用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置的製作方法
2023-07-28 07:25:41 2
專利名稱：用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種指示液氮液位的測量裝置，尤其是用於高電壓超導電力設備上指示杜瓦中的液氮液位的測量裝置。
背景技術：
目前，測量液氮液位的方法主要有以下幾種1、差壓(壓力)式液位測量法，其原理是根據公式P＝(ρ液-ρ氣)Hg×10-3，將壓差(壓力)轉化為被測液位的高度，通過壓力傳感器測量壓差來確定液面的位置；2、電阻式測量法，它的傳感器是一個電阻，由於液體和氣體的導熱係數不同，那麼電阻傳感器在液體和氣體中的溫度也不同，從而電阻在氣液中的阻值不同，這樣容器中的液面與電阻值之間存在著一個函數關係，通過橋路法可以準確的測量出電阻的阻值，進而確定液面的位置；3、靜壓式液位測量法，其原理是利用測量靜壓的方法來算出容器內的液位高度；4、浮子液位測量法，它是利用放在容器內的浮子的浮動來帶動容器外的碼帶移動，然後用光電檢測裝置來測量碼帶的位移，進而測得液面的高度；5、電容及射頻導納液位測量法，它的傳感器元件是一個由自身電極和參考電極構成的電容，電容隨著液位的變化而變化，然後用交流電橋原理測量出電容值，根據電容值的不同來確定液面的位置；6、磁性液位測量法，它是利用磁性浮子的浮動，傳感器導管不斷發送磁脈衝信號來檢測浮子位置進而檢測液面位置；7、超聲波液位檢測法，它是利用壓電陶瓷組成的超聲波探頭髮出的超聲波脈衝，遇到液面後反射並被探頭接收，根據發射和接收的時間差來確定液面的位置的；8、雷達液位檢測法，它是利用波導管發射低功率微波，微波遇到液面後反射被接收器接收，通過發射和接收的時間差來確定液面的位置。以上這8種方法在特定的場合中都可以測量出杜瓦中液氮液面的位置。但是在裝有高電壓超導電方設備的杜瓦中，由於杜瓦中的傳感器上有可能會感應出一個電場，並且在設備補充液氮的時候，液氮和氮氣會在杜瓦中流動，甚至液氮會向上濺起，在這些情況下，現有的測量方法就會有些缺陷。如方法1差壓(壓力)式液位測量法和方法3靜壓式液位測量法，往往需要把壓力傳感器放置在杜瓦的底部，如果在杜瓦中有高電壓磁體，需要保持一定絕緣距離的情況下，就不適用。此外這兩種測量方法易受到氣體和液體流動所帶來的影響。方法2電阻式測量法，其傳感器選擇是個關鍵，因為在裝有液氮的杜瓦中，在液面以上一段距離，溫度的梯度變化不是很明顯，因此具體的液面位置不容易確定。方法4浮子液位測量法，要求浮子與聯動裝置要運動自如，這不利於杜瓦的密閉，並且在液面流動時，不容易準確定出液面位置。方法5電容及射頻導納液位測量法所用的傳感器電容在電場中會受到感應電場的影響，進而影響到傳感器輸出信號的測量，影響到液面的確定。方法6磁性液位測量法，波導管發射的磁脈衝易受到杜瓦中磁體產生的磁場的影響，同時它也會影響到這個磁場。方法7超聲波液位檢測法中，超聲波是變化的波束，儀表的存儲數據，分析需要一定的時間，因此，當液面有流動，起伏的時候，就會出現液面不能確定的現象，同時，杜瓦中的氮氣流動會對超聲波有所影響，這種測量方法還需要杜瓦液面以上有足夠大的空間而且光滑無障礙。方法8雷達液位檢測法中，雷達產生的微波受環境的影響比較小，但是這種方法也需要杜瓦中液面以上有足夠的空間，並且在天線與液面之間要求有一定的距離，也就是存在盲區。
發明內容
為了克服現有液面測量裝置在高電壓超導電力設備中使用的不足，本發明提供一種液面測量裝置，該液面測量裝置可以在高電壓超導電力設備中使用，能夠在可能感應出的電場情況下，在杜瓦補充液氮時液氮和氮氣流動的情況下，在液氮飛濺起的情況下，準確的測量出高電壓超導電力設備中液氮的液面位置。
本發明包括檢測杆、變送器、電壓比較電路、比較輸出驅動電路和報警輸出電路。檢測杆由傳感器、保護管、刻度杆組成。傳感器採用半導體材料砷鋁化鎵(GaAlAs)製成PN結傳感器。傳感器與變送器電流輸出端相連接，變送器的電壓輸出端與電壓比較電路相連接，電壓比較電路的輸出與比較輸出驅動電路相連接，對於需要設置為報警點的傳感器，報警輸出電路與電壓比較的輸出相連接。
傳感器固定在一個標有刻度的環氧玻璃鋼製成的刻度杆上。根據測量的精度要求確定需要安裝的傳感器個數，如，對測量精度要求在10mm，那麼在刻度杆每隔10mm處安裝一個傳感器；如果對測量精度要求在1mm，那麼在刻度杆每隔1mm處安裝一個傳感器。刻度杆放在一個由環氧玻璃鋼製成的保護管中，保護管與刻度杆同軸心固定，保護管的上面、下面和側壁開孔，在選擇孔的位置時，應該考慮到以下兩個因素一是孔的位置要和安裝傳感器的位置儘可能錯開，二是在保護管的單側外壁上高度上對稱的位置打孔。通過孔，保護管內與外面形成連通區域。補充液氮時，由於輸液管上噴出的液氮會激起液氮飛濺，有了保護管就可以使得飛濺起的液氮不會直接與傳感器相接觸，而在保護管內的狹小區域內，外面液氮和氮氣的流動對內部的波動影響很小，就能夠達到既使液氮自由進入到保護管內與傳感器相接觸，又能夠有效地避免補充液氮時液氮和氮氣流動，液氮飛濺起所帶來的誤指示。
傳感器與變送器相連接。變送器的電路包括電壓比較器、分壓電阻、PNP三極體、電流調節電阻、旁路電容、變送器上電指示燈。電壓比較器、分壓電阻、PNP三極體相連接產生恆定的電流，通過調節電流調節電阻的阻值來調節這個恆定電流的大小。變送器的電流輸出端與傳感器相連接。變送器的電壓輸出端與電壓比較電路相連接。電壓比較電路包括電壓比較器和分壓電阻。電壓比較器有三個埠，正相輸入端，反相輸入端和輸出端，分壓電阻上產生一個固定的電壓值，這個電壓值作為參考電壓與電壓比較器的正相輸入端相連，變送器傳來的電壓與反相輸入端相連。電壓比較電路的輸出與比較輸出驅動電路相連接，比較輸出驅動電路包括NPN三極體、發光二極體、上拉電阻和三極體基極串聯電阻。NPN三極體起開關的作用，用來控制發光二極體是否與地相連接，發光二極體用來指示是否傳感器位於液氮中，上拉電阻和三極體基極串聯電阻分別用來調整基極和集電極的電流。對於需要設置為報警點的傳感器，報警輸出電路與電壓比較的輸出相連接。報警輸出電路包括NPN三極體、蜂鳴器、上拉電阻和三極體基極串聯電阻。NPN三極體起開關的作用，用來控制蜂鳴器是否與地相連接，蜂鳴器用來指示需要報警的傳感器是否位於液氮中，上拉電阻和三極體基極串聯電阻分別用來調整基極和集電極的電流。在電壓比較電路中調節分壓電阻來設置參考電壓，參考電壓連接電壓比較器的正相輸入端，根據電壓比較電路的輸出來觸發指示燈，根據指示燈所對應測量杆中傳感器的位置即可確定液氮的液位高度。在實際工程運行中，可以設置測量杆上的兩個傳感器的位置為報警點，根據報警點的輸出來確定杜瓦中應該輸入多少液氮和應該何時輸入液氮。如根據工程運行要求，杜瓦中的液氮液面最低應高於磁體以上200mm，最高不超過上蓋板下500mm。根據此工程要求，在磁體上200mm和上蓋板下500mm這兩個位置上安置傳感器，從這兩個傳感器對應的電壓比較電路中的電壓比較器輸出信號引出一個分支，接入報警輸出電路的輸入端。當液氮液位在磁體上200mm時，產生蜂鳴器報警提示，提示應補充液氮；當補充液氮至上蓋板下500mm這個位置時，產生蜂鳴器報警提示，提示補充液氮到位，應停止補充。
由於本發明應用於高電壓的設備，所以在杜瓦中安裝傳感器時，傳感器要與帶有高壓的部件之間保持在安全距離之上。此外在杜瓦外面的控制、顯示的儀表上安裝有接地導線。然後通過高壓測試之後，確保其安全可靠性。
本發明採用半導體材料砷鋁化鎵(GaAlAs)製成PN結傳感器，其所依據的原理是在小注入和突變結耗盡層近似相等的條件下，如果不考慮結區載流子的產生和複合並且假設在耗盡層兩端載流子滿足玻耳茲曼分布，可以導出砷鋁化鎵PN結的電壓——電流(密度)方程J=JS(eqVkT-1),]]>其中J為砷鋁化鎵PN結的電流密度，V為砷鋁化鎵PN結的電壓，T為砷鋁化鎵PN結的溫度，在這個方程中有3個變量J、V、T，當把J作為參數固定下來時，方程可以寫成V=kq[lnJ0A-(3+r2)lnT]T+Vg,]]>其中A為一常量，在正常情況下，V＜Vg，所以kq[lnJ0A-(3+r2)lnT]0,]]>即V將隨著T升高而減小，而且因為有InT×T這一項使得V隨著T變化而明顯的變化。
在裝有液氮的杜瓦中，液氮和液氮面以上的一段高度上存在著溫度梯度變化，但是在液氮面上下的一小段高度範圍內，溫度梯度度變化不是很明顯。因此如果採用電壓V與溫度T是線性關係(即V～kT)的傳感器來測量，液面的位置就難以確定。本發明中的PN結傳感器電壓與溫度的關係是(V～kInT×T)，因此即使小的溫度梯度變化也會引起電壓V一個大的變化，進而可以根據電壓準確確定液氮的液面位置。
用半導體材料砷鋁化鎵(GaAlAs)製成PN結傳感器可以單獨加工製作，也可以有選擇的使用帶有這種PN結的高亮發光二極體來作為傳感器。其選擇的標準是，多個傳感器性能的一致性和可重複性。這種砷鋁化鎵(GaAlAs)PN結傳感器在35KV的電場中，200高斯的磁場中經過測量實驗，能夠抵禦感生電場及磁場的影響所帶來的測量幹擾，準確地測量。
本發明可以在測量液氮液面的過程中，有效的抵制由於感生電場，液氮和氮氣流動以及液氮飛濺所帶來的測量幹擾，準確的測量出杜瓦中液氮的液面位置。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。
圖1為本發明的系統框圖；圖2為本發明具體實施方式
的刻度杆結構示意圖，圖中1刻度，2傳感器定位孔；圖3為本發明的保護管示意圖，圖中3通液孔圖4為本發明的變送器電路原理圖；圖5為本發明的電壓比較電路和比較輸出驅動電路原理圖，圖中4電壓比較電路，5比較輸出驅動電路；圖6為本發明的報警輸出電路原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括檢測杆、變送器、電壓比較電路、比較輸出驅動電路和報警輸出電路。檢測杆由傳感器、保護管、刻度杆組成。傳感器與變送器電流輸出端相連接，變送器的電壓輸出端與電壓比較電路相連接，電壓比較電路的輸出與比較輸出驅動電路相連接，對於需要設置為報警點的傳感器，報警輸出電路與電壓比較的輸出相連接。
圖2為刻度杆結構示意圖。如圖2所示，刻度杆上標有表示杆高的刻度1，以最低點為零點，隔一定的刻度上打出定位孔2用於固定傳感器，傳感器的測量線從刻度杆內走線，在刻度杆的上端用密封插頭把測量線接出。然後將刻度杆和保護管用螺栓同心固定。如圖3所示，保護管的上面、下面和側壁開有通液孔3。
通過密封插頭用數據線引入到控制箱，把傳感器與變送器的電流輸出端相連接。
圖4為本發明的變送器電路原理圖，變送器的電路包括電壓比較器LM124、分壓電阻RH1和RL1、PNP三極體QS，QP1，QP2，QP3、電流調節電阻RS，RP1，RP2，RP3、旁路電容C1和C2、變送器上電指示燈LED。三極體QS，QP1，QP2，QP3的基極相連接後接在電壓比較器LM124的輸出。QS的集電極連接變送器上電指示燈LED和電流調節電阻RS，QS的發射極連接在比較器LM124的反相輸入端。QP1的集電極為恆定電流輸出端，QP1的發射極連接電流調節電阻RP1。QP2的集電極為恆定電流輸出端，QP2的發射極連接電流調節電阻RP2。QP3的集電極為恆定電流輸出端，QP3的發射極連接電流調節電阻RP3。電壓比較器、分壓電阻、PNP三極體相連接產生恆定的電流，通過調節電流調節電阻的阻值來調節這個恆定電流的大小。其中I01，I02，I03為3路恆流源輸出，I01輸出的電流值等於比值RSt1/RP1與RS中電流的乘積，I02輸出的電流值等於比值RSt1/RP2與RS中電流的乘積，I03輸出的電流值等於比值RSt1/RP3與RS中電流的乘積，通過調節RP1，RP2，RP3的電阻值就可以達到調節I01，I02，I03的電流輸出的效果，如果需要n路恆流源輸出，在電源輸出功率允許的情況下，只需要在後面的同路中並上RPn與QPn的串聯電路。旁路電容C1和C2並聯跨接在電源的高電位與地之間。RH1與RL1起到調節基極電流的作用。LED是電源指示燈，起上電指示的作用。如圖4所示，第一個傳感器的數據線兩端分別與埠I01和地端相連接，第二個傳感器的數據線兩端分別與埠I02和地端相連接，第三個傳感器的數據線兩端分別與埠I03和地端相連接，其它傳感器的連接以此類推。變送器提供兩方面的功能，其一為一個多路恆流源，為傳感器提供一個電流信號；其二，變送器提供一個電壓檢測功能，變送器可以把傳感器上的電壓變化檢測出來。電壓比較器採用的是LM124，圖4中的1、2、3、4表示晶片LM124的管腳號，A表示使用的電壓比較器為晶片中的第一個電壓比較器。
圖5為一路傳感器的電壓比較電路和比較輸出電路。如圖5所示，4為電壓比較電路，5為比較輸出驅動電路。變送器的輸出與電壓比較電路相連接。電壓比較電路包括電壓比較器LM358和分壓電阻RA11，RA12，RA13。電壓比較器LM358有三個埠正相輸入端，反相輸入端和輸出端，分壓電阻RA11，RA12，RA13產生一個固定的電壓值，這個電壓值作為參考電壓與電壓比較器LM358的正相輸入端相連，變送器傳來的電壓與電壓比較器LM358反相輸入端相連。埠A1是與變送器連接的接口，變送器的一路輸出與電壓比較電路4中A1端和地端相連接，高電位通過RA11，RA12與RA13後在電壓比較器LM358的正相輸入端形成一個固定參照電壓，當變送器的輸出電壓高於比較端的電壓時，電壓比較器LM358輸出一個反相信號，觸發比較輸出驅動電路5中的指示燈Dflight動作。比較輸出驅動電路包括NPN三極體、發光二極體Dflight、上拉電阻RA15和三極體基極串聯電阻RA14。NPN三極體的基極與電阻RA14相連接，電阻RA14用來調節基極的電流，NPN三極體的集電極與RA15和指示燈Dflight相串聯，RA15調節集電極電流，Dflight來指示是否傳感器位於液氮中，當液位在傳感器以下時，Dflight顯示紅色。圖5所示的電壓比較電路4和比較輸出驅動電路5中只列出一相比較電路，其它路類同。對於需要連接報警電路的傳感器，可以在它的電壓比較器LM358輸出電路中引出埠Au。電壓比較器採用的是LM358，圖4中的2、3、4、8表示晶片LM358的管腳號，A表示使用的電壓比較器為晶片中的第一個電壓比較器。
圖6為報警輸出電路，報警輸出電路包括NPN三極體、蜂鳴器Beep、上拉電阻RHUp2和三極體基極串聯電阻RHUp1。NPN三極體的基極與電阻RHUp1相連接，NPN三極體的集電極極與蜂鳴器、電阻RHUp2相串聯。NPN三極體起開關的作用，用來控制蜂鳴器是否與地相連接，蜂鳴器用來指示需要報警的傳感器是否位於液氮中，上拉電阻和三極體基極串聯電阻分別用來調整基極和集電極的電流。其中Au接圖5中的埠Au，RHUp1與RHUp2用來調節NPN三極體QHUp中的基極與集電極的電流，埠JPFUp接蜂鳴器Beep用來提示液氮液位到達報警的高度。
權利要求
1.一種用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置，其特徵在於包括檢測杆、變送器、電壓比較電路、比較輸出驅動電路和報警輸出電路；檢測杆由半導體材料砷鋁化鎵製成PN結傳感器、保護管、刻度杆組成；傳感器固定在一個標有刻度的環氧玻璃鋼製成的刻度杆上，刻度杆上標有表示杆高的刻度[1]，以最低點為零點，隔一定的刻度打出定位孔[2]用於固定傳感器，傳感器的測量線從刻度杆內走線，在刻度杆的上端用密封插頭把測量線接出；刻度杆和保護管用螺栓同心固定；保護管的上面、下面和側壁開有通液孔[3]；傳感器與變送器電流輸出端相連接，變送器的電壓輸出端與電壓比較電路相連接，電壓比較電路的輸出與比較輸出驅動電路相連接，對於需要設置為報警點的傳感器，報警輸出電路與電壓比較的輸出相連接。
2.根據權利要求1所述的用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置，其特徵在於所述的變送器包括電壓比較器LM124、分壓電阻RH1和RL1、PNP三極體QS，QP1，QP2，QP3、電流調節電阻RS，RP1，RP2，RP3、旁路電容C1和C2、變送器上電指示燈LED；三極體QS，QP1，QP2，QP3的基極相連接後接在電壓比較器LM124的輸出；QS的集電極連接變送器上電指示燈LED和電流調節電阻RS，QS的發射極連接在比較器LM124的反相輸入端；QP1的集電極為恆定電流輸出端，QP1的發射極連接電流調節電阻RP1；QP2的集電極為恆定電流輸出端，QP2的發射極連接電流調節電阻RP2；QP3的集電極為恆定電流輸出端，QP3的發射極連接電流調節電阻RP3；旁路電容C1和C2並聯跨接在電源的高電位與地之間；第一個傳感器的數據線兩端分別與埠I01和地端相連接，第二個傳感器的數據線兩端分別與埠I02和地端相連接，第三個傳感器的數據線兩端分別與埠I03和地端相連接，其它傳感器的連接以此類推。
3.根據權利要求1所述的用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置，其特徵在於所述的電壓比較電路[4]與變送器的輸出相連接，電壓比較電路[4]包括電壓比較器LM358和分壓電阻RA11，RA12，RA13；分壓電阻RA11，RA12，RA13產生的固定的電壓值作為參考電壓，與電壓比較器LM358的正相輸入端相連，變送器傳來的電壓與電壓比較器LM358反相輸入端相連；變送器的一路輸出與電壓比較電路[4]中A1端和地端相連接，高電位通過RA11，RA12與RA13後在電壓比較器LM358的正相輸入端形成一個固定參照電壓，當變送器的輸出電壓高於比較端的電壓時，電壓比較器LM358輸出一個反相信號，觸發比較輸出驅動電路[5]中的指示燈Dflight動作；比較輸出驅動電路[5]包括NPN三極體、發光二極體Dflight、上拉電阻RA15和三極體基極串聯電阻RA14；NPN三極體的基極與電阻RA14相連接，NPN三極體的集電極與RA15和指示燈Dflight相串聯。
4.根據權利要求1所述的用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置，其特徵在於所述的報警輸出電路包括NPN三極體、蜂鳴器Beep、上拉電阻RHUp2和三極體基極串聯電阻RHUp1；NPN三極體的基極與電阻RHUp1相連接，NPN三極體的集電極與蜂鳴器、電阻RHUp2相串聯。
全文摘要
一種用於高電壓超導電力設備的液氮液位測量裝置，包括檢測杆、變送器、電壓比較電路、比較輸出驅動電路和報警輸出電路。檢測杆由半導體材料砷鋁化鎵製成PN結傳感器、保護管、刻度杆組成。傳感器固定在一個標有刻度的環氧玻璃鋼製成的刻度杆上；保護管的上面、下面和側壁開有通液孔[3]。傳感器與變送器電流輸出端相連接，變送器的電壓輸出端與電壓比較電路相連接，電壓比較電路的輸出與比較輸出驅動電路相連接，對於需要設置為報警點的傳感器，報警輸出電路與電壓比較的輸出相連接。在可能感應出的電場情況下，在杜瓦補充液氮時液氮和氮氣流動的情況下，在液氮飛濺起的情況下，本發明可準確的測量出高電壓超導電力設備中液氮的液面位置。
文檔編號G01F23/22GK1831493SQ20061001162
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月10日 優先權日2006年4月10日
發明者張東, 王子凱, 張京業, 張志豐, 宋乃浩, 朱志芹, 高強 申請人:中國科學院電工研究所