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液位追踪式多点 温度测量装置及制作方法

阅读：301发布：2024-02-01

专利汇可以提供液位追踪式多点温度测量装置及制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了液位追踪式多点温度测量装置及制作方法，装置包括光纤测温线，光纤测温线的两端分别连接液面浮动装置、弹性发条；当本测量装置位于液体中时，所述液面浮动装置浮于液面，所述弹性发条沉入液体内部，所述光纤测温线被拉直。本发明的目的在于提供液位追踪式多点温度测量装置及制作方法，以解决现有技术中热工流体实验的温度测量装置无法追踪液位变化、对测点周围流体造成严重干扰，且影响压力容器的承压和密封的问题，实现可以追踪液面高度位置、保持测点距离液面之间的稳定、减少容器的开孔、易于密封、降低对测点周围流体干扰的目的。，下面是液位追踪式多点温度测量装置及制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，包括光纤测温线(2)，光纤测温线(2)的两端分别连接液面浮动装置(1)、弹性发条(3)；当本测量装置位于液体中时，所述液面浮动装置(1)浮于液面，所述弹性发条(3)沉入液体内部，所述光纤测温线(2)被拉直。
2.根据权利要求1所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，所述光纤测温线(2)包括测温光纤(202)、光栅(203)、保护套管(201)，所述光栅(203)蚀刻在测温光纤(202)上的测温点上，所述保护套管(201)包覆在测温光纤(202)外。
3.根据权利要求2所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，所述保护套管(201)为金属材质。
4.根据权利要求2所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，所述保护套管(201)的壁厚为1～2mm。
5.根据权利要求2所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，所述保护套管(201)的两端分别与液面浮动装置(1)、弹性发条(3)焊接。
6.根据权利要求1所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，所述弹性发条(3)为恒力弹簧发条，所述恒力弹簧发条的伸缩长度大于光纤测温线(2)的长度。
7.根据权利要求1所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，所述光纤测温线(2)靠近弹性发条(3)的一端还连接至信号处理器(4)的输入端。
8.根据权利要求1所述的液位追踪式多点温度测量装置，其特征在于，用于核反应堆压力容器内的蒸汽注射冷凝实验，此时液面浮动装置(1)呈与压力容器内径相匹配的环形结构，环形结构中间横向设置定位金属棒(5)，光纤测温线(2)顶端连接在所述定位金属棒(5)上。
9.液位追踪式多点温度测量装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)根据使用需求选择一定长度的测温光纤(202)，根据测点数目和位置在光纤上刻入光栅(203)；
(b)在刻有测温点的测温光纤(202)外侧采用保护套管(201)保护，使保护套管(201)的内径束缚测温光纤(202)；
(c)将保护套管(201)的一端通过焊接方式连接液面浮动装置(1)、另一端通过焊接方式连接弹性发条(3)；液体给液面浮动装置(1)的浮力满足大于液面浮动装置(1)本身的重力、光纤测温线(2)的重力和弹性发条(3)拉力的和；弹性发条(3)施加给光纤测温线(2)的力满足：足够将测温光纤(202)拉直、且小于保护套管(201)能承受的最大拉力；
(d)将测温光纤(202)靠近弹性发条(3)的一端连接到信号处理器(4)的输入端。
10.根据权利要求9所述的液位追踪式多点温度测量装置的制作方法，其特征在于，所述测温光纤(202)的直径小于或等于1mm，所述保护套管(201)的外径为2～3mm，测温光纤(202)与保护套管(201)之间过盈配合。

说明书全文

液位追踪式多点温度测量装置及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及流体实验设备领域，具体涉及液位追踪式多点温度测量装置及制作方法。

背景技术

[0002] 温度测量装置是热工流体实验中最常用的仪器，实验和工程应用过程中压力容器、液体池等设备中会出现温度分层伴随液位变化的现象，需要精确测量液位下方不同深度的温度分布。现有技术中，多采用布置多根热电偶测量的方式，这种方式需要布置较多热电偶，分别伸入至不同的液位深度，会对测量位置周围流体的流动产生较大的干扰，且不能追踪液位的变化，且在高温高压压力容器内布置较多热电偶需要开较多贯穿孔，影响容器的承压和密封。

[0003] 在核电领域，反应堆压力容器内的蒸汽注射冷凝实验就需要对液面下方的温度分布进行准确测量，这关系到最终的换热能力的确定。然而，压力容器内蒸汽注射冷凝实验过程中液位随着实验的进行不断变化，同时容器内的水出现明显的热分层，而现有技术中都是采用传统的多根热电偶测量的方式，同样存在无法追踪液位变化、对测点周围流体造成严重扰动，且影响压力容器的承压和密封的问题。

[0004] 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展的一种新的传感技术。是20世纪70年代中期以来国际上发展最快的高科技应用技术之一。光纤传感技术目前市面上主要分为两种，一种是以光纤直接作为传感器，另一种是以光栅为基础的传感器。光纤传感器与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。以其独有的特质而得以广泛应用。光纤测温技术是近年才发展起来的新技术，并已逐渐显露出某些优异特性。光纤测温传感器的分类：1、相位调制型光纤温度传感器，如马赫-泽德尔mz干涉仪，fp法布里珀罗干涉仪，光纤光栅温度传感器另外还有幅度调制型，如微弯损耗调制偏振调制型等：双元液晶测温；2、热辐射光纤温度传感器，利用光纤内产生的热辐射来传感温度，它是以光纤纤芯中的热点本身所产生的黑体辐射现象为基础的，如蓝宝石光纤温度传感器；3、传光型光纤温度传感器，利用光纤作为传输测量信号的传感器，敏感元件不是光纤。如半导体光吸收传感器，荧光光纤温度传感器，热色效应光纤温度传感器。其中，光纤光栅作为温度敏感元件，同时用光纤作为信号传输部件，效率较高。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供液位追踪式多点温度测量装置及制作方法，以解决现有技术中热工流体实验的温度测量装置无法追踪液位变化、对测点周围流体造成严重干扰，且影响压力容器的承压和密封的问题，实现可以追踪液面高度位置、保持测点距离液面之间的稳定、减少容器的开孔、易于密封、降低对测点周围流体干扰的目的。

[0006] 本发明通过下述技术方案实现：

[0007] 液位追踪式多点温度测量装置，包括光纤测温线，光纤测温线的两端分别连接液面浮动装置、弹性发条；当本测量装置位于液体中时，所述液面浮动装置浮于液面，所述弹性发条沉入液体内部，所述光纤测温线被拉直。

[0008] 针对现有技术中热工流体实验的温度测量装置无法追踪液位变化、对测点周围流体造成严重扰动，且影响压力容器的承压和密封的问题，本发明提出液位追踪式多点温度测量装置，光纤测温线同时作为温度敏感部件与信号传输部件，其两端分别连接液面浮动装置、弹性发条。其中，液面浮动装置顾名思义能够漂浮在被测液体的液面上方，液面浮动装置由本领域技术人员根据测量液体的性质进行选择即可，其材质、形状在此均不做限定。弹性发条在重力作用下能够沉入液体内部，此时弹性发条下拉光纤测温线，液面浮动装置上提光纤测温线，因此使得光纤测温线在弹性发条与液面浮动装置的共同作用下被拉直，使得光纤测温线沿着液体的深度方向进行分布。由于液面浮动装置会始终漂浮在液面上，因此在液位发生变化时，液面浮动装置带动光纤测温线、弹性发条随着液面变化进行升降，实现始终追踪液面高度的效果，使得在整个测量过程中，光纤测温线上各测点相对于液面的深度能够始终保持稳定，始终测量到距离液面或距离液面一定位置处的温度。本发明可根据需求在一根光纤测温线上设置多个测点，进行不同深度的多点测温而无需增加光纤的数目，整个装置在使用时只需在容器上开设一个开孔即可，从而极大的减少了容器的开孔，降低了对容器承压和密封的影响。此外，由于只有一根光纤测温线对不同深度进行测温，因此相较于现有的多根热电偶测量的方式，对测点周围流体带来的干扰要小很多。

[0009] 进一步的，所述光纤测温线包括测温光纤、光栅、保护套管，所述光栅蚀刻在测温光纤上的测温点上，所述保护套管包覆在测温光纤外。即是根据测点数目和位置在光纤上刻入光栅，光栅在工作时即可作为测点。可根据用户需求蚀刻多点均匀或非均匀布置的测温点，实现对不同液位深度的温度的同时测量。保护套管主要作用是保护光纤，可根据用户需求选择选择不同材质的套管，不过需要尽量好的导热性。

[0010] 进一步的，所述保护套管为金属材质。金属材质具有良好的导热性能，用于本申请中作为保护套管使用，能够快速与外部液体进行热量交换，将外部液体的温度传递至光栅处，极大的提高光栅处的温度测量精度。使用者可根据具体的使用环境，针对不同的耐腐蚀需求选择不同的金属材质。

[0011] 进一步的，所述保护套管的壁厚为1～2mm。使用1～2mm的壁厚较薄的保护套管，降低保护套管内外的热交换时间，进一步提高保护套管的热传导效率，使得外部液体的温度能够更加快速的传递至内部光栅处。

[0012] 优选的，所述保护套管的两端分别与液面浮动装置、弹性发条焊接。通过保护套管的两端进行焊接，实现光纤测温线与液面浮动装置、弹性发条之间的连接，避免使用测温光纤进行连接影响其使用稳定性、干扰测温性能的情况出现，极大的提高本发明的整体工作稳定性。

[0013] 优选的，所述弹性发条为恒力弹簧发条，所述恒力弹簧发条的伸缩长度大于光纤测温线的长度。恒力弹簧发条由自身重力向光纤测温线提供向下的拉力，同时光纤测温线对恒力弹簧发条的反作用力使得恒力弹簧发条在液体中被拉伸开来，通过其自身的弹性复位力保持光纤测温线在液体内部的稳定、竖直分布。

[0014] 优选的，所述光纤测温线靠近弹性发条的一端还连接至信号处理器的输入端。即将光纤测温线的测量信号传输至信号处理器，通过信号处理器对测量信号进行接收与处理。

[0015] 进一步的，本发明用于核反应堆压力容器内的蒸汽注射冷凝实验，此时液面浮动装置呈与压力容器内径相匹配的环形结构，环形结构中间横向设置定位金属棒，光纤测温线顶端连接在所述定位金属棒上。与压力容器内径相匹配的环形结构，即是液面浮动装置所形成的环形结构的外径稍小于压力容器的内径，便于其能够进入压力容器并漂浮在液体上，同时又可以利用压力容器的侧壁对其进行径向的限位。定位金属棒横跨环形结构内部，用于连接光纤测温线的顶端，以确保光纤测温线在压力容器内部位置的相对稳定。

[0016] 液位追踪式多点温度测量装置的制作方法，包括以下步骤：

[0017] (a)根据使用需求选择一定长度的测温光纤，根据测点数目和位置在光纤上刻入光栅；

[0018] (b)在刻有测温点的测温光纤外侧采用保护套管保护，使保护套管的内径束缚测温光纤；

[0019] (c)将保护套管的一端通过焊接方式连接液面浮动装置、另一端通过焊接方式连接弹性发条；液体给液面浮动装置的浮力满足大于液面浮动装置本身的重力、光纤测温线的重力和弹性发条拉力的和；弹性发条施加给光纤测温线的力满足：足够将测温光纤拉直、且小于保护套管能承受的最大拉力；

[0020] (d)将测温光纤靠近弹性发条的一端连接到信号处理器的输入端。

[0021] 其中，液面浮动装置所受到的浮力，大于液面浮动装置本身的重力、光纤测温线的重力和弹性发条拉力的和，以确保液面浮动装置始终漂浮在液面上。由于不同液体的密度不同，因此液面浮动装置应该根据具体的工作环境、液体类型进行设置，以满足始终能够带动光纤测温线、弹性发条共同进行漂浮为条件。

[0022] 通过本方法制作而成的温度测量装置，液面浮动装置会始终漂浮在液面上，因此在液位发生变化时，液面浮动装置带动光纤测温线、弹性发条随着液面变化进行升降，实现始终追踪液面高度的效果，使得在整个测量过程中，光纤测温线上各测点相对于液面的深度能够始终保持稳定，始终测量到距离液面或距离液面一定位置处的温度。一根光纤测温线上设置多个不同位置的测点，进行不同深度的多点测温而无需增加光纤的数目，使用时只需在容器上开设一个开孔即可，从而极大的减少了容器的开孔，降低了对容器承压和密封的影响。此外，由于只有一根光纤测温线对不同深度进行测温，因此相较于现有的多根热电偶测量的方式，对测点周围流体带来的干扰要小很多。

[0023] 优选的，所述测温光纤的直径小于或等于1mm，所述保护套管的外径为2～3mm，测温光纤与保护套管之间过盈配合。本方案使得光纤测温线的整体外径保持在较小的状态，降低对测点周围流体的干扰。

[0024] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0025] 1、本发明液位追踪式多点温度测量装置，液面浮动装置会始终漂浮在液面上，因此在液位发生变化时，液面浮动装置带动光纤测温线、弹性发条随着液面变化进行升降，实现始终追踪液面高度的效果，使得在整个测量过程中，光纤测温线上各测点相对于液面的深度能够始终保持稳定，始终测量到距离液面或距离液面一定位置处的温度。

[0026] 2、本发明液位追踪式多点温度测量装置，一根光纤测温线上设置多个不同位置的测点，进行不同深度的多点测温而无需增加光纤的数目，使用时只需在容器上开设一个开孔即可，从而极大的减少了容器的开孔，降低了对容器承压和密封的影响。

[0027] 3、本发明液位追踪式多点温度测量装置，只有一根光纤测温线对不同深度进行测温，因此相较于现有的多根热电偶测量的方式，对测点周围流体带来的干扰要小很多。附图说明

[0028] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0029] 图1为本发明具体实施例的结构示意图；

[0030] 图2为本发明具体实施例中光纤测温线的连接示意图；

[0031] 图3为本发明具体实施例中光纤测温线的结构示意图；

[0032] 图4为本发明具体实施例中液面浮动装置的结构示意图。

[0033] 附图中标记及对应的零部件名称：

[0034] 1-液面浮动装置，1-2-浮动装置上的焊点，2-光纤测温线，201-保护套管，202-测温光纤，203-光栅，3-弹性发条，3-1-弹性发条上的焊点，4-信号处理器，5-定位金属棒。

具体实施方式

[0035] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

[0036] 实施例1：

[0037] 如图1至图3所示的液位追踪式多点温度测量装置，包括光纤测温线2，光纤测温线2的两端分别连接液面浮动装置1、弹性发条3；当本测量装置位于液体中时，所述液面浮动装置1浮于液面，所述弹性发条3沉入液体内部，所述光纤测温线2被拉直。

[0038] 本实施例中液面浮动装置1会始终漂浮在液面上，因此在液位发生变化时，液面浮动装置1带动光纤测温线2、弹性发条3随着液面变化进行升降，实现始终追踪液面高度的效果，使得在整个测量过程中，光纤测温线2上各测点相对于液面的深度能够始终保持稳定，始终测量到距离液面或距离液面一定位置处的温度。本发明可根据需求在一根光纤测温线2上设置多个测点，进行不同深度的多点测温而无需增加光纤的数目，整个装置在使用时只需在容器上开设一个开孔即可，从而极大的减少了容器的开孔，降低了对容器承压和密封的影响。此外，由于只有一根光纤测温线2对不同深度进行测温，因此相较于现有的多根热电偶测量的方式，对测点周围流体带来的干扰要小很多。

[0039] 实施例2：

[0040] 如图1至图3所示的液位追踪式多点温度测量装置，包括光纤测温线2，光纤测温线2的两端分别连接液面浮动装置1、弹性发条3；当本测量装置位于液体中时，所述液面浮动装置1浮于液面，所述弹性发条3沉入液体内部，所述光纤测温线2被拉直。所述光纤测温线2包括测温光纤202、光栅203、保护套管201，所述光栅203蚀刻在测温光纤202上的测温点上，所述保护套管201包覆在测温光纤202外。所述保护套管201为金属材质。所述保护套管201的壁厚为1～2mm。所述保护套管201的两端分别与液面浮动装置1、弹性发条3焊接。

[0041] 实施例3：

[0042] 如图1至图3所示的液位追踪式多点温度测量装置，包括光纤测温线2，光纤测温线2的两端分别连接液面浮动装置1、弹性发条3；当本测量装置位于液体中时，所述液面浮动装置1浮于液面，所述弹性发条3沉入液体内部，所述光纤测温线2被拉直。所述弹性发条3为恒力弹簧发条，所述恒力弹簧发条的伸缩长度大于光纤测温线2的长度。所述光纤测温线2靠近弹性发条3的一端还连接至信号处理器4的输入端。

[0043] 实施例4：

[0044] 如图1至图4所示，本实施例以压力容器内蒸汽注射冷凝实验研究进行描述。

[0045] 压力容器内蒸汽注射冷凝实验过程中液位随着实验的进行不断变化，同时容器内的水出现明显的热分层，液面下方的温度分布的准确测量关系到最终的换热能力的确定。本发明满足本实验的使用条件，本发明所述的温度测量装置的液面浮动装置需要选择耐温的环形装置，如图4所示，环形装置中间横向设置定位金属棒5，环形装置略小于压力容器内径，可以保证测温装置径向定位。光纤测温线顶端处的保护套管焊接在浮动装置的定位金属棒5上。弹性发条固定端焊接在压力容器底端，弹性发条自由端与光纤测温线通过焊接方式连接。光纤测温线的末端部分穿过压力容器，通过紫铜垫密封，光纤测温线的末端连接到信号处理装置的输入端。

[0046] 这种设计方式在核反应堆压力容器中，安装方便易于密封，性能可靠，能够很好的追踪液位，能够准确的测量所需位置的温度。

[0047] 其中：光纤测温线2可根据用户需求蚀刻多点均匀和非均匀布置的光栅203作为测温点，保护套管201主要作用是保护光纤，可根据用户需求选择选择不同材质的套管，需要导热性好。

[0048] 弹性发条属于恒力弹簧发条，其固定端通过焊接方式固定在容器内，弹簧发条另一端与保护套管连接，弹簧发条的力矩大小要根据保护套管的受力强度选择，弹簧发条施加给光纤测温线的力要小于保护套管能承受的力，弹簧发条的伸缩长度要略大于光纤测温线的长度。

[0049] 液面浮动装置需要根据测量液体的性质选择，其材质、形状均不受限，要保证液体提供给浮动装置的浮力大于光纤测温线的重力和弹簧发条拉力的总和。

[0050] 实施例5：

[0051] 液位追踪式多点温度测量装置的制作方法，包括以下步骤：

[0052] (a)根据使用需求选择一定长度的测温光纤202，根据测点数目和位置在光纤上刻入光栅203；

[0053] (b)在刻有测温点的测温光纤202外侧采用保护套管201保护，使保护套管201的内径束缚测温光纤202；

[0054] (c)将保护套管201的一端通过焊接方式连接液面浮动装置1、另一端通过焊接方式连接弹性发条3；液体给液面浮动装置1的浮力满足大于液面浮动装置1本身的重力、光纤测温线2的重力和弹性发条3拉力的和；弹性发条3施加给光纤测温线2的力满足：足够将测温光纤202拉直、且小于保护套管201能承受的最大拉力；

[0055] (d)将测温光纤202靠近弹性发条3的一端连接到信号处理器4的输入端。

[0056] 其中：

[0057] 光栅测温线的结构：根据使用需求选择一定长度的测温光纤，根据测点数目和位置在光纤上刻入光栅，刻有测温点的光纤外侧采用保护套管保护，可根据高温、腐蚀等需求选用钢、铜等材料，为了提升温度传递的实时性，加快导热速度，金属管的壁厚要薄，内径要能束缚光纤。

[0058] 液面浮动装置下端与光纤测温线的金属保护套管顶端通过焊接方式连接，液体给液面浮动装置的浮力要大于浮动装置本身的重力、光纤测温线重力和弹性发条拉力的和。

[0059] 弹性发条需固定在测温点和浮动装置延长线上，弹性发条施加给光纤测温线的力要足够将光纤拉直同时小于保护套管能承受的力。

[0060] 光纤测温线末端连接到信号处理装置的输入端。

[0061] 通过本方法制作而成的温度测量装置，液面浮动装置会始终漂浮在液面上，因此在液位发生变化时，液面浮动装置带动光纤测温线、弹性发条随着液面变化进行升降，实现始终追踪液面高度的效果，使得在整个测量过程中，光纤测温线上各测点相对于液面的深度能够始终保持稳定，始终测量到距离液面或距离液面一定位置处的温度。一根光纤测温线上设置多个不同位置的测点，进行不同深度的多点测温而无需增加光纤的数目，使用时只需在容器上开设一个开孔即可，从而极大的减少了容器的开孔，降低了对容器承压和密封的影响。此外，由于只有一根光纤测温线对不同深度进行测温，因此相较于现有的多根热电偶测量的方式，对测点周围流体带来的干扰要小很多。

[0062] 优选的，所述测温光纤202的直径小于或等于1mm，所述保护套管201的外径为2～3mm，测温光纤202与保护套管201之间过盈配合。

[0063] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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