專利名稱：低溫液位計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是專門為精確地監(jiān)測和控制處于低溫容器之中液體的液面變化而研制的一種高分辨低溫液位計。
目前，用來測量低溫液體液面的方法雖然很多，其中電阻式和電容式液位計具有可以輸出連續(xù)的電壓或電容信號，用于測量、觀測和控制液面。但是，它們均存在靈敏度差，分辨率低，使用壽命短等缺點，不能滿足科研和工業(yè)生產(chǎn)的迫切需求。
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有液位計所存在的缺點，根據(jù)鍺二極管當有穩(wěn)恒電流在其中通過時，它在低溫流體汽液兩相中的輸出電壓具有明顯的差異等特性，制成一種新型的低溫液位計，具有分辨率高、復現(xiàn)性好、熱損耗小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。
本發(fā)明由鍺二極管液位傳感器、毫安級恒電流控制電路及數(shù)字電壓表(或數(shù)字顯示萬用表)組成。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明的電路圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細的說明。
參照附圖，本發(fā)明包括一定位板(5)，定位板上配置有至少兩個串聯(lián)的二極管組(1)，二極管組(1)和一恒流源(2)相串接，同時和一數(shù)字電壓表(3)相并聯(lián)。本發(fā)明的最佳實施例為點接觸式二極管，所說的定位板(5)可以是交叉的兩塊平板或者是圓筒壁或直桿。恒流源(2)的電流范圍為40～100mA。另外，圖中，(4)是配置在二極管組(1)之外的擋板，阻止沸騰氣泡和二極管組(1)直接接觸。
使用時，將定位板(5)及其上的二極管組(1)豎直放置在容器中，當容器中的液位變化時，一部分二極管浮出液面，處在氣相中，由于氣體的換熱系數(shù)較小，液體的換熱系數(shù)較大，致使氣相中的二極管因自熱效應產(chǎn)生的溫升較高，所以氣相中的二極管正向輸出電壓較低。如果浮出液面的二極管越多，則二極管組的總的輸出電壓就越低，由此根據(jù)總輸出電壓的大小，就可以判斷哪些二極管已經(jīng)浮出液面，從而可以測量出液面的高度。
本發(fā)明的工作原理是實驗研究發(fā)現(xiàn)，對二極管(1)通以一定大小的工作電流(此工作電流由一恒流源(2)提供)，二極管本身會產(chǎn)生一定大小的自熱效應，二極管的正極就會輸出一定大小的正向電壓。正向電壓的大小可由并聯(lián)在電路中的數(shù)字電壓表(3)來測量。隨著二極管所處的流體的溫度的不同，二極管所輸出正向電壓的大小也隨之發(fā)生相應的變化。利用二極管這種溫度特性，可以制成二極管溫度計，用來精確地測量流體的溫度，這一事實已被國內(nèi)外許多研究者所證實。
但是，利用二極管這種溫度特性研制成低溫液位計，以達到精確地監(jiān)測和控制低溫液位的目的，卻尚無人進行此項研究。實際上，由于熱量在液相中的傳遞速度遠比在氣相中的傳遞速度快。因而，二極管在液相中的溫升要比在氣相中的溫升小，而二極管的正向輸出電壓與其自身的溫升成負效應關(guān)系。這樣，二極管在液相中的正向輸出電壓就比它在汽相中的輸出電壓小。因此，我們利用二極管在汽液兩相中因傳熱性能的不同而引起正向輸出電壓的變化，就可以達到測量液位高低的目的。如果在線路中安置一控制機構(gòu)，就可以十分方便地自動控制和維持某一液面。實驗研究表明，鍺二極管在低溫流體汽液兩相中的正向輸出電壓的變化十分明顯。在液氮和氣氮中的正向輸出電壓差值達0.2V左右，為電阻式液面計分辨率的5～10倍。因而，采用鍺二極管研制成的低溫液位計具有分辨率高、性能穩(wěn)定可靠、液位的測量精度高、安裝、使用簡便等特點，能夠很好地滿足低溫領(lǐng)域中的科研和實際生產(chǎn)的需要。
為了保證鍺二極管的正常工作，使液面計始終保持高分辨率，精確測量和控制液位的目的(1)必須保證本發(fā)明中所包括的恒定電流控制電路的穩(wěn)定、可靠的性能。因為鍺二極管只有在穩(wěn)定大小的工作電流下，產(chǎn)生一定大小的自熱效應，才會使二極管在經(jīng)過低溫流體汽液兩相界面時所輸出的正向電壓值具有明顯的差異。否則，如果工作電流過小，例如，當工作電流為400微安時，鍺二極管在液氮和氣氮中輸出的正向電壓差值僅10毫伏，分辨率很低，根本無法進行精確的液位測量。當然，當工作電流過大時，二極管本身的自熱效應就會過大，容易燒毀二極管或縮短其使用壽命。因此工作電流既不能過小也不能過大。本發(fā)明的最佳工作電流為40～100mA。(2)二極管(1)的體積和熱慣性大小將直接影響液位測量的精度，為此，本發(fā)明選用點接觸性鍺二極管，它是由一根很細的金屬絲壓在光滑的半導體薄片上構(gòu)成的，金屬絲為正極，半導體薄片為負極。這種二極管密封在玻璃殼內(nèi)，體積小，熱慣性小。當二極管通以穩(wěn)恒電流時，有明顯的自熱效應。(3)使用本發(fā)明來測量正在沸騰的低溫流體的液面時，液面計的外部需加一擋板(5)，這是用來擋住因加熱而激烈沸騰的汽液兩相流體的沖擊，使鍺二極管處于較為平靜的液體(液氮)區(qū)，以便準確地測量和控制低溫流體的液面。否則，鍺二極管液位計將無法正常工作。(4)鍺二極管組電路中的鍺二極管的數(shù)目必須限制在1～7只范圍內(nèi)，以保證恒流源的正常工作。(5)如果所需要控制的液面高度范圍較大，當僅用一個鍺二極管液位計不能滿足液面測量的需要時，則可以用二個或三個鍺二極管液位計緊挨在一起，分別用幾個恒流源控制即可。
本發(fā)明可適用于低溫流體，也可適用于中溫及常溫流體。
權(quán)利要求
1.低溫液位計，包括一定位板(5)，本發(fā)明的特征是，定位板(5)上配置有至少兩個串聯(lián)的鍺二極管組(1)，二極管組(1)和一個恒流源(2)相串接，同時和一數(shù)字電壓表(3)相并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液位計，其特征在于，所說的二極管為點接觸式二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液位計，其特征在于，在所說的二極管組(1)之外配置一擋板(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的低溫液位計，其特征在于，所說的恒流源(2)的電流范圍為40～100mA。
全文摘要
一種能精確地監(jiān)測和控制處于低溫容器中液體液面變化的低溫液位計，包括一定位板，定位板上配置有至少兩個串聯(lián)的鍺二極管組，二極管組和一恒流源相串接，同時和一數(shù)字電壓表相并聯(lián)，具有分辨率高、復現(xiàn)性好、熱損耗小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。
文檔編號G01F23/24GK1155073SQ9611873
公開日1997年7月23日 申請日期1996年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月24日
發(fā)明者陳流芳, 吳裕遠, 魯鈺 申請人:西安交通大學