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加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法

2023-08-09 15:50:06 2

專利名稱:加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法
技術領域:
本發明涉及一種傳感器的製備方法,特別涉及一種加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法。
背景技術:
目前,壓力容器內的水位測量常採用鎧裝電纜式傳感器進行測量,這種傳感器具有如下不足:1、常規的鎧裝電纜(比如鎧裝熱電偶)不能分辨氣液界面;2、常規鎧裝電纜(t匕如鎧裝加熱器)也不能分辨出氣液界面,不能用於液位測量。現有的加熱式熱電偶液位測量傳感器,採用國外生產的產品,其成本高,維修困難,嚴重製約了我國液位測量技術的發展。因此,找到一種生產工藝,使其得到的加熱式熱電偶液位測量傳感器即能滿足復現性很好,解析度高,能夠滿足超負荷試驗等要求,在高溫高壓等惡劣環境下能準確判斷液氣(汽)界面的技術要求,又能降低生產成本,是本領域亟待解決的問題。

發明內容
本發明的目的,是提供一種加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法,採用該方法製得的傳感器能夠在高溫高壓下準確判斷液氣(汽)界面的傳感器。本傳感器復現性很好,解析度高,能夠滿足超負荷試驗等要求,在高溫高壓等惡劣環境下能準確判斷液氣(汽)界面,並且工藝簡單,產品統一性好。實現本發明所述的技術方案是:
加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法,有以下步驟:
1)將加熱絲對摺,並把對摺的一端固定陶瓷管上,另一端等距離雙繞在陶瓷管上,隨後將加熱絲的兩端匯於陶瓷管的一端,固定;
2)在步驟I)所述的纏繞有加熱絲的陶瓷管外表面塗上一層釉粉,800°C的高溫下燒結10分鐘,冷卻至室溫;
3)調節步驟2)所述的經燒結後的陶瓷管上的加熱絲的電阻值,使其電阻值為20 ±0.1 Ω,得到加熱元件;
4)取具有四個通孔的氧化鎂瓷柱在2100°C燒結I小時後,隨爐冷卻,按照順時針方向並按照正極熱電偶絲、鎳引線、負極熱電偶絲、鎳引線的順序將其分別裝進氧化鎂瓷柱的四個通孔中,再將氧化鎂瓷柱穿入第二外套管中,組裝成鎧裝電纜初品;
5)將步驟4)所述的鎧裝電纜初品軋頭、拉拔,然後再在800°C退火30分鐘,冷卻至室
溫;
6)按照步驟5)所述的方法進行多次軋頭、拉拔和熱處理,直到第二外套管直徑為Φ3.4 Φ3.5mm,停止拉拔,第二外套管與正、負極熱電偶絲及鎳引線之間的氧化鎂瓷柱在拉拔過程中破粹成絕緣粉;
7)將經過步驟6)處理後的鎧裝電纜剝出兩端的正、負極熱電偶絲及鎳引線,使鎧裝電纜兩端的正、負極熱電偶絲及鎳引線伸出第二外套管,然後再將該鎧裝電纜放入烘箱內在300°C烘烤6小時,將伸出第二外套管的一端鎧裝電纜的正、負極熱電偶絲的頂端與第二外套管一起焊接成碰底型熱接點,將另一端灌膠密封,烘乾、測試,選擇熱電性能良好,並且熱電性能一致的鎧裝電纜,密封得到鎧裝電纜成品;
8)取加熱元件,將步驟7)所得的鎧裝電纜成品的熱接點插入加熱元件內的陶瓷管中,採用氬弧焊,將兩根鎳引線分別與加熱元件一端的加熱絲的兩個端頭焊接連接,要求焊接點光亮、可靠,並將鎧裝電纜和加熱元件放進第一外套管6中,第一外套管的加入元件端灌入絕緣材料後,450°C烘烤2小時,封頭焊接並密封有加熱元件端,確保焊接端無洩漏,按照要求的尺寸取其長度的鎧裝電纜,剝出第一外套管遠離加入元件端的鎧裝電纜的正、負極熱電偶絲和鎳引線,在300°C烘烤6小時,滿足絕緣要求後,用膠密封非焊接端,烘乾,得到加熱式熱電偶液位測量傳感器。步驟I)所述的加熱絲採用熔點為1400°C,密度為8.4克/立方毫米,延伸率彡20,電阻率1.09±0.05μΩ.πι,導熱係數為60.3 kj/m.h°C,線脹係數為18的金屬材料。步驟4)所述的鎳引線採用熔點為1435 1446°C,比重為8.80 8.95,導熱係數為 0.56 0.65 (100°C)卡 / 釐米.秒.V,電阻係數為 9.2μΩ.cm 9.7μΩ.cm(20°C )的金屬材料。

步驟4)所述的負極熱電偶絲採用電阻溫度係數為1.13 X IO-3/ V 1.25X1(T3/°C,電阻率為 0.266μΩ.πι 0.275μΩ.m 的金屬材料。步驟4)所述的正極熱電偶絲採用電阻溫度係數為1.03 X IO-3/ V 1.16X1(T3/°C,電阻率為 0.688μΩ.m 0.755μΩ.m 的金屬材料。所述外套管採用不鏽鋼材料。步驟5)、6)所述的拉拔過程中,第二外套管直徑的變化量 99.5%。採用本發明方法製得的加熱式熱電偶液位測量傳感器,其原理是基於發熱體在氣(汽)體和液體中放熱係數的顯著差異,來判斷出液氣(汽)界面的準確位置。本發明具有如下有益效果:
1.本發明所述的加熱式熱電偶液位測量傳感器由一個加熱元件和一支鎧裝電纜兩部分組合而成。由於加熱元件維持恆定功率,具有良好的穩定性,鎧裝熱電偶具有良好的準確性和可靠性,因此加熱式熱電偶液位測量傳感器能夠用於壓力容器進行測溫。2.本發明所述的加熱式熱電偶液位測量傳感器從原材料選擇、製造工藝設計等方面進行了研究,確保所述的傳感器復現性、高解析度和高超負荷性能,因此,所述傳感器有效地保證了信號採集的靈敏性和準確性。3.採用316L不鏽鋼作為外套管,除了有效地適應了壓力容器耐高溫性能和耐腐蝕性能,還為加熱式熱電偶液位測量傳感器的撓制提供了極大的方便,最重要的是保證了液位測量的可靠性。採用本發明所述方法製成的加熱式熱電偶液位測量傳感器,能夠在高溫高壓下準確判斷液氣(汽)界面的傳感器。本傳感器復現性很好,解析度高,能夠滿足超負荷試驗等要求,在高溫高壓等惡劣環境下能準確判斷液氣(汽)界面,並且工藝簡單,產品統一性好。


圖1為本發明所述傳感器的結構簡圖。圖中,I為絕緣粉,2為第二外套管,3為鎳引線,4為負極熱電偶絲,5為正極熱電偶絲,6為第一外套管,7為加熱絲,8為陶瓷管,9為加熱元件。
具體實施例方式加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法,其特徵在於,有以下步驟,參見圖1:
加熱元件的製作:
O取加熱絲7,校直擦淨。將加熱絲對摺並把對摺一端固定在陶瓷管8上,另一端夾在繞線架上,按照順時針方向把加熱絲等距離地纏繞在陶瓷管上,隨後將加熱絲的兩端匯於陶瓷管的一端,固定。其中加熱絲採用熔點為1400°C,密度為8.4克/立方毫米,延伸率彡20,電阻率1.09±0.05μΩ.πι,導熱係數為60.3 kj/m.h°C,線脹係數為18的Cr20Ni80材料,加熱絲的直徑為0.18 0.22mm ;陶瓷管的直徑為1.8 2.2mm,厚度為0.2 0.3mm。2)在步驟I)所述的纏繞有加熱絲的陶瓷管外表面塗上一層釉粉,800°C的高溫下燒結10分鐘,冷卻至室溫;
3)調節步驟2)所述的經燒結後的陶瓷管上的加熱絲的電阻值,使其電阻值為20 ±0.1 Ω,得到加熱元件9。鎧裝電纜的製作:
4)取具有四個通孔的氧化鎂瓷柱在2100°C燒結I小時後,隨爐冷卻,取長度相等的正極熱電偶絲5、負極熱電偶絲4、鎳引線3校直,擦拭乾淨,按照順時針方向並按照正極熱電偶絲、鎳引線、負極熱電偶絲、鎳引線的順序將其分別裝進氧化鎂瓷柱的四個通孔中,避免負極熱電偶絲、正極熱電偶絲和鎳引線相接觸,以保證熱電偶接受熱電動勢和接收信號,再將氧化鎂瓷柱穿入第二外套管2中,組裝成鎧裝電纜初品,氧化鎂瓷柱和第二外套管的長度均相等。氧化鎂瓷柱採用電熔級氧化鎂製成,該電熔級氧化鎂的純度> 99.5%,雜質Fe,Ca和Mn的含量分別為:Fe ( 0.007%, Ca ( 0.12%, Mn ( 0.003%,氧化鎂瓷柱的直徑為8.2mm,氧化鎂瓷柱四個通孔等距離排列在距離圓心0.8mm的同心圓上;第二外套管採用316L不鏽鋼材料製成。其中,鎳引線採用熔點為1435 1446°C,比重為8.80 8.95,導熱係數為0.56
0.65 (100°C)卡/釐米.秒.°C,電阻係數為9.2μΩ.cm 9.7μΩ.cm(20°C )的金屬材料,鎳引線的直徑為1.0 1.1mm;
負極熱電偶絲採用電阻溫度係數為1.13X10_3/°C 1.25X10_3/°C,電阻率為
0.266μΩ.m 0.275μΩ.m的金屬材料,其直徑為1.55 1.62mm ;
正極熱電偶絲採用電阻溫度係數為1.03X10_3/°C 1.16X10_3/°C,電阻率為
0.688Μ-Ω.m 0.755μΩ.m 的 Chromel 材料,其直徑為 1.55 1.62mm。
5)將步驟4)所述的的鎧裝電纜初品軋頭、拉拔,然後再在800°C退火30分鐘,冷卻至室溫;
6)按照步驟5)所述的方法進行多次軋頭、拉拔和熱處理,直到第二外套管直徑為Φ3.4 Φ3.5mm,外套管採用不鏽鋼材料,停止拉拔,第二外套管與正、負極熱電偶絲及鎳引線之間的氧化鎂瓷柱在拉拔過程中破粹成絕緣粉I;
步驟5)、6)的拉拔過程中,第二外套管2直徑的變化量< 30%。7)將經過步驟6)處理後的鎧裝電纜剝出兩端的正、負極熱電偶絲及鎳引線,使鎧裝電纜兩端的正、負極熱電偶絲及鎳引線伸出第二外套管的兩端,然後再將該鎧裝電纜放入烘箱內在300°C烘烤6小時,伸出第二外套管的一端鎧裝電纜的正、負極熱電偶絲的焊接點與第二外套管頂端焊接成碰底型,將另一端灌膠,烘乾、測試,選擇熱電性能良好,並且熱電性能一致的鎧裝電纜作為合格品,密封得到鎧裝電纜成品;
組裝:
8)取加熱元件,將步驟7)所得的鎧裝電纜成品的兩根鎳引線分別與加熱元件一端加熱絲的兩個端頭焊接連接,焊點要求平滑、光亮,然後將熱接點插入加熱元件內的陶瓷管內,再將鎧裝電纜和加熱元件放進第一外套管6中(鎧裝電纜的長度大於第一外套管,並伸出第一外套管的遠離加熱元件端),第一外套管的加熱元件端灌入絕緣材料後,450°C烘烤2小時,採用氬弧焊封頭密封,確保焊接端無洩漏,按照要求的尺寸取其長度的鎧裝電纜,剝出第一外套管的另一端鎧裝電纜的正、負極電偶絲和鎳引線,在300°C烘烤6小時,滿足絕緣要求後,用E-7膠密封非焊接端,烘乾,得到加熱式熱電偶液位測量傳感器。所述絕緣粉為電熔級氧化鎂,該電熔級氧化鎂的純度> 99.5%,雜質Fe,Ca和Mn的含量分別為:Fe ( 0.007%, Ca ( 0.12%, Mn ( 0.003%。第一外套管同樣採用316L不鏽鋼材料製成。其中第一外套管的直徑為4mm左右,壁厚為0.2_,第二外套管的直徑為3.4左右壁厚為0.2mm。

實施例1
採用上述製備方法製得加熱式熱電偶液位測量傳感器。為了進一步驗證該傳感器的復現性,本實施例選擇電阻率低的鎳引線作為加熱元件的引出線,為了電阻可靠、穩定,選用Ni20Cr80作為加熱絲。為了測量準確可靠,選用Alumel作為負極熱電偶絲,Chromel作為正極熱電偶絲,鎳引線選擇N7。工作時,加熱元件被供給一個直流恆流或恆壓電源,待其工作電壓或電流穩定後,測出其電勢值並換算成相應的溫度值;然後把仍在加熱並且處於穩定狀態下的傳感器浸沒到熱傳導較高的液態中,觀察其電勢值的變化,並且換算成相應的溫度值。該傳感器溫度的變化通過電勢的大小反應出來,並以此來判斷出氣(汽)液界面的位置。重複性試驗:
用YJ26M三路直流穩壓器給加熱式熱電偶液位測量傳感器供以5.62V的電壓,用QJ31型直流單雙臂電橋測出弓I線值為0.03 Ω,元件值為12.8 Ω,當工作電壓穩定後,先後三次把該傳感器放在沸水及室溫下反覆試驗,其電勢值在一個瞬間階躍下降後,緊接著呈連續下降趨勢,直至達到穩定狀態。用HP34401A數字電壓表測出其電勢值換算成相應的溫度,其試驗結果見表I。表I
時 fl(分)16:24 16:29 1S:49 16:51 1T:14 I ; 19
龜難C (Iv) 5801 40845814 408 5803 4072從表I中可以看出該傳感器響應時間快(3 min.),測溫精度高(< ±1.5°C),復現性好。性能實驗:
為了進一步測試加熱式熱電偶液位測量傳感器的性能,用YJ26M三路直流穩壓器電源給一支電阻為12.7Ω的傳感器通以直流恆壓電源,待電勢穩定後,測出其電勢值(溫度),接著把該傳感器放在沸水中,用HP34401A數字電壓表測出其電勢值(溫度)的變化。改變電壓的大小,重複上面試驗過程,其試驗結果見表2。表權利要求
1.一種加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法,其特徵在於,有以下步驟: 1)將加熱絲的對摺,並把對摺一端固定陶瓷管上,另一端等距離雙繞在陶瓷管上,隨後將加熱絲的兩端匯於陶瓷管的一端,固定; 2)在步驟I)所述的纏繞有加熱絲的陶瓷管外表面塗上一層釉粉,800°C的高溫下燒結10分鐘,冷卻至室溫; 3)調節步驟2)所述的經燒結後的陶瓷管上的加熱絲的電阻值,使其電阻值為20±0.1 Ω,得到加熱元件; 4)取具有四個通孔的氧化鎂瓷柱在2100°C燒結I小時後,隨爐冷卻,按照順時針方向並按照正極熱電偶絲、鎳引線、負極熱電偶絲、鎳引線的順序將其分別裝進氧化鎂瓷柱的四個通孔中,再將氧化鎂瓷柱穿入第二外套管中,組裝成鎧裝電纜初品; 5)將步驟4)所述的的鎧裝電纜初品軋頭、拉拔,然後再在800°C退火30分鐘,冷卻至室溫; 6)按照步驟5)所述的方法進行多次軋頭、拉拔和熱處理,直到第二外套管直徑為Φ3.4 Φ3.5mm,停止拉拔,第二外套管與正、負極熱電偶絲及鎳引線之間的氧化鎂瓷柱在拉拔過程中破粹成絕緣粉; 7)將經過步驟6)處理後的鎧裝電纜剝出兩端的正、負極熱電偶絲及鎳引線,使鎧裝電纜兩端的正、負極熱電偶絲及鎳引線伸出第二外套管,然後再將該鎧裝電纜放入烘箱內在300°C烘烤6小時,將伸出第二外套管的一端鎧裝電纜的正、負極熱電偶絲的頂端與第二外套管一起焊接成碰底型熱接點,將另一端灌膠,烘乾、測試,選擇熱電性能良好,並且熱電性能一致的鎧裝電纜,密封得到鎧裝電纜成品; 8)取加熱元件,將步驟7)所得的鎧裝電纜成品的熱接點插入加熱元件內的陶瓷管中,將兩根鎳引線分別與加熱元件一端的加熱絲的兩個端頭焊接連接,並將鎧裝電纜和加熱元件放進第一外套管6中,第一外套管的加入元件端灌入絕緣材料後,450°C烘烤2小時,封頭焊接並密封有加熱元件端,剝出第一外套管遠離加入元件端的鎧裝電纜的正、負極熱電偶絲和鎳引線,在300°C烘烤6小時,滿足絕緣要求後,用膠密封非焊接端,烘乾,得到加熱式熱電偶液位測量傳感器。
2.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟I)所述的加熱絲採用熔點為14000C,密度為8.4克/立方毫米,延伸率彡20,電阻率1.09±0.05μΩ.m,導熱係數為60.3kj/m.h°C,線脹係數為18的金屬材料。
3.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟4)所述的鎳引線採用熔點為1435 14460C,比重為8.80 — 8.95,導熱係數為0.56 0.65( 100°C )卡/釐米.秒.V,電阻係數為9.2μΩ.cm 9.7μΩ.cm(20°C )的金屬材料。
4.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟4)所述的負極偶絲採用電阻溫度係數為 1.13X 1Ο—3/°C 1.25X ΙΟ—3/°C,電阻率為(λ 266μΩ.πι (λ 275μΩ.πι 金屬的材料。
5.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟4)所述的正極偶絲採用電阻溫度係數為 1.03 ΧΙΟ3/°C 1.16 X IO^V0C,電阻率為 0.688μΩ.πι 0.755μΩ.πι 的金屬材料。
6.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:所述外套管採用不鏽鋼材料。
7.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟5)、6)所述的拉拔過程中,第二外套管直徑的變化量< 30%。
8.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟8)所述的伸出第二外套管的正、負極電偶絲焊至熱接點的距離為17mm ;伸出第二外套管的鎳引的距離為3mm。
9.根據權利要求1所述的製備方法,其特徵在於:步驟4)和步驟8)所述的氧化鎂瓷柱和絕緣粉 為電熔級氧化鎂,其純度> 99.5%。
全文摘要
本發明涉及一種加熱式熱電偶液位測量傳感器的製備方法,該方法將製備的加熱元件與製備的鎧裝電纜組裝在一起,完全密封后得加熱式熱電偶液位測量傳感器。採用該方法製得的傳感器能夠在高溫高壓下準確判斷液氣(汽)界面。本傳感器復現性很好,解析度高,能夠滿足超負荷試驗等要求,在高溫高壓等惡劣環境下能準確判斷液氣(汽)界面,並且工藝簡單,產品統一性好。
文檔編號G01F23/22GK103162768SQ201310104719
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者張祖力, 王 華, 唐銳, 鞠華, 羅松 申請人:重慶材料研究院有限公司

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