铠装旁热式热电偶水位传感器的实验研究

摘要:介绍了水位监测用铠装旁热式热电偶液位传感器的测量原理和实验研究。实验重点研究了传感器的动态响应和水位淹没与脱离传感器敏感部位时的差分热电偶的温差输出波形。实验表明应用阈值或温差变化的斜率来判别水位的方法能有效地缩短传感器的响应时间和增加测量的可靠性。实验研究结果表明铠装旁热式热电偶液位传感器完全适用于水位及其他液位监测尤其适用于核场高可靠性要求的场合。
0引言
　　水位监测广泛应用于工业领域例如发电厂锅炉内水位和水池内水位的监测核电站压力壳内水位的监测等;也广泛应用于人们日常生活领域,例如供水塔/池内水位的监测等。
　　水位监测方法很多,例如,直读式玻璃管水位计、浮力式水位计、超声波水位计、电导式水位计、电容和电感式水位计、差压式水位计等。基于热效应的水位计是新兴的水位监测传感器广泛应用于高可靠性要求的场合尤其是压水堆核电站。例如在美国三里岛核事故之前压水堆核电站中用稳压器中的水位来监测压水堆-回路冷却剂的总量核事故发生后证明这是一-种不可靠的方法。压水堆一回路冷却剂的总量的监测需要一种直接测量反应堆压力壳内水位的方法而且要不同于、且独立于稳压器内水位测量的方法热效应水位计是一种适用的监测传感器。
这几年来,国内相继有几家研究单位在研究与开发基于热效应的水位测量用传感器。经过近两年的努力成功地制造了几种结构的铠装旁热式热电偶水位传感器并在常温常压水/空气环境中,完成了实验研究。
1铠装旁热式热电偶液位传感器的结构和测量原理
1.1传感器的结构
　　所谓的铠装旁热式热电偶液位传感器就是在同一铠装套管内(铠装套管外径为4mm左右)用MgO/A2O3作绝缘材料将2支热电偶沿轴向相隔一定距离布置其中一支热电偶的结点采用电加热丝加热(称作热端加热:)另-支热电偶的结点不加热(称作不加热热电偶)，作为参考温度点,这种结构可称作一体化结构。第二种结构是用作参考温度点的热电偶是一支独立的铠装热电偶单独布置。第三种结构是加热段外带导热套的传感器,目的是为了增大传感器敏感区的比值(表面积/质量)以提高传感器的灵敏度。传感器的结构示意图见图1。这种热效应液位传感器中的热端加热的热电偶是敏感部位。图中a、b结构的传感器的制造与铠装热电偶一样即将MgO/Al203绝缘瓷柱、电加热丝、热电偶丝组合在不锈钢套管内经多次整体拉制缩径而成以确保其完整性和质量的稳定性。上述结构的传感器在实际应用时在加热热电偶区域的外表面处装有防水溅的护套，以防止水溅到表面而造成假信号同时也起到阻断表面液膜作用以提高响应速度。

1.2传感器的测量原理
　　由水和水蒸汽或空气的物性参数可知水的换热系数同水蒸汽(空气)的换热系数存在着明显的差别,当传感器的敏感部位处在水中热端加热的热电偶测得的温度低;处在汽(气)体中热电偶测得的温度高。一般情况下将热端加热热电偶和不加热热电偶(参考温度点)连接成差分热电偶采用温差输出值来判定液位。也就是差分热电偶的输出热电动势为高电位表明热接点处于水蒸汽(空气)中;如果为低电位则加热接点处于液体/水中。这种热端加热式热电偶液位传感器可以是单点(支)的也可以组成多点(支)的。如果沿水位高度布置若千个单支传感器便可测量出水位的不同高度了,这叫做组合式热端加热式热电偶液位传感器。图2所示的是由5根加热式热电偶传感器组成的组件的示意图。左侧2根传感器差分热电偶输出低电平右侧3根输出高电平,表明水位在右侧第3根与第4根之间即E2和E3之间。

　　上述的3种结构形式的铠装旁热式热电偶液位传感器中--体化结构的传感器(图1中a和c),由于参考温度点与敏感部位相距近敏感区域小适用于压力容器内温度场和流场不均匀的场合;另--种结构传感器(图1b),由于参考温度点可能远离敏感部位(可以与几支热端加热式热电偶液位传感器合用)适用于温度场和流场均匀的场合。
1.3传感器的传热分析
1)传感器在介质中的温度分布
　　如图3a所示的传感器的结构传感器的敏感部位为一小段圆柱体,内有加热丝忽略其轴向导热,根据传热学原理有:

　　式中:λ1、λ2和λ3分别为MgO、不锈钢和介质的导热系数ɑ为放热系数,q为加热丝加热功率线密度，Nu为努谢尔特数,Cr为葛拉晓夫数Pr为普朗特数。
　　为简化问题,由于Mg0导热性能良好不锈钢管很薄图3b所示的温度分布中,将不锈钢壁和MgO的导热系数均按Mg0的导热系数来考虑的。传感器在水/汽(气)介质中的温度分布表明在不同介质中热端加热热电偶测得的温度差是很大的。实际上,由于MgO导热性能良好,传感器外壁温度与加热热电偶测得的温度相差不大。

　　实验表明对于传感器而言,由于远不能算作无限长细杆其轴向导热是不能忽略的。另外适用的换热经验公式的选取也十分困难所以，上述理论计算只能作为设计参考。
2)传感器的响应时间分析
　　传感器的响应时间定义为:当液位阶跃上升淹没传感器的敏感部位或阶跃下降脱离敏感部位时取稳定终值的0.623时所对应的变化时间;或取传感器的温度上升或下降到某-给定阈值时所需的时间。
当液位.上升时,由于液体良好的传热性能所以传感器反应灵敏,当液位下降时,由于气体传热性能差所以反应较慢。对于核电站压力容器内液位最;关心的是液位下降时的时间响应,所以重点分析液位下降时的传感器响应时间。
　　由于MgO导热性能良好不锈钢管很薄,它们的温度降不大为简化问题令加热热电偶测得的温度就是传感器敏感区的温度。
设传感器的平均质量和比热为m和c,表面积为F。设液位下降时传感器的温度由液位开始下降时的液体温度T0(假定液/汽(气)平衡温度为液体温度T0).上升到在汽(气)中的T0+△T令时间1由0开始增加到dr的时间内传感器的温度上升了dT根据能量平衡原理传感器吸收的热量等于加热丝发出的热量减去介质的散热量则有:

　　上式表明,对于--定的传感器和环境状态当△T取定时,加热功率Q增加则响应时间l减小。显然，也可以通过改变△T值来改变响应时间1。△T可称作阈值。
3)传感器温度/温差输出波形分析与液位判断从上述测量原理可以看出热效应液位传感器的本质是借助于温度1温差的测量来判断液位的,它的最大优势在于:容易选用K型热电偶和镍铬加热丝以适用于核反应堆核电站压力容器内液位测量的辐照环境其结构简单可靠,使用寿命长信号幅度大便于远传等。它的主要缺点是,由于传热易受环境温度和流体流动的影响使用时必须要考虑应用环境状态;另-个缺点是由于热惯性使响应时间较长不适用于液位快速变化的场合。.
　　下面结合传热学原理给出一个典型工况的传感器的温度/温差输出波形特性分析液位上升逐渐浸没传感器与液位下降逐渐裸露传感器时的温度波形有助于液位判断和判断阈值的选取。
一般情况下液位上升时,T加热热偶领先T不加热热偶冷却至水温经分析,可以得到传感器的温度/温差输出波形如图4所示。

　　由于存在轴向导热加热丝的高温会使不加热热电偶处的温度也升高,所以,当水位缓慢.上升时,水首先浸没加热热电偶加热热电偶处的温度先于不加热热电偶处的温度到达水温,因此温差变化过程中会出现负值。
4)液位判断和判断阈值的选取
　　以图5(液位上升/下降时,T不加热热偶恒等于水温传感器的温度/温差输出波形)为例液位判断方法有两种:一种叫阈值判断法即输出的温差值低于阈值表明传感器敏感部位处在液体中;另一种方法是温差变化斜率(△T/△t)判断法,当液位在.上升/下降发生转化时温差响应曲线的斜率发生变化理论上讲斜率为零时表明液位已淹没或已脱离传感器的敏感部位。当温差曲线的斜率由零-负值-→零时液位开始浸没传感器的敏感部位->淹没传感器,当温差曲线的斜率由零-→正值-+零时液位开始离开传感器的敏感部位-→脱离传感器。这种趋势性判断有助于在复杂的环境中结合阈值可以更可靠地判断液位的位置。应用数字计算机技术,便能非常方便、可靠地判断液位的位置。对于别的几种温差波形图液位判断的方法与此相同。

2铠装旁热式热电偶液位传感器的实验研究
　　这里只讨论温度/温差响应时间的实验研究。
2.1传感器响应时间实验
　　任何一种传感器其响应时间是一个是否具有实用价值的重要指标。铠装旁热式热电偶液位传感器,由于它是借助温度变化来测量液位的热惯性大它的响应时间比较长所以其应用场合受到一些限制。铠装旁热式热电偶液位传感器的响应时间是指温度/温差响应液位变化的快慢。针对液位上升和下降,它有液位上升响应时间和下降响应时间而且液位下降响应时间远大于上升响应时间。
2.1.1实验装置
　　如图6所示,直流电源用来给传感器的加热丝供电温度计和毫伏表测量加热热电偶和不加热热电偶的温度和温差秒表记录时间。

2.1.2实验方法和步骤
1)常温常压环境中液位上升时,传感器响应时间测定实验
(1)实验步骤
①传感器通电加热(恒流);
②等待传感器在空气中温度稳定;
③温度稳定后模拟阶跃输入将传感器敏感部位快速插入一定水深;
④每隔△t时间记录差分热电偶输出值。
(2)实验结果
　　图7是0#传感器快速插入不同水深时的差分热电偶输出值。

　　当水深≥3.5cm时,水己淹没传感器的敏感区传感器的温差快速降到水温。.上述实验表明液位.上升时传感器的响应时间(T0.632)约为几秒钟。
2)常温常压环境中液位下降时,传感器响应时间测定实验
(1)实验步骤
①传感器通电加热(恒流);
②将传感器插入-定水深等待传感器在水中:温度稳定;.
③温度稳定后模拟阶跃输入将传感器敏感部位快速抽出水面;.
④每隔△t时间,记录差分热电偶输出值。
(2)实验结果
　　图8是0#传感器快速抽出水面时的差分热电偶的输出值。由于液位下降时传感器的响应时间(T0.632)比较长。

 
　　上述实验表明液位下降时,由于空气传热效果远差于水另外水位下降时传感器表面带水需要消耗-定热量来蒸发水膜,所以传感器的响应时间(T0.632)远大于液位上升时的响应时间响应时间约为几十秒。
2.2水位.上升和下降时组合式传感器的温差响应
　　为观测组合式传感器的温差响应将3只传感器按轴向不同水位高度布置实验时先进行水位上升实验随后做水位下降实验。
1)实验参数
①实验环境:常温常压空气/水;
②环境温度:29℃;
③加热电流:0.60A(3只传感器加热丝串联);
④传感器:4#6#7#
2)实验结果
　　图9是3只传感器随水位上升和下降时的温差响应曲线水位.上升时的温差的负值是由于加热热电偶的温度领先不加热热电偶到达水温。实验时由于很难做到水位上升和下降的速度-样,所以图中水位上升和水位下降时温差响应曲线长度不一样从图中温差响应曲线可以看出实验时水位下降的速度要快些。
　　实验结果清楚地表明在常温常压空气/水环境中信号非常清晰完全符合理论分析。由于信噪比很大水位测量与判别非常可靠。

3结论
　　根据.上述所论液位传感器的理论分析和实验研究可以得到如下结论:
1)结构简单可靠信噪比高信号可远传。
2)适用于水位的监测尤其适用于压水堆核电站压力容器内液位的测量和其他高可靠性要求的场合。
3)在常温常压水/空气环境中,当水位上升浸没传感器时传感器的响应时间(T0.632)约几秒,当.水位下降脱离传感器时传感器的响应时间(To62)约几十秒。
4)对于实验所用的传感器如果人工设置判别水位阈值△T为10℃这样水位上升时的响应时间约为4s水位下降时的响应时间约为20so。调节温差阈值△T,可以改变传感器的响应时间。结合温差变化的斜率可以有效提高测量的可靠性。
5)在保证加热丝表面热负荷不超过允许值情况下适当增加加热功率是有益的有利于提高灵敏度和改善水位下降时的响应速度。