一种实时连续测量液位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感监测领域，特别涉及一种实时连续测量液位的方法。
【背景技术】
[0002] 在现代工业生产中，用于测量液位的传感器几乎遍及生产过程中的各个环节。液 位传感器按其设计原理通常分为接触式的如压差式、浮球式、电容式、磁性液位传感器等， 非接触式的如超声式、雷达式液位传感器等，还有部分为非连续性的仅起报警或开关作用 的液位传感器。而在一些特殊的工况环境如高温、高压、强辐照环境的液位连续测量，对液 位传感器的性能要求较高，普通液位传感器很难满足要求，特别是有活动部件的如接触式、 渗透式液位传感器。
[0003] 国外生产的一体化连续测量液位传感器，由于没有活动部件，测量时性能可靠性 高，不仅可现场显示数据，还可实时远程监控，已被广泛应用于高温、高压、强辐照等特殊工 况环境的液位连续测量。但是，由于这类液位传感器属于特种仪表，进口价格不但高昂，而 且受到国际因素的限制，在维护、维修这类进口液位传感器时，国外厂商的技术响应时间较 长，严重影响企业的生产作业，备品、备件的更换困难。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种一体化铠装连续测量的液位传感器用于测量液位的方 法，该测量方法简单、可靠，可实现液面位置的远距离在线实时监测，同时还可以实时监测 液体的温度。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种实时连续测量液位的方法，采用了一种液位传 感器，所述液位传感器包括前端密封的管状金属壳体，所述管状金属壳体的内腔中设有形 成回路的铂丝、形成回路的热电偶丝，以及形成回路的电加热丝，所述铂丝、热电偶丝、电加 热丝均沿管状金属壳体轴向延伸，所述管状金属壳体的内腔中填充有绝缘材料，铂丝、热电 偶丝、电加热丝由填充的缘材料隔离，所述管状金属壳体的后端设置密封连接头形成密封， 该密封连接头上设有铂电阻，所述铂丝、热电偶丝、电加热丝、铂电阻通过密封连接头与多 芯屏蔽电缆电连接；
[0006] 所述液位传感器用于实时连续测量液位的方法具有以下步骤，
[0007] 1)将传感器竖直浸入测量液体中，记传感器金属壳体总长度为H，传感器金属壳 体露出液面部分长度为I1，传感器金属壳体浸入液体部分长度为I2= H-I 1;
[0008] 2)通电后，采集热电偶丝测量的液体温度t。、铂电阻测量的环境温度tf，以及铂丝 电阻值R，并将采集的实时数据传输至控制中心，利用传感器金属壳体露出液面部分长度I 1 与液体温度t。、环境温度tf、铂丝电阻值R的相互关系，得到以下迭代函数关系式：
[0010] 式中，
其中，h为液体的传热系数，P为传感器金属壳体的截面周长，λ 为传感器金属壳体的导热系数，Α。为传感器的截面积，R。为传感器处于摄氏零度（273. 15Κ) 环境中时金属壳体内钼丝的电阻值；
[0011] 3)将实时采集的液体温度t。、环境温度tf、铂丝电阻值R，代入步骤2)中的迭代函 数关系式，计算出传感器金属壳体露出液面部分长度I 1，并根据步骤1)的传感器金属壳体 浸入液体部分长度为I2= H-I i，即可得到传感器金属壳体浸入液体长度I2，由此实现对液 位的实时连续测量。
[0012] 所述步骤2)中迭代函数关系式通过以下步骤得到，
[0013] a)由泊松方程
传感器金属壳体露出液面部分I1的温度 分布t (X)与距离液面X具有如下函数关系式（液面处X = 0):
其中，h为液体的传热系 数，P为传感器金属壳体的截面周长，λ为传感器金属壳体的导热系数，A。为传感器的截面 积，t。为热电偶丝（3)测量的液体温度t。，tf为铂电阻测量的环境温度；
[0015] b) AR为传感器内铂丝单位长度、单位温度条件下的电阻增量（相对于〇°C时的电 阻值），^为为露出液面部分铂丝的电阻增量值，建立等式
联立步骤 a)的函数关系式可得：
[0017] 同理，可得浸入液面部分铂丝的电阻增量巧的函数关系式：
[0018] r2= Δ R(L_1 D · t。，所述钼丝的总电阻 R = a+i^+R。，即
其中Rc为传感器处于摄氏零度 (273. 15K)环境中时金属壳体内铂丝的电阻值；
[0019] c)将步骤b)所得总电阻R的函数关系式采用迭代法计算传感器露出液面部分长 度I1，即得
[0020] 所述形成回路的铂丝由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结 构；所述形成回路的热电偶丝由两极热电偶丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形 结构；所述形成回路的电加热丝由两根电加热丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U 形结构。
[0021] 所述U形结构的铂丝位于U形结构的热电偶丝的一侧，U形结构的铂丝的两根铂 丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝的两级热电偶丝之间的连线形成垂直分布，所述 U形结构的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线 呈垂直空间交错分布，U形结构的铂丝的前端位于电加热丝的U形结构内。
[0022] 所述U形结构的电加热丝采用恒流电源供电。
[0023] 采用上述技术方案：将本发明所述传感器垂直浸入待测液体中，传感器的一部分 露出液面以上，传感器的另一部分位于液面以下，液面将传感器的管状金属壳体分为上、下 两个部分。位于传感器金属壳体中的热电偶丝焊接组成的热电偶用于测量待测液体的温 度；位于密封连接头中的铂电阻用于测量外部环境的温度。由于待测液体与外部气体环境 导热系数差异很大，而位于液面以下环境为等温区，可直接建立铂丝电阻值与浸入液面以 下传感器长度I 2和液体温度t。的关系式；位于液面以上环境为半无限空间对流传热模型， 位于液面以上传感器的温度沿轴向呈梯度分布，通过微积分的方法对该段铂丝电阻值的累 积计算，因此，可建立液体温度、环境温度、铂丝电阻值与液位的关系式，而待测液体的温 度、外部环境的温度、铂丝整体的电阻值可通过多芯屏蔽电缆进行实时监测，通过函数关系 式，得知传感器金属壳体浸入液体的长度，实现实时连续测量液面位置。
[0024] 所述U形结构的铂丝位于U形结构的热电偶丝的一侧，U形结构的铂丝的两根铂丝 之间的连线与所述U形结构的热电偶丝的两极电偶丝之间的连线形成垂直分布，所述U形 结构的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线呈 垂直空间交错分布，U形结构的铂丝的前端位于电加热丝的U形结构内，液位传感器管状金 属壳体内腔中的多根芯线如此分布排列，能保证热电偶丝所测温度与液体温度最接近，铂 丝所处温度场更加均匀，提高液位传感器的测量精度。
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】作进一步的说明。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明液位传感器的结构示意图；
[0027] 图2为图1的A-A音视图；
[0028] 图3为本发明液位传感器管状金属壳体中各芯线分布图；
[0029] 图4为本发明液位传感器的使用状态图。
[0030] 附图中，1为铂丝，2为电加热丝，3为热电偶丝，4为管状金属壳体，5为绝缘材料， 7为铂电阻，8为多芯屏蔽电缆，9为密封连接头，10为电连接器。
【具体实施方式】
[0031] 实施例1 :
[0032] 参见图1至图3,为本发明采用的液位传感器的一种具体实施例。液位传感器包括 前端密封的管状金属壳体4,本实施例中，所述管状金属壳体采用不锈钢材料316L通过铠 装拉拔成型。所述管状金属壳体4的内腔中设有形成回路的铂丝1、形成回路的热电偶丝3， 以及形成回路的电加热丝2,所述铂丝1、热电偶丝3、电加热丝2均沿管状金属壳体4的轴 向延伸，本实施例中，所述形成回路的铂丝1由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相 连形成U形结构，两根铂丝的后端与管状金属壳体的后端齐平；所述形成回路的热电偶丝 3由正、负极热电偶丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，两根热电偶丝的后 端与管状金属壳体的后端齐平；所述形成回路的电加热丝2由两根电加热丝平行排列且前 端通过激光焊接相连形成U形结构，两根电加热丝的后端与管状金属壳体的后端齐平。所 述管状金属壳体4的内腔中填充有绝缘材料5,铂丝1、热电偶丝3、电加热丝2由填充的绝 缘材料5隔离，本实施例中，所述绝缘材料5为氮化铝，为高导热绝缘材料。所述管状金属 壳体4的后端设置密封连接头9形成密封，本实施例中，所述密封连接头的后端还连接有电 连接器10,电连接器10采用LEMO连接器，该LEMO连接器的插座端固定在管状金属壳体的 后端，插头端与十芯屏蔽电缆连接，密封连接头9上还设有铂电阻7,所述铂电阻7为四线 制输出铂电阻，所述铂丝1、热电偶丝3、电加热丝2、铂电阻7通过密封连接头9与十芯屏 蔽电缆8电连接；为避免热电偶丝与铂丝相互干扰，所述U形结构的铂丝1位于U形结构的 热电偶丝3的一侧，U形结构的铂丝1的两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝 3的两根热电偶丝之间的连线形成垂直分布，为提高液位传感器的测量精度，所述U形结构 的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线呈垂直 空间交错分布，U形结构的铂丝的前端位于电加热丝的U形结构内。
[0033] 上述液位传感器的制备方法为：将绝缘材料氮化铝挤压成具有六孔的绝缘瓷柱， 按照图2所示的分布方式，分别将两根铂丝、两根电加热丝、两根热电偶丝装配在绝缘瓷柱 中，取两端均开口的316L不锈钢金属管，将装有金属丝的绝缘瓷柱装入金属管中，然后铠 装拉拔至外径5. 3mm，形成管状金属壳体；拉拔完成后，绝缘瓷柱被挤压成高致密的粉状， 填充在管状金属壳体中，然后用激光焊接的方式分别将两根铂丝的前端焊接、两根电加热 丝的前端焊接、两根热电偶丝的前端焊接，形成三组U形结构的回路；激光焊接完成后，用 氩弧焊接的方式对管状金属壳体的前端开口