自加熱式差分熱電阻水位傳感器的研究

摘要:自加熱式差分熱電阻水位傳感器由一支自加熱的熱電阻和另-支不加熱的熱電阻組成,可連續(xù)測(cè)量水位。理論分析表明水位與差分熱電阻AR,之間的關(guān)系為線性關(guān)系實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以用二次方關(guān)系來(lái)描述。水位傳感器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件熱式原理直接敏感水位,測(cè)量精度高工作安全可靠且壽命長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器的測(cè)量精度可達(dá)±1.5%該類型水位傳感器尤其適用于核場(chǎng)或其他高可靠應(yīng)用的場(chǎng)合。
0引言
　　工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)水位測(cè)量的傳感器很多,主要有:U型管液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、遠(yuǎn)傳膜盒壓力變送器/靜壓式液位計(jì)、壓力/差壓式液位計(jì)、電接點(diǎn)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和吹氣裝置液位計(jì)等。最近幾年,國(guó)內(nèi)研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)式熱式水位計(jì)例如加熱式熱電偶水位計(jì)。由于熱式水位計(jì)直接敏感水位可靠性高在化學(xué)工業(yè)和核電領(lǐng)域迫切需求能連續(xù)測(cè)量水位和可靠性高的熱式水位計(jì)例如壓水堆核電站中乏燃料池水位的測(cè)量,以及核安全級(jí)要求的儲(chǔ)水箱/罐和反應(yīng)堆廠房地坑中水位的監(jiān)測(cè)等。
1傳感器的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理
　　本研究采用結(jié)構(gòu)相同的兩支鎧裝鎳金屬熱電阻傳感器其-支用恒流(或恒功率)源直接加熱熱電阻本身(即自熱式)另一支不加熱(只用微小電流激勵(lì)以測(cè)量其電阻)這兩只鎧裝鎳金屬熱電阻傳感器組成差分信號(hào)輸出即采用數(shù)值差分方法分別測(cè)量?jī)芍粺犭娮璧碾娮柚惦S后相減得到差值,目的在于:①補(bǔ)償(消除)環(huán)境的影響;②消除己知的或未知的各種干擾，從而提高測(cè)量結(jié)果的精度。
　　自加熱式差分熱電阻水位傳感器其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單鎧裝管內(nèi)只有熱電阻絲和MgO絕緣材料,能連續(xù)測(cè)量水位,測(cè)量精度高熱慣性小測(cè)量響應(yīng)時(shí)間短,又能抗震和耐輻照能滿足高可靠性和長(zhǎng)壽命的要求,尤其適用于核場(chǎng)和高可靠性要求的工作環(huán)境。
1.1傳感器的基本結(jié)構(gòu)
　　自加熱式差分熱電阻水位傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,由鎧裝測(cè)量管Rt和鎧裝參考管Rrt組成。鎧裝測(cè)量管R1和鎧裝參考管Rrt由金屬套管、熱電阻純鎳絲和絕緣材料MgO組成。工作時(shí)測(cè)量管Rt內(nèi)熱電阻純鎳絲采用較大的電流加熱其為水位的敏感元件;參考管R。的結(jié)構(gòu)與測(cè)量管完全相同不同的是熱電阻純鎳絲不加熱(只有微小電流激勵(lì)),其敏感環(huán)境與水和氣介質(zhì)的特性,加熱熱電阻Rt和不加熱熱電阻Rrt組成差分信號(hào)輸出即采用數(shù)值差分方法分別測(cè)量?jī)芍犭娮璧碾娮柚惦S后相減得到差值△Rt。
 
1.2傳感器的測(cè)量原理與計(jì)量公式
　　如圖2所示,設(shè)水的溫度為T環(huán)水,氣體溫度為T環(huán)氣水中熱電阻Rt的高度為L(zhǎng)2。由于不加熱，鎧裝參考管中熱電阻R,敏感的是水和氣介質(zhì)的溫度、濕度和物性，以及流動(dòng)狀態(tài)等參數(shù)。鎧裝測(cè)量管中熱電阻Rt除了敏感Rrt的內(nèi)容外,由于通電加熱,在水中,鎧裝測(cè)量管中熱電阻Rt的溫度升高了△Tt水,在氣體中熱電阻R,的高度為L(zhǎng)1由于加熱熱電阻R,的溫度升高了△Ti氣,由于水的傳熱能力明顯大于氣體的傳熱能力所以△Tt氣明顯高于△Tt水,因而水的高度會(huì)明顯影響熱電阻Rt的大小即明顯影響這兩支熱電阻差值△Rt的大小,也就是△Rt的大小顯著地反應(yīng)了水位的高度,這就是自加熱式差分熱電阻測(cè)量水位的原理。
 
　　定義:R0(Ω/m)為0℃時(shí),單位水位高度上熱電阻絲電阻,即:
 
　　式中:ρ為熱電阻絲的電阻率,S為截面積,h0為單位水位高度.上熱電阻絲的長(zhǎng)度。
　　設(shè)熱電阻的溫度系數(shù)為α(1/℃)不計(jì)熱電阻線膨脹令鎧裝測(cè)量管R1內(nèi)熱電阻R1和鎧裝參考管R,內(nèi)熱電阻Rrt能同步地響應(yīng)工作環(huán)境和被測(cè)介質(zhì)的變化作用在Rt和Rrn有的各種干擾為;,對(duì)于給定的工作環(huán)境和水-氣介質(zhì),有下列方程組。
鎧裝參考管中熱電阻的總電阻R環(huán)t為:
 
　　式中:△Rt、△Tt氣和△Tt水為測(cè)量值,其余均為已知常數(shù)。
　　設(shè)ρ和α為常數(shù)對(duì)于一定的加熱功率與一定環(huán)境和水-氣介質(zhì),可以認(rèn)為△Tt氣和△Tt水恒定,上述水式(5)可以寫成如下形式:
 
　　上述式(6)即為水位計(jì)量公式為一直線方程說(shuō)明水位高度L2與熱電阻值△Rt之間為線性關(guān)系,為△Rt的單值函數(shù)其補(bǔ)償了環(huán)境影響又消除了各種干擾。
考慮到傳感器的實(shí)際結(jié)構(gòu)與理想的差別和傳感器的邊界效應(yīng)，也可采用二次方計(jì)量公式:
 
　　對(duì)于給定的傳感器,在-定的加熱功率和一-定的工作環(huán)境和被測(cè)介質(zhì)條件下,式(6)和式(7)中的A、B和C可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,一旦標(biāo)定,可看作常數(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí),只需測(cè)定Rt和Rrt計(jì)算出△Rt應(yīng)用計(jì)量公式便能測(cè)量出水位L2。在水位變送器中,采用微處理器技術(shù)上述過(guò)程是很容易實(shí)現(xiàn)的。
1.3關(guān)于傳感器計(jì)量公式的實(shí)際應(yīng)用
　　由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和差分熱電阻傳感器結(jié)構(gòu)的不一致性,又由于水和氣/汽的導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)境溫度有關(guān)使△Tt氣和△Tt水不會(huì)是常數(shù),它倆也很難正確計(jì)算和測(cè)量,所以實(shí)際應(yīng)用時(shí),根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和精度要求計(jì)量公式通常采用試驗(yàn)標(biāo)定方法。根據(jù)測(cè)量精度要求,可以采用線性或二次或三次方計(jì)量公式也可采用分段計(jì)量公式。例如,二次方計(jì)量公式:L2=A+B△Rt+C△R²t;三次方計(jì)量公式:L2=A+B△Rt+C△R²t+D△R³t;式中系數(shù)A、B、C和D采用試驗(yàn)方法,用最小二乘法原理擬合得到。
2實(shí)驗(yàn)研究
2.1實(shí)驗(yàn)用傳感器
　　實(shí)驗(yàn)研究所用的傳感器有兩種結(jié)構(gòu)形式,-種是外徑4.2mm的316L不銹鋼鎧裝套管內(nèi)含MgO絕緣的純鎳絲的傳感器,設(shè)計(jì)量程L為1200mm,如圖3所示。另--種是鳥籠結(jié)構(gòu)的傳感器,由內(nèi)含純鎳絲的多根直徑1.0mm的聚四氟乙烯套管組成,設(shè)計(jì)量程L為300mm,如圖4所示。
 
2.2實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量?jī)x表
　　實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量?jī)x表如圖5所示,傳感器放在水筒內(nèi)用精密電阻檢定儀測(cè)量Rrt,Rt用恒流源供電加熱,用Vdc/Idc得到Rt值t標(biāo)準(zhǔn)水位由透明U管讀取。
 
　　實(shí)驗(yàn)時(shí)水位上升與下降≥3次隨后取Rt和Rrt的平均值,用△Rt=(Rt-Rrt)計(jì)算得到熱電阻差△Rt值。
 
2.3實(shí)驗(yàn)方法
　　實(shí)驗(yàn)在水位上升和水位下降兩種工況下進(jìn)行每種工況下加熱電流恒定。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先排空水簡(jiǎn)內(nèi)的水傳感器通電加熱待熱平衡后開始實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行水位.上升試驗(yàn)然后再進(jìn)行水位下降試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每隔-定的水位間隔△L在熱平衡后讀取Vdc、ldc和Rrt值,計(jì)算△Rt然后處理數(shù)據(jù)。
2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.4.1鎧裝傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖6是量程800mm傳感器在常溫水氣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中顯示了△Rt隨L2的變化圖表中AR,出現(xiàn)負(fù)值是由于測(cè)量管的R。小于參考管的R,的原因;另外,為克服傳感器在兩端的邊界效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)在傳感器兩端留出100mm.200mm余量實(shí)驗(yàn)從100mm開始至900mm為止所以實(shí)際量程為0~800mm。
 
2.4.2鳥籠結(jié)構(gòu)的傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖7是量程300mm傳感器在常溫水氣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從圖中可以看出,實(shí)驗(yàn)時(shí)在傳感器兩端沒(méi)有留出余量所以,兩端存在明顯的邊界效應(yīng)。
 
3計(jì)量公式
3.I鎧裝傳感器的計(jì)量公式
　　表1是計(jì)量公式與標(biāo)準(zhǔn)誤差值,圖8和圖9是線性和二次方的計(jì)量公式圖中?=L2x=△Rt。
 
3.2鳥籠結(jié)構(gòu)傳感器的計(jì)量公式
　　表2是計(jì)量公式與標(biāo)準(zhǔn)誤差值圖10是鳥籠結(jié)構(gòu)
 
4結(jié)束語(yǔ)
　　從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下的結(jié)論:
1)自加熱式差分熱電阻水位傳感器能連續(xù)地測(cè)量水位在常溫常壓水空氣環(huán)境中,計(jì)量公式的標(biāo)準(zhǔn)誤差可達(dá)±1.5%;
2)實(shí)際應(yīng)用時(shí)取二次方計(jì)量公式已足夠正確;
3)若采用恒功率加熱方式結(jié)果會(huì)更好些,由于恒流電源較為簡(jiǎn)單采用恒流加熱方式在--定加熱功率范圍內(nèi)精度也已足夠了;
4)如果將傳感器敏感元件長(zhǎng)度做成1.1倍量程L可以有效地消除傳感器敏感元件兩端的熱傳導(dǎo)邊界效應(yīng)的影響,整個(gè)水位量程范圍內(nèi)都會(huì)有更好的線性度。