專利名稱：低溫液體液面計的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種低溫液體液面計。
背景技術(shù)：
在低溫氣體液化和氣體分離領域，低溫液面測量顯得尤為重要。其中，一種是通過測量容器、儲罐內(nèi)的液面的高低來確定儲存在容器內(nèi)或儲罐中液體的數(shù)量；另一種是通過測量液面參數(shù)，并控制該參數(shù)保持一定數(shù)值，以保證生產(chǎn)過程維持平衡。目前的低溫液體液面測量儀有差壓式液面計(漢普遜型低溫液面計、電動和氣動差壓液面計)；電容液面計；浮標液面計；放射性液面計；超聲波液面計；碳電阻液面計；還有利用金屬或合金在低溫下變?yōu)槌瑢w的超導深度計等。但還沒有利用熱聲效應原理制造的低溫液體液面計。而且綜合而言，以上幾種液面計結(jié)構(gòu)復雜、不易加工、造價高，給普通的生產(chǎn)活動帶來了麻煩。通常低溫液體測液面計采用導熱系數(shù)較小的桿(如塑料桿等)插入低溫液體儲藏容器，然后迅速將其取出，通過桿在空氣中的結(jié)霜長度來推算低溫液體液面的高度。這種方法雖然簡單，但具有一定的危險性。為了測量較為精確需將插入液體中的絕熱桿迅速拔出，這樣會導致低溫液體濺出，并且由于導熱系數(shù)再小的材料，也會有一定的導熱性，加上低溫液體與絕熱桿的溫差較大，導熱速度就會明顯加快，因而絕熱桿上結(jié)霜位置實際并不是低溫液體液面溫度的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種低溫液體液面計。
它依次具有中空的導熱管、兩個法蘭、板疊、聲諧振管，板疊由兩片固定金屬墊片固定，聲諧振管一端封閉，另一端與法蘭連接，導熱管一端與法蘭連接，另一端開口。
本實用新型是利用熱聲效應原理，通過聲響來判斷液面的位置，給操作帶來一定的方便，并且它是根據(jù)導熱管一旦離開低溫液體的液面，就會發(fā)出聲音，再一次插入液面后聲音便馬上消失機理，根據(jù)聲音的發(fā)生和消失的臨界點便可以精確的確定液面的高度。這種測量液面的方法，不僅克服了傳統(tǒng)測量方法的低溫液體會飛濺的危險性，同時又能高度精確的確定液面所在的位置。更重要的是，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，無運動部件，無卡住失靈及動密封的困難，可以長期使用，液面高低也能及時跟蹤，正確地反映出來。


圖1是低溫液體液面計結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是低溫液體液面計板疊結(jié)構(gòu)放大圖。
具體實施方式
從理論上來講，熱聲效應是指可壓縮的具有熱膨脹性的流體工質(zhì)，與具有較大熱容量和導熱系數(shù)的固體工作介質(zhì)之間，由于流體相對固體的聲振蕩和產(chǎn)生熱相互作用，而導致的時均熱力學能量效應。
對于一般駐波而言，聲場中的溫度波動只是由振動氣團的絕熱壓縮與絕熱膨脹引起，幅值極小，人們很難注意到。如果加入足夠短的平板(第二介質(zhì))，由于第二介質(zhì)和壓力波的熱接觸導致熱滲透深度內(nèi)的流體產(chǎn)生一個沿著聲傳播方向的熱流，在沿著平板方向會存在一個溫度梯度，當這個溫度梯度足以克服平板本身決定的臨界溫度梯度時，就會表現(xiàn)為熱流從高溫端流向低溫端并將部分熱量轉(zhuǎn)換成聲功輸出。由此可見，要實現(xiàn)熱驅(qū)動聲振蕩，其必要條件有兩點一是要有第二介質(zhì)，二是要有足夠的溫度梯度。若發(fā)聲，則另外需要有流動的氣體。
駐波熱聲管內(nèi)有駐波聲場，它是一個垂直放置的一端封閉的直管，內(nèi)置有塑料板疊(或者金屬絲網(wǎng))。板疊一般是由一簇玻璃管孔組成，可以起到增強熱聲效應的結(jié)果。根據(jù)Rayleigh準則，垂直放置的管在其中“一點冷卻時，有對流穿堂風?；晧涸趦啥藶楣?jié)點，中心為腹點，質(zhì)點速度正相反，兩端為腹點而中心為節(jié)點，在聲壓達到極大以前的四分之一周期中，在上半截和下半截的質(zhì)點速度都是流向中心。在下半截的質(zhì)點速度與平均氣流方向相同而加強，板疊從空氣中的吸取熱量增加。由于熱量轉(zhuǎn)移與聲壓之間有相當相位差，所以熱量轉(zhuǎn)移恰好有利于聲壓振蕩，而形成驅(qū)動力?！笨芍?，聲壓驅(qū)動既有賴于質(zhì)點速度，又關(guān)系聲壓。對于基波而言，管內(nèi)節(jié)點及腹點均不能驅(qū)動管內(nèi)振蕩。而節(jié)點至腹點之間，即在管口上四分之一管長處是最好的驅(qū)動點。此處即為板疊作用的最佳位置。一般熱聲板之間的間隔大約為兩倍或多一些熱附面層厚度(熱穿透距離)。
本實用新型采用以下基本的熱聲部件來實現(xiàn)。這些部件各具有不同的功能。在低溫液體液面計完成了熱能傳遞，熱能與聲能的相互轉(zhuǎn)化，運輸?shù)裙δ?。這些基本的部件是1)導熱管導熱管是一個換熱部件。在液面計剛插入低溫液體時，它主要通過熱傳導、對流等方式與管內(nèi)的氣體進行熱交換，使管內(nèi)的氣體盡可能的達到或接近管壁溫。此外，它必須盡可能使管內(nèi)的氣體呈層流運動狀態(tài)。導熱管的結(jié)構(gòu)可以采用導熱性能良好的固體圓管狀(如金屬管)結(jié)構(gòu)，也可以采用由導熱性能好的小管徑的金屬管束構(gòu)成。金屬管或金屬管束的管徑?jīng)]有嚴格的規(guī)定，一般按具體情況而定。導熱管的固體介質(zhì)應有良好的導熱性，從而使得管壁上的溫度盡可能地接近低溫。液體的溫度，管壁上的溫度越低，管內(nèi)氣體的冷卻速率越快，同時，也越接近低溫液體溫度，以使管內(nèi)的氣體盡可能接近等溫狀態(tài)。
2)熱聲板疊熱聲板疊是低溫液體液面計最為關(guān)鍵的部件，是熱聲轉(zhuǎn)換過程的發(fā)生地。板疊有平板型，多孔材料型，細管型(包括圓孔和方形)，絲網(wǎng)型和針棒型等多種結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究結(jié)果看來，針棒型板疊的效率最高，而平板型次之，然而針棒結(jié)構(gòu)雖有著較高的板疊效率，但其制作工藝復雜，一般很難得到實際上的應用。平板型板疊制作方便，并且具有較高的效率。不過，平板型板疊要求加工精度較高。通常采用近似平板型的螺旋卷筒狀結(jié)構(gòu)。由于在制作和安裝方面的方便性，絲網(wǎng)型和多孔材料型熱聲板疊獲得了越來越多的應用。常用的板疊材料也多種多樣，總的選材原則是有利于板疊中溫度梯度的建立。若選擇絲網(wǎng)型或多孔材料的話，一般選擇不銹銅、黃銅等導熱性能較好的材料，這樣由于絲網(wǎng)或多孔材料之間的接觸熱阻較大，而金屬材料本身的導熱性能較好，使得制成后的板疊軸向?qū)崮芰Σ?，而徑向?qū)崮芰^強。不但有利于板疊中溫度梯度的建立，而且，有利于熱聲轉(zhuǎn)化效率的提高；其他型式的板疊，為了獲得較為有利熱聲轉(zhuǎn)化的溫度梯度，一般使用導熱性能差的材料，如塑料、陶瓷、樹脂等。
從熱聲學的基本原理可以看到，熱聲效應只發(fā)生于距平板大約一個熱滲透深度范圍內(nèi)，若板疊間距取得過大，必然有一部分面積不參與熱聲泵熱，影響板疊的效率。若板疊間距取得過小，則粘滯損失會增加，對比存在多種不同的看法，有的建議間距取2～4倍的熱滲透深度值(δk=2K/ωρmCp]]>為氣體的熱滲透深度，其中K為氣體的熱導率，Cp為定壓比熱容，ω為角頻率，ρm為平均密度)。有的則認為熱聲板疊間距為2.5～5倍熱滲透深度值更符合線形熱聲理論的假設。綜合來看，2～5倍熱滲透深度是板疊間距地一個比較合適的值。除此之外，熱聲板疊的另一個重要的結(jié)構(gòu)尺寸是板疊長度。在冷熱端溫度一定的情況下，板疊的長度直接影響著板疊兩端的溫度梯度。若板疊長度太短，則熱聲效應賴以存在的氣-固界面面積太小，而當板疊太長，也會造成沿板疊長度上的溫度梯度減少，轉(zhuǎn)換效率降低。此外，板疊的長度還會影響相位之間的關(guān)系。因而會存在一個最佳板疊長度。但由于測液面計不存在效率轉(zhuǎn)化問題。因而只要滿足能在板疊中溫度梯度超過發(fā)聲所需要的臨界梯度即可。
3)諧振管諧振管是一段外壁面與外界導熱良好的固體管道。它有兩個主要作用，第一個作用是通過管道的長度在系統(tǒng)中的匹配，在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生半波諧振或近諧振聲場。熱聲諧振管的兩端聲導率比最好跨越高聲導率比和低聲導率比的區(qū)域。第二個作用，它應該具有良好的導熱性能。這樣，能使諧振管起到高溫端換熱器作用，以便使管內(nèi)的氣體處于或接近常溫狀態(tài)。此外，它還起到用于連接處于同樣溫區(qū)的兩端以形成聲波的反饋調(diào)節(jié)回路，或用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率，諧振管的截面形狀可以多種多樣。但其聲流道當量尺度應大于或遠大于當?shù)亓黧w的熱滲透深度，以避免由于固體熱傳導和熱聲效應產(chǎn)生從高溫端到低溫端的熱流損失，但也不能太大以使整個系統(tǒng)的空容積太大，能量密度太低。諧振管沿縱向方向可采用直管，也可以采用從低溫端向高溫端擴張的變截面管。如喇叭形連續(xù)擴張，或梯形階梯式擴張。諧振管的外壁面應與外界盡量充分熱接觸，以使管內(nèi)的氣體達到常溫狀態(tài)，這樣會有利于熱聲板疊中的溫度梯度的建立與維持。諧振管的開口端可設置(也可不設置)層流化元件，使諧振管內(nèi)的流動盡量接近于層流，降低或消除紊流混和損失。
本實用新型所指的低溫液體液面計是由以上幾個基本的聲學和熱聲部件構(gòu)成。這幾種部件不同的選擇和組合，可以形成不同結(jié)構(gòu)特點的低溫液面測量計。在這里所指的不同的選擇和組合，都需要滿足這樣的條件，即一個低溫液體液面測量計至少包括以上幾種基本部件。在導熱管端，導熱管從低溫液體液面吸收冷量，從而使導熱管的壁溫接近或達到低溫液體的溫度。通過管壁與氣體間的熱傳導，對流甚至輻射等方式將管內(nèi)的氣體也冷卻到接近低溫液體的溫度。低溫氣體在板疊形成一定的溫度梯度，當板疊中的溫度梯度大于熱聲效應產(chǎn)生所需的臨界梯度時，開始有一部分熱能轉(zhuǎn)化為聲能，此時如果管中的氣流流動，就會發(fā)出聲擾動。聲擾動在諧振管中協(xié)調(diào)成一固定的聲振頻率，并且反饋迅速放大，此時就會發(fā)出聲音。其中管中氣體流動與否是決定能否發(fā)出聲音的一個重要條件。低溫液體液面測量儀插入液面時，導熱管中的氣流除了對流等無規(guī)則的流動外，幾乎不產(chǎn)生其他層流流動。因而不能發(fā)聲。而導熱管離開液體時，由于外界的氣體涌入管內(nèi)，因而即刻發(fā)聲，就是通過發(fā)聲與否得臨界點來精確的確定液面的高度。
采用上述的設計，可以非常精確的確定低溫液體液面的位置，并且本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、操作也較為簡便，它不但克服了傳統(tǒng)確定低溫液體液面位置方法的危險性，和不準確性，而且可以廣泛的應用到不同的場合。
低溫液體液面計依次具有中空的導熱管1、兩個法蘭4、板疊2、聲諧振管3，板疊由兩片固定金屬墊片7固定，聲諧振管3一端封閉，另一端與法蘭連接，導熱管1一端與法蘭連接，另一端開口。
所說的導熱管1和聲諧振管3的材料為銀、紫銅、鋁，導熱管的外徑為15～100mm，壁厚為1.5～15mm，長為144mm～14.4m。聲諧振管外徑15～100mm，壁厚1.5～15mm，長度為131mm～13.1m。
板疊2的形狀為平板型、多孔材料型、列管型、絲網(wǎng)型和針棒型，板疊上的小孔孔徑為熱滲透深度的2～5倍，絲網(wǎng)型板疊，采用不銹鋼，黃銅；平板型、多孔材料型板疊，采用塑料、樹脂、陶瓷；板疊直徑為30～150mm，厚度為16～55mm，在板疊上同心均勻設有直徑為1.5～5mm的小孔223～500個。
金屬墊片7的材料選擇銀、紫銅、鋁，它的大小和形狀與板疊一致。
兩法蘭采用螺栓、螺母5連接，螺母上設有塑料墊圈6，墊圈采用氟塑料。
本實用新型的低溫液體液面計使用說明將該低溫液體液面計緩緩插入儲存低溫液體的大儲罐中，管身垂直向下，導熱管1開口端深入低溫液體液面以下，另一段聲諧振管3握在手中，保持常溫。維持一段時間后，會發(fā)現(xiàn)管身有強烈振感，垂直提升管身，直到發(fā)出“嗡……”的聲響。此時通過外界參照標尺記下所處位置，再與液面計尺寸比較，即可確定低溫液體液面所在的位置。
本實用新型的低溫液體液面計工作原理如下低溫液體將測液面計導熱管冷卻，而另一端的聲諧振管處在常溫下，這樣低溫空氣就在板疊中建立起一定的溫度梯度，當這個溫度梯度達到或超過臨界溫度梯度時，就會有一部分熱能轉(zhuǎn)化為聲能。另外，一定溫度的低溫氣體與固體介質(zhì)作用發(fā)聲仍需要一個額外條件熱聲管中的氣流必須流動。如果管內(nèi)的氣體完全靜止，則不會發(fā)出聲音。本低溫液體液面計就是利用這一原理來準確測定低溫液體液面高度。測液面計的管口置于低溫液體中時，由于低溫液體堵塞管口。雖然能形成一定的溫度梯度，但由于管內(nèi)氣體不流動，因而不能發(fā)聲。緩緩提升插在液體中的測液面計，當管口恰好露出液面時，管中的流體即刻發(fā)生流動。同時發(fā)出“嗡嗡”的聲響。
權(quán)利要求1.一種低溫液體液面計，其特征在于它依次具有中空的導熱管(1)、兩個法蘭(4)、板疊(2)、聲諧振管(3)，板疊由兩片固定金屬墊片(7)固定，聲諧振管(3)一端封閉，另一端與法蘭連接，導熱管(1)一端與法蘭連接，另一端開口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫液體液面計，其特征在于所說的導熱管(1)和聲諧振管(3)的材料為銀、紫銅、鋁，導熱管的外徑為15～100mm，壁厚為1.5～15mm，長為144mm～14.4m，聲諧振管外徑15～100mm，壁厚1.5～15mm，長度為131mm～13.1m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫液體液面計，其特征在于所說的板疊(2)的形狀為平板型、多孔材料型、列管型、絲網(wǎng)型和針棒型，板疊上的小孔孔徑為熱滲透深度的2～5倍，絲網(wǎng)型板疊采用不銹鋼、黃銅；平板型、多孔材料型板疊采用塑料、樹脂、陶瓷。板疊直徑為30～150mm，厚度為16～55mm，在板疊上同心均勻設有直徑為1.5～5mm的小孔223～500個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫液體液面計，其特征在于所說的金屬墊片(7)的材料選擇銀、紫銅、鋁，它的大小和形狀與板疊一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫液體液面計，其特征在于所說的兩法蘭采用螺栓、螺母(5)固定，螺母上設有塑料墊圈(6)，墊圈采用氟塑料。
專利摘要本實用新型公開了一種低溫液體液面計。它依次具有中空的導熱管、兩個法蘭、板疊、聲諧振管，板疊由兩片固定金屬墊片固定，聲諧振管一端封閉，另一端與法蘭連接，導熱管一端與法蘭連接，另一端開口。本實用新型是利用熱聲效應原理，通過聲響來判斷液面的位置，給操作帶來一定的方便，并且它是根據(jù)導熱管一旦離開低溫液體的液面，就會發(fā)出聲音，再一次插入液面后聲音便馬上消失機理，根據(jù)聲音的發(fā)生和消失的臨界點便可以精確的確定液面的高度。這種測量液面的方法，不僅克服了傳統(tǒng)測量方法的低溫液體會飛濺的危險性，同時又能高度精確的確定液面所在的位置。更重要的是，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，無運動部件，無卡住失靈及動密封的困難，可以長期使用，液面高低也能及時跟蹤，正確地反映出來。
文檔編號G01F23/296GK2589954SQ0229525
公開日2003年12月3日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者邱利民, 段祎, 歐陽錄春, 陳國邦, 甘智華, 孫大明, 張武 申請人:浙江大學