自加热式差分热电阻水位传感器的研究

摘要:自加热式差分热电阻水位传感器由一支自加热的热电阻和另-支不加热的热电阻组成,可连续测量水位。理论分析表明水位与差分热电阻AR,之间的关系为线性关系实际应用时也可以用二次方关系来描述。水位传感器没有运动部件热式原理直接敏感水位,测量精度高工作安全可靠且寿命长。试验结果表明,传感器的测量精度可达±1.5%该类型水位传感器尤其适用于核场或其他高可靠应用的场合。
0引言
　　工业领域内水位测量的传感器很多,主要有:U型管液位计、浮力式液位计、远传膜盒压力变送器/静压式液位计、压力/差压式液位计、电接点液位计、超声波液位计、导波雷达液位计和吹气装置液位计等。最近几年,国内研发了多种结构的单点式热式水位计例如加热式热电偶水位计。由于热式水位计直接敏感水位可靠性高在化学工业和核电领域迫切需求能连续测量水位和可靠性高的热式水位计例如压水堆核电站中乏燃料池水位的测量,以及核安全级要求的储水箱/罐和反应堆厂房地坑中水位的监测等。
1传感器的基本结构和测量原理
　　本研究采用结构相同的两支铠装镍金属热电阻传感器其-支用恒流(或恒功率)源直接加热热电阻本身(即自热式)另一支不加热(只用微小电流激励以测量其电阻)这两只铠装镍金属热电阻传感器组成差分信号输出即采用数值差分方法分别测量两只热电阻的电阻值随后相减得到差值,目的在于:①补偿(消除)环境的影响;②消除己知的或未知的各种干扰，从而提高测量结果的精度。
　　自加热式差分热电阻水位传感器其结构简单铠装管内只有热电阻丝和MgO绝缘材料,能连续测量水位,测量精度高热惯性小测量响应时间短,又能抗震和耐辐照能满足高可靠性和长寿命的要求,尤其适用于核场和高可靠性要求的工作环境。
1.1传感器的基本结构
　　自加热式差分热电阻水位传感器结构简图如图1所示,由铠装测量管Rt和铠装参考管Rrt组成。铠装测量管R1和铠装参考管Rrt由金属套管、热电阻纯镍丝和绝缘材料MgO组成。工作时测量管Rt内热电阻纯镍丝采用较大的电流加热其为水位的敏感元件;参考管R。的结构与测量管完全相同不同的是热电阻纯镍丝不加热(只有微小电流激励),其敏感环境与水和气介质的特性,加热热电阻Rt和不加热热电阻Rrt组成差分信号输出即采用数值差分方法分别测量两支热电阻的电阻值随后相减得到差值△Rt。
 
1.2传感器的测量原理与计量公式
　　如图2所示,设水的温度为T环水,气体温度为T环气水中热电阻Rt的高度为L2。由于不加热，铠装参考管中热电阻R,敏感的是水和气介质的温度、湿度和物性，以及流动状态等参数。铠装测量管中热电阻Rt除了敏感Rrt的内容外,由于通电加热,在水中,铠装测量管中热电阻Rt的温度升高了△Tt水,在气体中热电阻R,的高度为L1由于加热热电阻R,的温度升高了△Ti气,由于水的传热能力明显大于气体的传热能力所以△Tt气明显高于△Tt水,因而水的高度会明显影响热电阻Rt的大小即明显影响这两支热电阻差值△Rt的大小,也就是△Rt的大小显著地反应了水位的高度,这就是自加热式差分热电阻测量水位的原理。
 
　　定义:R0(Ω/m)为0℃时,单位水位高度上热电阻丝电阻,即:
 
　　式中:ρ为热电阻丝的电阻率,S为截面积,h0为单位水位高度.上热电阻丝的长度。
　　设热电阻的温度系数为α(1/℃)不计热电阻线膨胀令铠装测量管R1内热电阻R1和铠装参考管R,内热电阻Rrt能同步地响应工作环境和被测介质的变化作用在Rt和Rrn有的各种干扰为;,对于给定的工作环境和水-气介质,有下列方程组。
铠装参考管中热电阻的总电阻R环t为:
 
　　式中:△Rt、△Tt气和△Tt水为测量值,其余均为已知常数。
　　设ρ和α为常数对于一定的加热功率与一定环境和水-气介质,可以认为△Tt气和△Tt水恒定,上述水式(5)可以写成如下形式:
 
　　上述式(6)即为水位计量公式为一直线方程说明水位高度L2与热电阻值△Rt之间为线性关系,为△Rt的单值函数其补偿了环境影响又消除了各种干扰。
考虑到传感器的实际结构与理想的差别和传感器的边界效应，也可采用二次方计量公式:
 
　　对于给定的传感器,在-定的加热功率和一-定的工作环境和被测介质条件下,式(6)和式(7)中的A、B和C可以通过实验标定,一旦标定,可看作常数实际应用时,只需测定Rt和Rrt计算出△Rt应用计量公式便能测量出水位L2。在水位变送器中,采用微处理器技术上述过程是很容易实现的。
1.3关于传感器计量公式的实际应用
　　由于实际应用环境的复杂性和差分热电阻传感器结构的不一致性,又由于水和气/汽的导热系数与环境温度有关使△Tt气和△Tt水不会是常数,它俩也很难正确计算和测量,所以实际应用时,根据应用环境和精度要求计量公式通常采用试验标定方法。根据测量精度要求,可以采用线性或二次或三次方计量公式也可采用分段计量公式。例如,二次方计量公式:L2=A+B△Rt+C△R²t;三次方计量公式:L2=A+B△Rt+C△R²t+D△R³t;式中系数A、B、C和D采用试验方法,用最小二乘法原理拟合得到。
2实验研究
2.1实验用传感器
　　实验研究所用的传感器有两种结构形式,-种是外径4.2mm的316L不锈钢铠装套管内含MgO绝缘的纯镍丝的传感器,设计量程L为1200mm,如图3所示。另--种是鸟笼结构的传感器,由内含纯镍丝的多根直径1.0mm的聚四氟乙烯套管组成,设计量程L为300mm,如图4所示。
 
2.2实验装置与测量仪表
　　实验装置与测量仪表如图5所示,传感器放在水筒内用精密电阻检定仪测量Rrt,Rt用恒流源供电加热,用Vdc/Idc得到Rt值t标准水位由透明U管读取。
 
　　实验时水位上升与下降≥3次随后取Rt和Rrt的平均值,用△Rt=(Rt-Rrt)计算得到热电阻差△Rt值。
 
2.3实验方法
　　实验在水位上升和水位下降两种工况下进行每种工况下加热电流恒定。实验时首先排空水简内的水传感器通电加热待热平衡后开始实验先进行水位.上升试验然后再进行水位下降试验。试验时每隔-定的水位间隔△L在热平衡后读取Vdc、ldc和Rrt值,计算△Rt然后处理数据。
2.4实验结果
2.4.1铠装传感器的实验结果
　　图6是量程800mm传感器在常温水气环境下的实验结果图中显示了△Rt随L2的变化图表中AR,出现负值是由于测量管的R。小于参考管的R,的原因;另外,为克服传感器在两端的边界效应实验时在传感器两端留出100mm.200mm余量实验从100mm开始至900mm为止所以实际量程为0~800mm。
 
2.4.2鸟笼结构的传感器的实验结果
　　图7是量程300mm传感器在常温水气环境下的实验结果从图中可以看出,实验时在传感器两端没有留出余量所以,两端存在明显的边界效应。
 
3计量公式
3.I铠装传感器的计量公式
　　表1是计量公式与标准误差值,图8和图9是线性和二次方的计量公式图中Ƴ=L2x=△Rt。
 
3.2鸟笼结构传感器的计量公式
　　表2是计量公式与标准误差值图10是鸟笼结构
 
4结束语
　　从上述实验结果可以得到如下的结论:
1)自加热式差分热电阻水位传感器能连续地测量水位在常温常压水空气环境中,计量公式的标准误差可达±1.5%;
2)实际应用时取二次方计量公式已足够正确;
3)若采用恒功率加热方式结果会更好些,由于恒流电源较为简单采用恒流加热方式在--定加热功率范围内精度也已足够了;
4)如果将传感器敏感元件长度做成1.1倍量程L可以有效地消除传感器敏感元件两端的热传导边界效应的影响,整个水位量程范围内都会有更好的线性度。