导线部段(22)由镍或者由 主要是镍成分的镍合金制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热元件(10)的 第二导线部段(24)由具有高导热性的材料或金属制成。
8.根据权利要求7所述的加热元件，其特征在于，所述第二导线部段(24)由镍铬 (NiCr)制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的加热元件，其特征在于，所述加热元件(10)的 所述外部的外壳(16)由金属、尤其是由不锈钢制成。
10.根据权利要求9所述的加热元件，其特征在于，所述加热元件(10)在所述外部的外 壳(16)之内至少分段地嵌入在绝缘体(20)中。
11.根据权利要求10所述的加热元件，其特征在于，所述绝缘体(20)由矿物材料制成， 或者具有矿物材料。
12.一种装置，用于在液体容器中、尤其是在核技术设备的反应堆堆壳中测量液位，所 述装置具有多个长形的、相互间隔开的测量管，其中每个测量管具有多个在纵向方向上分 布地布置的热电偶，而且其中至少一个热电偶分配有根据权利要求1至11中任一项所述的 加热元件(10)。
13.一种核技术设备、尤其是压水反应堆，具有根据权利要求12所述的用于监测液位 的装置，所述装置具有至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的加热元件(10)。
全文摘要
本发明涉及一种棒状的电加热元件，尤其是应用在用于在液体容器中、尤其是在核技术设备的反应堆堆壳中测量液位的装置中，该加热元件包括一个导电的外壳和至少一个嵌入外壳中的电导线，该电导线与外壳导电接触。电导线具有至少两个分别具有不同的电特性和/或导热性的导线部段。
文档编号G01F23/22GK102090141SQ200880127467
公开日2011年6月8日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年2月26日
发明者斯特凡·普夫勒格, 沃尔夫冈·福格特, 维尔弗里德·哈夫斯特, 萨哈·克歇尔 申请人:阿雷瓦核能有限责任公司