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)系實際應(yīng)用時也可以用二次方關(guān)系來描述。水位傳感器沒有運動部件熱式原理直接敏感水位,測量精度高工作安全可靠且壽命長。試驗結(jié)果表明,傳感器的測量精度可達±1.5%該類型水位傳感器尤其適用于核場或其他高可靠應(yīng)用的場合。
0引言
　　工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)水位測量的傳感器很多,主要有:U型管液位計、浮力式液位計、遠傳膜盒壓力變送器/靜壓式液位計、壓力/差壓式液位計、電接點液位計、超聲波液位計、導(dǎo)波雷達液位計和吹氣裝置液位計等。最近幾年,國內(nèi)研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的單點式熱式水位計例如加熱式熱電偶水位計。由于熱式水位計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)測量水位和可靠性高的熱式水位計例如壓水堆核電站中乏燃料池水位的測量,以及核安全級要求的儲水箱/罐和反應(yīng)堆廠房地坑中水位的監(jiān)測等。
1傳感器的基本結(jié)構(gòu)和測量原理
　　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(只用微小電流激勵以測量其電阻)這兩只鎧裝鎳金屬熱電阻傳感器組成差分信號輸出即采用數(shù)值差分方法分別測量兩只熱電阻的電阻值隨后相減得到差值,目的在于:①補償(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)簡單鎧裝管內(nèi)只有熱電阻絲和MgO絕緣材料,能連續(xù)測量水位,測量精度高熱慣性小測量響應(yīng)時間短,又能抗震和耐輻照能滿足高可靠性和長壽命的要求,尤其適用于核場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)簡圖如圖1所示,由鎧裝測量管Rt和鎧裝參考管Rrt組成。鎧裝測量管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。工作時測量管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),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組成差分信號輸出即采用數(shù)值差分方法分別測量兩支熱電阻的電阻值隨后相減得到差值△Rt。
 
1.2傳感器的測量原理與計量公式
　　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L2。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，以及流動狀態(tài)等參數(shù)。鎧裝測量管中熱電阻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L1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量水位的原理。
 
　　定義:R0(Ω/m)為0℃時,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.上熱電阻絲的長度。
　　設(shè)熱電阻的溫度系數(shù)為α(1/℃)不計熱電阻線膨脹令鎧裝測量管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)境和被測介質(zhì)的變化作用在Rt和Rrn有的各種干擾為;,對于給定的工作環(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水為測量值,其余均為已知常數(shù)。
　　設(shè)ρ和α為常數(shù)對于一定的加熱功率與一定環(huán)境和水-氣介質(zhì),可以認為△Tt氣和△Tt水恒定,上述水式(5)可以寫成如下形式:
 
　　上述式(6)即為水位計量公式為一直線方程說明水位高度L2與熱電阻值△Rt之間為線性關(guān)系,為△Rt的單值函數(shù)其補償了環(huán)境影響又消除了各種干擾。
考慮到傳感器的實際結(jié)構(gòu)與理想的差別和傳感器的邊界效應(yīng)，也可采用二次方計量公式:
 
　　對于給定的傳感器,在-定的加熱功率和一-定的工作環(huán)境和被測介質(zhì)條件下,式(6)和式(7)中的A、B和C可以通過實驗標(biāo)定,一旦標(biāo)定,可看作常數(shù)實際應(yīng)用時,只需測定Rt和Rrt計算出△Rt應(yīng)用計量公式便能測量出水位L2。在水位變送器中,采用微處理器技術(shù)上述過程是很容易實現(xiàn)的。
1.3關(guān)于傳感器計量公式的實際應(yīng)用
　　由于實際應(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水不會是常數(shù),它倆也很難正確計算和測量,所以實際應(yīng)用時,根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和精度要求計量公式通常采用試驗標(biāo)定方法。根據(jù)測量精度要求,可以采用線性或二次或三次方計量公式也可采用分段計量公式。例如,二次方計量公式:L2=A+B△Rt+C△R²t;三次方計量公式:L2=A+B△Rt+C△R²t+D△R³t;式中系數(shù)A、B、C和D采用試驗方法,用最小二乘法原理擬合得到。
2實驗研究
2.1實驗用傳感器
　　實驗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)計量程L為300mm,如圖4所示。
 
2.2實驗裝置與測量儀表
　　實驗裝置與測量儀表如圖5所示,傳感器放在水筒內(nèi)用精密電阻檢定儀測量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。
 
　　實驗時水位上升與下降≥3次隨后取Rt和Rrt的平均值,用△Rt=(Rt-Rrt)計算得到熱電阻差△Rt值。
 
2.3實驗方法
　　實驗在水位上升和水位下降兩種工況下進行每種工況下加熱電流恒定。實驗時首先排空水簡內(nèi)的水傳感器通電加熱待熱平衡后開始實驗先進行水位.上升試驗然后再進行水位下降試驗。試驗時每隔-定的水位間隔△L在熱平衡后讀取Vdc、ldc和Rrt值,計算△Rt然后處理數(shù)據(jù)。
2.4實驗結(jié)果
2.4.1鎧裝傳感器的實驗結(jié)果
　　圖6是量程800mm傳感器在常溫水氣環(huán)境下的實驗結(jié)果圖中顯示了△Rt隨L2的變化圖表中AR,出現(xiàn)負值是由于測量管的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)實驗時在傳感器兩端留出100mm.200mm余量實驗從100mm開始至900mm為止所以實際量程為0~800mm。
 
2.4.2鳥籠結(jié)構(gòu)的傳感器的實驗結(jié)果
　　圖7是量程300mm傳感器在常溫水氣環(huán)境下的實驗結(jié)果從圖中可以看出,實驗時在傳感器兩端沒有留出余量所以,兩端存在明顯的邊界效應(yīng)。
 
3計量公式
3.I鎧裝傳感器的計量公式
　　表1是計量公式與標(biāo)準(zhǔn)誤差值,圖8和圖9是線性和二次方的計量公式圖中?=L2x=△Rt。
 
3.2鳥籠結(jié)構(gòu)傳感器的計量公式
　　表2是計量公式與標(biāo)準(zhǔn)誤差值圖10是鳥籠結(jié)構(gòu)
 
4結(jié)束語
　　從上述實驗結(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)地測量水位在常溫常壓水空氣環(huán)境中,計量公式的標(biāo)準(zhǔn)誤差可達±1.5%;
2)實際應(yīng)用時取二次方計量公式已足夠正確;
3)若采用恒功率加熱方式結(jié)果會更好些,由于恒流電源較為簡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,整個水位量程范圍內(nèi)都會有更好的線性度。