液态金属液位探针的制作方法

1.本发明的实施例涉及液态金属的检测仪表技术领域，具体涉及一种液态金属液位探针。


背景技术：

2.液态金属的液位是其运行和安全相关的重要参数。由于液态金属运行温度较高，特别是钠、钠钾合金、锂、铅铋合金等液态金属工质还具有化学性质活泼的特点，一般不能与空气直接接触，对设备密封性要求很高，因此液态金属容器中的液位测量难度较大。
3.目前，在使用液位探针对高温液态金属液面进行测量时，由于金属探针管外通过设置陶瓷管来实现绝缘，而陶瓷管两端均通过焊接与金属探针管之间密封，在温度较高时，由于两种材料的膨胀系数不同，可能导致陶瓷管破裂，进而影响液位的测量。


技术实现要素：

4.根据本发明的一个方面，提供了一种液态金属液位探针。该液态金属液位探针包括：探针管，被设置成其底部与液态金属接触时指示所述液态金属的液位；绝缘管，套设于所述探针管外，所述绝缘管的底部密封连接于所述探针管的外壁，且所述探针管的两端延伸出所述绝缘管；波纹管，套设于所述探针管外，且设置于所述绝缘管的顶部。其中，所述波纹管的一端与所述探针管密封连接，另一端与所述绝缘管的顶部密封连接，所述波纹管用于补偿所述探针管与所述绝缘管之间由于温度变化而导致的轴向膨胀差。
附图说明
5.通过下文中参照附图对本发明的实施例所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
6.图1是根据本发明一个实施例的探针组件的结构示意图。
7.图2是图1中探针组件的剖面图。
8.图3是图2中探针组件中的探针密封组件和波纹管部分的局部结构示意图。
9.图4是图2中探针组件中的中间连接组件部分的局部结构示意图。
10.图5是图2中探针组件的底部的局部结构示意图。
11.图6是根据本发明一个实施例的液态金属液位探针的结构示意图。
12.图7是图6中液态金属液位探针的剖面图。
13.图8是根据本发明一个实施例的防波管的结构示意图。
14.图9是根据本发明一个实施例的容器连接组件的结构示意图。
15.图10是根据本发明一个实施例的液位测量系统的示意图。
16.需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
17.附图标记说明：
18.1、液态金属容器上封头；
19.100、探针组件；
20.10、探针管；11、盖体；111、安装槽；
21.20、绝缘管；21、第一过渡件；22、第四过渡件；
22.30、波纹管；31、第二过渡件；32、第三过渡件；
23.40、探针密封组件；41、探针连接件；411、安装孔；42、密封接管；421、定位凸起；43、探针密封垫；44、探针密封压紧件；
24.50、中间连接组件；51、连接套管；511、定位部；52、中间接管；521、定位配合部；53、中间密封垫圈；54、中间密封压紧件；
25.200、散热器；
26.300、防波管；310、通孔；320、底板；330、防波管连接件；
27.400、容器连接组件；410、第一连接件；420、第二连接件；430、连接接管；440、密封垫圈。
具体实施方式
28.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.需要说明的是，除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“a和/或b”为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
30.本发明的实施例提供了一种液态金属液位探针。如图1和图2所示，本实施例总的液态金属液位探针包括探针管10、绝缘管20和波纹管30。探针管10被设置成其底部与液态金属接触时指示液态金属的液位。绝缘管20套设于探针管10外，绝缘管20的两端连接于探针管10的外壁，且探针管10的两端延伸出绝缘管20。波纹管30，套设于探针管10外，且设置于绝缘管20的顶部。其中，波纹管30的一端与探针管10的外壁密封连接，另一端与绝缘管20的顶部密封连接，绝缘管20的底部与探针管10的外壁密封连接，波纹管30用于补偿探针管10与绝缘管20之间由于温度变化而导致的轴向膨胀差。
31.在本实施例中，液位探针的工作原理是将探针管10和液态金属容器的表面电连接，当容器内的液态金属液面接触到探针管底部时，探针管10与液态金属容器之间便构成闭合回路，从而输出相应电信号，从而实现碱金属、铅及其合金等液态金属在容器内指定位置液面的探测。绝缘管20可以防止探针管10局部与容器筒体间发生液态金属蒸气沉积粘连
而引起短路，进而避免发生信号误报的情况。
32.本发明的实施例中，液态金属液位探针的探针管10及波纹管30可以采用与液态金属容器相容的金属材料，例如不锈钢材料，可以采用与液态金属容器材料相同的金属材料。
33.其中，探针管10由金属制成，例如，探针管10可以为精密的无缝不锈钢管，其长度可以依据使用需求来截取。绝缘管20由陶瓷制成，例如绝缘管20为精密的三氧化二铝管，其长度可以依据需要尺寸进行设计，采用不同数量或长度的三氧化二铝管烧结成不同长度的绝缘管20。进一步地，波纹管30由金属制成，例如，波纹管30可以为成型的不锈钢波纹管，其尺寸等参数可以根据液态金属容器压力以及膨胀量克服需求来选取。
34.在探针管10与绝缘管20的上部密封连接处设置波纹管30，可以补偿金属制成的探针管10与陶瓷制成的绝缘管20之间由于材料膨胀系数差异在温度变化时引起的轴向长度变化差异，减小探针管10与绝缘管20之间的应力差，有利于相对较长的液位探针的制造和使用。并且，由于采用了膨胀差补偿设计，可以制作具有较长的绝缘管的液位探针，较长的陶瓷绝缘管对于液位探针的耐振动能力具有积极作用。
35.本实施例中，探针管10、绝缘管20以及波纹管30共同组成了探针组件100，其可以直接安装在液态金属容器上来测量液态金属的液位，也可以选择性地与散热器200、防波管300和容器连接组件400装配之后再使用。
36.如图1和图2所示，本实施例中的探针组件100还包括探针密封组件40，其设置于探针管10的顶部，用于密封探针管10，探针密封组件40可拆卸地连接于探针管10的顶部，且耐高温。当探针管10出现破裂时，不会造成液态金属容器内液态金属或覆盖气体的直接泄漏。
37.如图2和图3所示，探针密封组件40包括探针连接件41、密封接管42、探针密封垫43和探针密封压紧件44。其中，探针连接件41套设于探针管10的顶部，密封接管42设置于探针管10与探针连接件41之间，并与探针管10的外壁密封连接。探针密封垫43设置于密封接管42的顶部，探针密封压紧件44可拆卸地连接于探针连接件41外，用于将探针密封垫43压紧在密封接管42上，从而实现探针管10的密封。
38.在一些实施例中，探针连接件41的外壁设置有外螺纹，探针密封压紧件44的内壁设置有相匹配的内螺纹，从而可以使探针密封压紧件44与探针连接件41可拆卸地连接。
39.如图3所示，密封接管42的顶部沿周向方向设置有定位凸起421，定位凸起421与探针连接件41的顶端相配合，用于定位探针连接件41与密封接管42。在本实施例中，密封接管42的底部与探针管10密封连接，其顶部定位在探针连接件41上，再通过探针密封压紧件44将探针密封垫43压紧在密封接管42的顶部，从而实现了探针管10顶部开口的密封。
40.如图5所示，探针管10的底部密封连接有盖体11，盖体11呈锥形。即，探针管10的底部为尖头，以便于液态金属液滴掉落。
41.本实施例中的探针组件100还包括热电偶，其设置于探针管10内，热电偶用于测量液态金属的温度。本实施例中的盲管式探针还可以作为热偶阱使用，其中可以容纳多个热电偶，例如，3个以上的热电偶，从而可以获得相对准确的液态金属的温度测量。
42.此外，本实施例中的热电偶为铠装绝缘型热电偶，在安装至探针管10内时，需要确保每个高度位置的热电偶与探针管10的壁面或顶部的盖体充分接触，从而获得较为准确的温度测量值，并同时保证较为快速的测试响应。
43.在本实施例中，如图3所示，探针管10顶部的探针连接件41设置有安装孔411，热电
偶的顶部穿过安装孔411，并与探针连接件41之间密封连接。具体地，此处可以以钎焊的形式实现密封连接，优选立式真空钎焊，可以更好地确保探针管10顶部的密封。
44.此外，如图5所示，探针管10底部的盖体11内设置有安装槽111，热电偶的底部可以设置于安装槽111内，以降低传导热阻，进而提高底部热电偶温度测量的准确性及响应速度。
45.如图1、图2和图4所示，本实施例中的探针组件100还包括中间连接组件50，其套设在绝缘管20外，其被设置成可拆卸地连接绝缘管20与液态金属容器。其中，中间连接组件50的一部分与绝缘管20固定连接，另一部分与液态金属容器上封头1固定连接，同时这两部分之间可拆卸，由于绝缘管20与探针管10固定连接在一起，从而可以实现探针组件100与液态金属容器之间的可拆卸连接，以便于在探针管10破裂损坏时更换新的探针组件100。
46.如图4所示，本实施例中的中间连接组件50包括连接套管51、中间接管52、中间密封垫圈53和中间密封压紧件54。其中，连接套管51套设于绝缘管20外，中间接管52设置于连接套管51与绝缘管20之间，其一端延伸出连接套管51。中间密封垫圈53设置于中间接管52上。中间密封压紧件54可拆卸地连接于连接套管51内，且其顶部与绝缘管20的外壁密封连接，中间密封压紧件54压紧中间密封垫圈53于中间接管52上。
47.在一些实施例中，连接套管51的内侧设置有定位部511，中间接管52的外侧设置有定位配合部521，定位部511与定位配合部521相配合用于定位中间接管52与连接套管51，使得中间接管52的顶部定位在连接套管51中，中间接管52的底部延伸出连接套管51，从而便于与液态金属容器上封头1或散热器200或容器连接组件400密封连接。
48.在一些实施例中，连接套管51的内壁设置有内螺纹，中间密封压紧件54的外壁设置有相匹配的外螺纹，从而可以使连接套管51与中间密封压紧件54可拆卸地连接。
49.在本实施例中，当不设置散热器200和容器连接组件400时，中间接管52的底部直接与液态金属容器上封头1密封连接，其顶部定位在连接套管51内，再通过中间密封压紧件54将中间密封垫圈53压紧在中间接管52的顶部，从而实现了中间接管52顶部开口的密封，进而实现了液态金属容器上封头1的密封，防止液态金属或覆盖气体从液态金属容器上封头1处直接泄漏。
50.此外，当设置散热器200时，中间接管52可以与散热器200密封连接；当未设置散热器200且设置容器连接组件400时，中间接管52可以与容器连接组件400密封连接，从而间接实现中间接管52与液态金属容器之间的密封。
51.在一些实施例中，探针组件100中各部分之间的密封连接方式为焊接。具体地，绝缘管20与探针管10的连接处设置有第一过渡件21，第一过渡件21的两侧分别与绝缘管20和探针管10密封连接。波纹管30与绝缘管20的连接处设置有第二过渡件31，第二过渡件31的两侧分别与波纹管30和绝缘管20密封连接。波纹管30与探针管10的连接处设置有第三过渡件32，第三过渡件32的两侧分别与波纹管30和探针管10密封连接。绝缘管20与中间密封压紧件54的连接处设置有第四过渡件22，第四过渡件22的两侧分别与绝缘管20和中间密封压紧件54密封连接，从而实现金属与陶瓷不同材料之间的焊接。
52.其中，探针管10与盖体11、第一过渡件21、第三过渡件32、密封接管42之间的密封连接方式为钨极气体保护焊接。绝缘管20与第一过渡件21、第四过渡件22、第二过渡件31之间的密封连接方式为钎焊，优选地采用立式真空钎焊。具体地，第一过渡件、第四过渡件22
以及第三过渡件32可以采用可伐合金加工制成，其先与绝缘管20之间完成钎焊后，再将探针管10穿入绝缘管20内，完成探针管10与各部分之间的钨极气体保护焊接。
53.此外，波纹管30与第二过渡件31之间的密封连接方式可以选择激光或者电子束焊接。第四过渡件22与中间密封压紧件54之间的密封连接方式可以选择钨极气体保护焊接。
54.本发明的实施例通过对探针管10和绝缘管20的上下两端进行密封焊接，形成耐高温的二次密封结构。其中，探针管10的堵头(即盖体11)下端形成一次密封结构，探针管10上端通过探针密封组件形成二次密封结构，当探针管10在容器内破裂时，可以通过二次密封结构阻挡液态金属的泄漏。绝缘管20设置在探针管外，并且上下两端密封焊接，当探针管10破裂或者绝缘管20在液态金属容器内或液态金属容器外单侧发生破裂时，不会造成液态金属容器内液态金属或覆盖气体的直接泄漏。
55.本实施例采用了上下两端的二次密封设计，进而可以安全地对高温碱金属工质进行液面测量，避免碱金属泄漏而引起燃烧，相比于传统的液位探针，极大地提高了液位探针长期运行的安全性。
56.在一些实施例中，探针管10以及探针管10与绝缘管20之间的间隙内，安装有泄漏探测器，可以对液态金属突破第一道密封结构的泄漏进行感知，以便于在出现泄漏时即时更换探针组件100。
57.如图6和图7所示，在一些实施例中，液态金属液位探针包括探针组件100和散热器200。散热器200设置于绝缘管20外，其一端与中间接管52密封连接，另一端与液态金属容器连接。散热器200在大气环境下工作时，可以以对流以及热辐射两者形式将液态金属容器方向的导热散失，以有效降低液位探针上各密封结构处的温度，减轻螺纹密封结构(例如，探针密封组件40以及中间连接组件50)处金属部件的氧化，降低对密封结构的不利影响，从而提高液位探针长期工作的可靠性。
58.具体地，散热器200可以为带环状散热片的不锈钢管，其上端与探针组件100的中间接管52密封连接，例如，通过钨极气体保护焊接进行密封连接。
59.其中，当液态金属液位探针中未设置容器连接组件400时，散热器200的下端可以直接与液态金属容器上封头1密封连接。当液态金属液位探针中设置容器连接组件400时，散热器的下端可以与容器连接组件400中的第一连接件410密封连接，例如，采用钨极气体保护焊接进行密封焊接。
60.本实施例采用上述方法将散热器200固定在液态金属容器上，从而在需要探针管10或绝缘管20破裂损坏时，可以通过拆卸中间连接组件，即将中间密封压紧件54从连接套管51上拆卸下来，以使中间密封压紧件54与探针管10和绝缘管20形成的整体从液态金属容器中取出，实现探针组件的更换。
61.在一些实施例中，散热器200的长度可以根据实际使用工况进行设计。当然，在液态金属容器的温度较低时，也可以取消散热器200，直接将中间连接组件50的中间接管52与液态金属容器上封头1或者容器连接组件400的第一连接件410密封连接。
62.本实施例在中间连接组件50的下方设置了散热设计，使得中间连接组件50处的温度能够大幅度下降，即使得探针组件100与液态金属容器之间的密封结构的温度有效降低，进而提高了长期密封的可靠性。
63.如图6和图7所示，在一些实施例中，液态金属液位探针还包括防波管300。防波管
300与绝缘管20连接，探针管10位于防波管300内，防波管300上错位地布置有多个通孔310，用于防止液位探针测量区域内液态金属的液面波动，提高测量的准确性。本实施例中的液态金属液位探针采用了液面防波设计，可以使液态金属容器内的液态金属液面相对平滑，进而提高液位测量的准确性。
64.如图8所示，防波管300上的通孔310为沿径向设置的长圆孔。如果采用圆孔形式的通孔，如果圆孔的尺寸较大，则防波管的结构强度降低，不利于长期使用；如果圆孔的尺寸较小，则在液态金属的表面张力的作用下，液态金属的流动性变差，液态金属的液面呈月牙形，导致液面不平，不利于液位的测量。相比于采用圆孔形式，本实施例的防波管300采用沿径向的长圆孔，既能够保证防波管300的结构强度，又能够使得液态金属的表面张力不起作用，保证液面相对平稳。
65.在一些实施例中，防波管300的底部密封连接有底板320，底板320上设置有孔，使得进入防波管300内的液态金属能够全部流出，避免残留。其中，底板320可以采用钨极气体保护焊接的方式密封连接在防波管300上。
66.可选的，防波管300可以以可拆卸地方式连接在探针组件上，尤其是针对特定的液态金属的液位测量，例如铅合金及铅铋合金。
67.对于铅合金以及铅铋合金这类液态金属，在运行过程中液体金属中存在污染物，污染物易漂浮在其液面上。当液位上升时，漂浮的污染物容易粘附到防波管300的底板320上。本实施例中将防波管300设置为可拆卸形式，可以在防波管300内产生污染物堆积时拆卸下来，从而及时清理并在清洗干净后装配上。
68.此外，防波管300可以由无缝不锈钢管制成，其长度可以根据探针管10的长度进行设计。在本实施例中，防波管300的底板320与探针管10的底部之间具有预定距离。其中，预定距离可以根据实际需要进行设置。在本实施例中，底板320与探针管10的底部(即盖体11的尖头)可以控制在100mm左右。
69.本实施例中底板320与探针管10底部之间的预定距离，可以为污染物的堆积提供一定空间。对于铅合金以及铅铋合金这类液态金属，其液面上漂浮的污染物一般为掺杂有氧化物的液态金属，可导电。本实施例中将防波管300的底板320设置在距探针管10底部合适的高度位置，从而可以在污染物堆积在防波管300的底板320上时，避免导电的污染物与探针管10底部接触而形成导电回路，进而导致产生误响应，防止测量结果与实际液位不符。
70.可选的，对于碱金属这类在运行时不存在污染物的液态金属，由于不需要清理防波管300内堆积的污染物，防波管300也可以固定安装在液态金属容器上，例如，可以将防波管300的顶部之间焊接于液态金属容器上封头1上，变为不可拆卸的结构，从而提高液态金属容器整体密封的可靠性，相比于可拆卸的连接结构(例如法兰)长期运行后其中的密封结构易于老化而易导致碱金属泄漏，本实施例将防波管300焊接在液态金属容器上，密封更加可靠安全，以避免碱金属直接泄漏而与空气接触引起燃烧。
71.在一些实施例中，液态金属液位探针用于测量液面稳定升降的小型液态金属容器内的液态金属液面，对于这类液面无明显波动的液态金属容器，也可以不安装防波管300。
72.如图6和图7所示，本实施例中的液态金属液位探针还包括容器连接组件400。容器连接组件400设置于绝缘管20外，用于连接液态金属容器与液态金属液位探针，从而实现液态金属液位探针在液态金属容器上的拆卸安装。
73.如图9所示，容器连接组件400包括：第一连接件410、第二连接件420和连接接管430。第一连接件410与中间接管52或散热器200密封连接，第二连接件420与第一连接件410可拆卸地连接，连接接管430的一端与第二连接件420密封连接，另一端与液态金属容器密封连接。
74.在液态金属容器具有保温结构的情况下，本实施例中通过在容器连接组件400中设置连接接管430，使其一端与液态金属容器上封头密封连接，另一端与散热器200或者中间接管52连接，使得第一连接件410和第二连接件420突破容器上的保温结构而暴露在大气环境下，从而使得第一连接件410和第二连接件420之间密封面处的温度，在一定程度上避免使用时高温环境对容器连接组件400的密封性能的影响。
75.在一些实施例中，当容器内液态金属温度相对较低时，可以不设置散热器200，此时，可以将第一连接件410与中间连接组件50的中间接管52密封连接。当液位探针上安装有散热器200时，散热器200的下端与第一连接件410密封连接。本实施例中通过将中间接管52或者散热器200与第一连接件410密封连接，以间接实现液态金属容器的密封，避免液态金属的直接泄漏。
76.如图6和图7所示，防波管300可以通过容器连接组件400可拆卸地安装在液态金属容器和探针组件100之间。具体地，防波管300的一端设置有防波管连接件330，防波管连接件330可拆卸地连接于第一连接件410和第二连接件420之间。
77.进一步地，第一连接件410与防波管连接件330之间设置有密封垫圈440，第二连接件420与防波管连接件330之间也设置有密封垫圈440，从而在第一连接件410、防波管连接件330以及第二连接件420之间形成密封面，实现对液态金属容器的密封。
78.在一些实施例中，防波管连接件330为双面法兰，其与防波管300之间密封连接。第一连接件410和第二连接件420均为连接法兰。本实施例中，所有法兰(即防波管连接件330、第一连接件410以及第二连接件420)均为不锈钢法兰，其抗压等级可以根据实际使用工况进行设计。优选地，可以采用超真空法兰，其具有优异的密封效果，从而最大程度地避免碱金属这类液态金属的泄漏，防止碱金属与空气接触而引起燃烧甚至爆炸。
79.进一步地，第一连接件410与散热器200或者中间接管52之间的密封连接方式为钨极气体保护焊接，同样地，第二连接件420与液态金属容器上封头1之间的密封连接方式也为钨极气体保护焊接。
80.此外，本发明实施例中的垫圈材料的选择均需要考虑与液态金属之间的相容性，并且不可忽略长期高温工作时的各种腐蚀。具体地，探针密封垫43、中间密封垫圈53以及密封垫圈440可以选择铜、镍、纯铁、退火不锈钢、铌等相对较软的金属制成，具体可以依据其使用工况需求来进行选择。
81.需要说明的是，可以依据液态金属液位探针的使用工况需求，来取舍散热器200、防波管300以及容器连接组件400等结构。
82.当用于测量小型液态金属容器内的液位时，可以舍去防波管300，将散热器200焊接于容器连接组件400的第一连接件410上。此外，也可以同时舍去容器连接组件400，将散热器200焊接于液态金属容器上封头1上。进一步地，当小型液态金属容器的温度较低时，也可以舍去散热器200，将中间接管52焊接于液态金属容器上封头1上。
83.当液态金属容器温度较低且液面波动较大时，可以舍去散热器200，将中间接管52
焊接于容器连接组件400的第一连接件410上。
84.当用于碱金属这类液态金属的液位测量时，防波管300可以直接焊接于液态金属容器上封头1，使其固定在容器上，进而可以舍去容器连接组件400，将散热器200焊接于液态金属容器上封头1。
85.在一些实施例中，液态金属探针为测量设备，需要保证制作精度，尤其在轴向的直线度上。此外，还通过设置较长的绝缘管，以在结构设计上保证探针在工作环境下不发生抖动。
86.此外，液态金属探针的液位测量系统如图10所示，测量系统包括直流电源2、测试开关3、蜂鸣器4、指示灯5、远传继电器6以及控制器7。其中，蜂鸣器4、指示灯5与远传继电器6之间并联，并同时与直流电源2串联，液态金属探针与测试开关3分别并联在远传继电器6与直流电源2之间。远传继电器6的干触点接入控制器7，液态金属探针的热电偶通过热电偶信号线8接入控制器7，同时液态金属探针中的泄漏探测器通过泄漏信号线9接入控制器7。
87.在使用本发明实施例的液态金属探针测量液位时，将其安装在液态金属容器上封头1上，将直流电源2的正极与探针管10上端的探针密封组件40连接，直流电源2的负极与液态金属容器500壁连接。当液面与探针管10的盖体11接触时，电路导通，远传继电器6常开干触点闭合，控制器7获得液位信号，同时现场指示灯5点亮，蜂鸣器4发出声音提示。此外，在液态金属探针的调试过程中，可以通过测试开关3对基本电路功能进行检查。
88.对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
89.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。