電加熱元件的製作方法

2023-05-30 10:21:11 3

專利名稱：電加熱元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種棒狀的電加熱元件，該加熱元件包括外殼和嵌入外殼中的、可加 載電能的導線。
背景技術：
測量裝置和液位探針尤其使用在核電站中，在這些裝置中根據由加熱的熱電偶產 生的熱電動勢推斷出在液體容器中的液位高度，因為這些裝置相對於基於其它的測量原理 的測量裝置對於放射性的輻射來說相比較而言並不敏感，並因此即使在有故障的情況時也 還能伴隨著在一定條件下升高的輻射值可靠地工作。這樣的測量裝置尤其應用在壓水反應 堆的反應堆壓力容器中，以便在該處監測經過電廠設備的初級循環迴路流動的、在燃燒件 (Brenne 1 emente)之上的冷卻液的液位高度。測量原理充分利用了不同的熱傳導特性，這些熱傳導特性出現在熱量從加熱元件 一方面傳導至包圍住加熱元件的液體冷卻劑時並且另一方面傳導至氣體狀或蒸氣狀的介 質時。只要加熱元件被液體冷卻介質包圍著，那就使得由加熱元件產生的熱量迅速排出，從 而即使在其緊鄰的周圍環境中，溫度也只位於那個可能在非加熱情況下調節出現的周圍環 境溫度以上一點。現在如果例如在正常的反應堆運行期間或者也在反應堆有故障的情況下 出現了以下情況，即受運行的限制或者根據在初級循環迴路中的壓力損失，反應堆堆殼中 的液位降低到加熱元件的高度之下，該加熱元件因此被蒸氣狀的冷卻劑包圍，所以熱傳導 特性就變差了。這造成了在加熱元件的周圍環境中的溫度升高，這可以通過毗鄰於加熱元 件安置的溫度計或者溫度探測器來證實。由於熱電偶的可靠而堅固的工作原理，一般將其 用作溫度探測器，熱電偶提供一種基本上與溫度成比例的熱電動勢。多個加熱的熱電偶通常以大多情況下有規律的間距相互布置在棒狀的或管狀的 支架上或者長形的測量管上，測量管浸入在需要對於其液位進行監測的液體中，而且在其 內部中也引導了為了給加熱元件供電和為了傳輸信號至外部的分析單元所必需的供電線 和信號線。布置在不同高度的傳感器或者測量位置因此可以實現數字的、空間分立地顯示 容器中的液位高度，其中(局部的)解析度取決於每個高度部段的熱傳感器的數量。這種 類型的測量裝置例如在RU 2153712 Cl中公開了。除了作為初級信號發送器起作用的加熱 的熱電偶之外這裡也還布置了多個在測量管的內部中的未加熱的電熱偶，這些熱電偶提供 對應於各自的初級信號的參考信號。以這種方式可以在分析溫度信息和由此推導求出液位 高度時也考慮到液體溫度或周圍環境溫度的隨時間的變化。如果沒有一種這樣的措施，則 例如液體溫度的升高或降低可能錯誤地被示為液位高度的變化，或者通過液體的同時的溫 度變化而「掩蓋」液位高度的事實上的變化。確定儘可能精確的液位值取決於熱電偶的測量精度，然而也取決於由加熱元件提 供的溫度的可再現性。已知的加熱元件通常在施加的加熱電流和尤其通過加熱元件的整個 長度產生的溫度之間沒有精確的線性關係。

發明內容
本發明的目的是提出一種加熱元件，該加熱元件具有可以儘可能精確地確定的特 性，而且其具有在結構上的預定值的儘可能精確的可再現性。該目的根據本發明通過一種棒狀的電加熱元件來實現，該加熱元件具有導電的外 殼和嵌入外殼中的電導線，該電導線具有至少兩個分別具有不同的電特性和/或導熱性的 導線部段。至少一個電導線與外殼熱接觸，優選地在棒狀的加熱元件的端部上，以便可以在 可加載加熱電流的導線和外殼之間實現良好的導熱。這種加熱元件尤其可以應用在用於在 液體容器中、尤其是在核技術設備的反應堆堆殼中測量液位的裝置中。至少兩個分別具有 不同的電特性和/或熱特性的金屬的導線部段可以精確地確定熱特性和電特性，並且尤其 是可以取決於周圍環境溫度，尤其是冷卻介質的溫度，精確地控制可傳輸至可與加熱元件 耦合的熱電偶上的熱流。本發明的一種優選的設計方案提出，至少兩個具有不同導熱性的導線部段分別直 接相互鄰接或依次緊隨。以這種方式可以確保在加熱元件和可與之耦合的熱電偶之間的測 量地點或耦合位置的精確定位。視導線部段的種類及其分別至具有其它特性的其它導線部 段的距離而定可以選擇耦合位置，以便獲得所希望的測量精度。尤其可以獲得加熱元件的不同種類的導線部段的不同的熱特性和/或電特性，其 方法是至少兩個不同的導線部段分別具有金屬的不同的材料成分。因此可以由具有降低的 導熱性的金屬製成加熱元件的第一導線部段。該第一導線部段因此形成加熱元件的所謂 的「冷部分」。例如鎳或者主要是鎳成分的鎳合金適合用於獲得第一導線部段的所希望的特 性。加熱元件的這個所謂的冷部分因此可以顯示出具有強信號變化的、相對較大的測量範 圍。第一導線部段的電阻與溫度有相對明顯的相關性，在將鎳應用於該第一導線部段時，當 溫度為30°C時電阻值例如可以大約為10歐姆，而在溫度為360°C時，電阻值可達大約50歐 姆。因為這種電阻的變化以近似線性的特性曲線地進行，因此可精確再現的測量值可取決 於冷卻介質的溫度或周圍的介質的溫度實現。優選的是，至少一個第二導線部段、加熱元件的所謂的「熱部分」由具有高導熱性 的金屬製成。尤其適合於此的是金屬如鎳鉻(NiCr)。可以有選擇地設有僅一個這樣的第二 導線部段。但也可以在加熱元件中設置多個「熱部分」，它們例如由鎳鉻製成。所選的材料 必須具有儘可能高的熱流，也就是說儘可能高的電阻。為了避免加熱元件的線性的電阻通 過溫度變化而部分地以在加熱元件的「熱部分」中起控制作用的溫度為基礎而改變，至少一 個第二導線部段的材料具有電阻與溫度之間的儘可能小的溫度關係。鉻鎳提供了這種所希 望的特性。加熱元件還可以具有金屬的外部的外殼、尤其是由不鏽鋼製成的外殼。該外殼用 於保證加熱元件的介質阻抗(Medienresistenz)和較長的使用壽命。在該外部的外殼之 內，加熱元件可以嵌入絕緣體中。尤其是礦物材料、例如氧化鎂(MgO)適合於作為用於絕緣 體的材料。在液位指示器中使用根據本發明的加熱元件時，加熱元件的上面的部分放置在介 質或冷卻水的上面的部段中。以這種方式可以利用加熱元件的該上面的部段覆蓋相對較大 的軸向的溫度梯度。為了避開在檢測介質溫度時的測量精度，加熱元件的這個部段具有一 種材料，該材料的電阻只是和溫度略微相關。此外加熱元件的該部段可以具有較大的直徑，因此可以使加熱元件的線性的電阻變化實現更加精確的可調整性，這是因為由此使得上面 的部段的量值與整個電阻變化相比減小了。本發明還包括一種用於在液體容器中、尤其是在核技術設備的反應堆堆殼中測量 液位的裝置，該裝置具有多個長形的、相互間隔開的測量管，其中每個測量管具有多個在縱 向方向上分布地布置的熱電偶，而且其中至少一個熱電偶具有根據前面所述實施方式中任 一種的加熱元件。該裝置尤其適用於監測液位並進而可以以有利的方式用作為核反應堆的 安全裝置的組成部分。本發明因此也包括一種核技術設備，其具有這種用於監測液位的裝 置，該裝置具有至少一個根據前面所述實施變體中任一種的加熱元件。當然也可考慮加熱 元件的其它使用領域，其中重要的是所提供的測量值的精度。概況而言根據本發明實現了一種加熱元件，其導電的導體(「加熱絲」)具有至少兩 個不同的區域也就是具有比較高的加熱功率的「熱」加熱區，因此在運行期間在該範圍中 為了進行測量在周圍的冷卻介質上進行局部的熱傳導；和(空間上與加熱區域分離開的) 與之相比具有可忽略的加熱功率的更冷的區域，該區域通過與周圍的冷卻介質的熱接觸基 本上具有在該部段中的冷卻介質的溫度。由於加熱區域和非加熱區域在空間上分離，因此 在非加熱區域的範圍中的周圍的冷卻介質的溫度並不進一步由於加熱區域的範圍中的局 部的加熱過程而受到影響或者失真(verfaelscht)。通過局部加熱可以與布置在加熱區域附近的溫度探測器、尤其是與熱電偶結合 地，利用測量技術來檢測從加熱元件到周圍的冷卻介質的熱傳導的質量，並因此推斷出在 這個範圍中(液體的或氣體狀的)冷卻介質的物態。加熱區域與對應的熱電偶在一定程度 上一起構成了用於熱傳導測量且進而最終也用於液位測量的探針。由此可以判斷液面是否 位於加熱區域之下或者之上。在加熱區域的範圍中，加熱絲適宜地由具有相對高的(電學的)電阻率並具有電 阻率的相比較更小的溫度關係的材料製成，例如由鎳鉻(NiCr)製成。因此形成加熱區域的 加熱絲部段的總電阻基本上與取決於加熱而調整的瞬時材料溫度無關。與此相反，金屬絲 或導體在非加熱區域的範圍中適合地由一種材料製成，該材料具有電阻率與材料溫度之間 的相比較更明顯的、優選為線性的關係，材料溫度在此範圍中(如上面所述那樣)基本上由 周圍環境溫度、也就是說由周圍的冷卻介質的溫度來確定。一種適合的材料例如是鎳(Ni)。 加熱絲的、由串聯的加熱區域和非加熱區域的電阻相加組成的總電阻的溫度關係因此基本 上僅僅由非加熱區域的範圍中的溫度關係來確定。通過這種結構加熱絲的總電阻理想地線性地隨圍繞裝置的冷卻介質的溫度而增 大，確切地說不受加熱區域的範圍中所發生的局部加熱過程的影響，這些加熱過程在此 (局部限制的)在一定情況下導致有偏差的並且隨時間而變化的溫度。可利用測量技術簡 單地檢測到的這個總電阻因此是用於確定總的冷卻劑溫度的適合的特徵值。例如可以一次 以一種校準測量的形式記錄溫度-電阻-特性曲線，藉助於該曲線以下用於根據當前所測 的電阻值確定當前的冷卻劑溫度。因此在一定條件下可以取消用來確定冷卻劑溫度的一種 單獨分開的溫度探測器，或者可以用多樣的測量原理實現對於這樣的溫度探測器來說的備 用的測量。在冷卻劑溫度的這樣的測量值的基礎上，例如可以進行對於加熱元件的與溫度 相關的加熱電流調節，以用於對隨溫度而變化的熱傳導係數的例如不期望的次級效應進行 補償，該熱傳導係數用於從加熱元件的加熱區域到冷卻介質的熱傳導。
除了已經提到的加熱區域和「溫度敏感的」非加熱區域之外，加熱元件的電導線也 還可以包括其它的部段，它們適宜地由具有電阻率的儘可能小的溫度關係的材料製成和/ 或通過相應大尺寸的導線橫截面只是很少地有助於金屬絲或導線的總電阻，而且因此並不 是根據上面所述的那樣對溫度敏感。因此對於溫度測量有效的導線部段，就是說溫度測量 區域，和其在總布置之內的空間位置可以精確地通過材料轉換的合適的定位進行確定。


根據附圖對本發明的一個實施例詳細地加以說明。附圖所示為圖1是一種根據本發明的加熱元件的示意圖；圖2是加熱元件的第一變體的縱向剖視簡圖；和圖3是加熱元件的第二變體的縱向剖視簡圖。
具體實施例方式圖1的示意圖示出了一種棒狀的電加熱元件10的一個實施例，該加熱元件在長形 的下面部段12中具有固定的直徑，該直徑小於上面部段14的同樣也是固定的直徑。加熱 元件10的上面部段14的直徑例如可為大約2mm，而下面部段12的直徑大約為1mm，長度可 為大約500mm。上面部段的長度可以變化，這取決於加熱元件10的使用目的和實施變體而 定。上面部段14的較大的直徑可以改善加熱元件10的參數的可調整形，因為這樣減小了 上面部段14相對於整個電阻變化的值，這根據以下附圖還要詳細敘述。圖2和圖3的示意圖分別表示了加熱元件10的第一或第二變體的縱向截面。金 屬外殼16上面敞開、下面封閉，從而其整體上具有一種長形容器的結構形狀，在該外殼之 內嵌入U形導線18，其中通過由氧化鎂製成的絕緣體20填充間隙。在加熱元件10的下面 部段12中，在導線18和外殼16之間有導電接觸。外殼16尤其是可以由不鏽鋼材料(例 如1.4306,1.4435或者2. 4816)製成，而導線18由不同的導線部段構成，這些導線部段由 不同的金屬製成。第一導線部段22由具有相對較小的導熱性的金屬製成。這裡適合的尤其是鎳或 鎳合金。由於較低的導熱性，第一導線部段22也可以稱為加熱元件10的「冷部分」。第二 導線部段對由具有高導熱性的金屬製成，適合於此的尤其是鎳鉻。該第二導線部段M構 成了加熱元件的真正的加熱區域。由於較高的導熱性，該第二導線部段M也可以稱為加熱 元件10的「熱部分」。無論是第一導線部段22還是第二導線部段M都布置在加熱元件10 的具有較小直徑的下面部段12中。例如可以由銅製成的第三導線部段沈位於具有較大直 徑的上面部段14中。圖2和3所示的兩種實施變體的區別在於將第二導線部段M分別不同地布置在 不同的高度上。形成真正的加熱區域的第二導線部段M在根據圖2的第一變體中布置在 下面部段12的下端部並且一直到達外殼16的下端面，而加熱區域和進而第二導線部段M 在根據圖3的第二變體中位於下面部段12的中間區域中。下面部段12的下面的區域又由 第一種由鎳或鎳合金製成的導線部段填充。第一導線部段22 —直到達外殼16的下端面。 第一種由鎳製成的另一個導線部段22又位於由鉻鎳製成的第二導線部段M之上。加熱區域或第二導線部段M的長度例如可以為50mm。 由圖2和3可見，在不同的導線部段22，對和沈的不同金屬之間的轉換並沒有中 斷或者間隔。這些連接例如可以通過熔焊或者釺焊來建立。為了得到一種具有可儘可能精 確再現的電特性和熱特性的加熱元件，重要的是，U形導線18的兩個支腿的構造很大程度 上是對稱的；也就是說第一和第二導線部段22和M在兩個支腿中的每個支腿上分別精確 地長度相等並且定位於相同高度上。參考標號表
10電加熱元件
12下面部段
14上面部段
16外殼
18導線
20絕緣體
22第一導線部段
24第二導線部段
26第三導線部段
權利要求
1.一種電加熱元件(10)，尤其是應用在用於在液體容器中、尤其是在核技術設備的反 應堆堆殼中測量液位的裝置中，所述加熱元件包括一個導電的外殼(16)和至少一個嵌入 所述外殼中的電導線(18)，所述電導線與所述外殼(16)導電接觸，其特徵在於，所述電導 線(18)具有至少兩個分別具有不同的電特性和/或導熱性的導線部段(22，24)。
2.根據權利要求1所述的加熱元件，其特徵在於，所述至少兩個具有不同的導熱性的 導線部段(22，24)分別直接相互鄰接。
3.根據權利要求1或2所述的加熱元件，其特徵在於，所述至少兩個不同的導線部段 (22，24)分別具有不同的材料成分。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的加熱元件，其特徵在於所述電導線(18)的金屬 的導線部段(22，24)。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的加熱元件，其特徵在於，所述加熱元件(10)的 第一導線部段(22)由具有降低的導熱性的材料或金屬製成。
6.根據權利要求5所述的加熱元件，其特徵在於，所述第一導線部段(22)由鎳或者由 主要是鎳成分的鎳合金製成。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的加熱元件，其特徵在於，所述加熱元件(10)的 第二導線部段(24)由具有高導熱性的材料或金屬製成。
8.根據權利要求7所述的加熱元件，其特徵在於，所述第二導線部段(24)由鎳鉻 (NiCr)製成。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的加熱元件，其特徵在於，所述加熱元件(10)的 所述外部的外殼(16)由金屬、尤其是由不鏽鋼製成。
10.根據權利要求9所述的加熱元件，其特徵在於，所述加熱元件(10)在所述外部的外 殼(16)之內至少分段地嵌入在絕緣體(20)中。
11.根據權利要求10所述的加熱元件，其特徵在於，所述絕緣體(20)由礦物材料製成， 或者具有礦物材料。
12.一種裝置，用於在液體容器中、尤其是在核技術設備的反應堆堆殼中測量液位，所 述裝置具有多個長形的、相互間隔開的測量管，其中每個測量管具有多個在縱向方向上分 布地布置的熱電偶，而且其中至少一個熱電偶分配有根據權利要求1至11中任一項所述的 加熱元件(10)。
13.一種核技術設備、尤其是壓水反應堆，具有根據權利要求12所述的用於監測液位 的裝置，所述裝置具有至少一個根據權利要求1至11中任一項所述的加熱元件(10)。
全文摘要
本發明涉及一種棒狀的電加熱元件，尤其是應用在用於在液體容器中、尤其是在核技術設備的反應堆堆殼中測量液位的裝置中，該加熱元件包括一個導電的外殼和至少一個嵌入外殼中的電導線，該電導線與外殼導電接觸。電導線具有至少兩個分別具有不同的電特性和/或導熱性的導線部段。
文檔編號G01F23/22GK102090141SQ200880127467
公開日2011年6月8日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年2月26日
發明者斯特凡·普夫勒格, 沃爾夫岡·福格特, 維爾弗裡德·哈夫斯特, 薩哈·克歇爾 申請人:阿雷瓦核能有限責任公司