專利名稱：低溫液體液面計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種低溫液體液面計(jì)。
背景技術(shù)：
在低溫氣體液化和氣體分離領(lǐng)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(jì)(漢普遜型低溫液面計(jì)、電動和氣動差壓液面計(jì))；電容液面計(jì)；浮標(biāo)液面計(jì)；放射性液面計(jì)；超聲波液面計(jì)；碳電阻液面計(jì)；還有利用金屬或合金在低溫下變?yōu)槌瑢?dǎo)體的超導(dǎo)深度計(jì)等。但還沒有利用熱聲效應(yīng)原理制造的低溫液體液面計(jì)。而且綜合而言，以上幾種液面計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工、造價(jià)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(jì)采用導(dǎo)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(xiǎn)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(dǎo)致低溫液體濺出，并且由于導(dǎo)熱系數(shù)再小的材料，也會有一定的導(dǎo)熱性，加上低溫液體與絕熱桿的溫差較大，導(dǎo)熱速度就會明顯加快，因而絕熱桿上結(jié)霜位置實(shí)際并不是低溫液體液面溫度的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種低溫液體液面計(jì)。
它依次具有中空的導(dǎo)熱管、兩個(gè)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(dǎo)熱管一端與法蘭連接，另一端開口。
本實(shí)用新型是利用熱聲效應(yīng)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(dǎo)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(jī)理，根據(jù)聲音的發(fā)生和消失的臨界點(diǎn)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(xiǎn)性，同時(shí)又能高度精確的確定液面所在的位置。更重要的是，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，無運(yùn)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(shí)跟蹤，正確地反映出來。


圖1是低溫液體液面計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是低溫液體液面計(jì)板疊結(jié)構(gòu)放大圖。
具體實(shí)施方式
從理論上來講，熱聲效應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)致的時(shí)均熱力學(xué)能量效應(yīng)。
對于一般駐波而言，聲場中的溫度波動只是由振動氣團(tuán)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(dǎo)致熱滲透深度內(nèi)的流體產(chǎn)生一個(gè)沿著聲傳播方向的熱流，在沿著平板方向會存在一個(gè)溫度梯度，當(dāng)這個(gè)溫度梯度足以克服平板本身決定的臨界溫度梯度時(shí)，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(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動聲振蕩，其必要條件有兩點(diǎn)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(gè)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(qiáng)熱聲效應(yīng)的結(jié)果。根據(jù)Rayleigh準(zhǔn)則，垂直放置的管在其中“一點(diǎn)冷卻時(shí)，有對流穿堂風(fēng)?；晧涸趦啥藶楣?jié)點(diǎn)，中心為腹點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)速度正相反，兩端為腹點(diǎn)而中心為節(jié)點(diǎn)，在聲壓達(dá)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(diǎn)速度都是流向中心。在下半截的質(zhì)點(diǎn)速度與平均氣流方向相同而加強(qiáng)，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(dāng)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晧候?qū)動既有賴于質(zhì)點(diǎn)速度，又關(guān)系聲壓。對于基波而言，管內(nèi)節(jié)點(diǎn)及腹點(diǎn)均不能驅(qū)動管內(nèi)振蕩。而節(jié)點(diǎn)至腹點(diǎn)之間，即在管口上四分之一管長處是最好的驅(qū)動點(diǎn)。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(shí)用新型采用以下基本的熱聲部件來實(shí)現(xiàn)。這些部件各具有不同的功能。在低溫液體液面計(jì)完成了熱能傳遞，熱能與聲能的相互轉(zhuǎn)化，運(yùn)輸?shù)裙δ?。這些基本的部件是1)導(dǎo)熱管導(dǎo)熱管是一個(gè)換熱部件。在液面計(jì)剛插入低溫液體時(shí)，它主要通過熱傳導(dǎo)、對流等方式與管內(nèi)的氣體進(jìn)行熱交換，使管內(nèi)的氣體盡可能的達(dá)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(yùn)動狀態(tài)。導(dǎo)熱管的結(jié)構(gòu)可以采用導(dǎo)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(dǎo)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(yán)格的規(guī)定，一般按具體情況而定。導(dǎo)熱管的固體介質(zhì)應(yīng)有良好的導(dǎo)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(shí)，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(jì)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(xì)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(fù)雜，一般很難得到實(shí)際上的應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)。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(dǎo)熱性能差的材料，如塑料、陶瓷、樹脂等。
從熱聲學(xué)的基本原理可以看到，熱聲效應(yīng)只發(fā)生于距平板大約一個(gè)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(dǎo)率，Cp為定壓比熱容，ω為角頻率，ρm為平均密度)。有的則認(rèn)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(shè)。綜合來看，2～5倍熱滲透深度是板疊間距地一個(gè)比較合適的值。除此之外，熱聲板疊的另一個(gè)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(yīng)賴以存在的氣-固界面面積太小，而當(dāng)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(gè)最佳板疊長度。但由于測液面計(jì)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(dǎo)熱良好的固體管道。它有兩個(gè)主要作用，第一個(gè)作用是通過管道的長度在系統(tǒng)中的匹配，在整個(gè)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(dǎo)率比最好跨越高聲導(dǎo)率比和低聲導(dǎo)率比的區(qū)域。第二個(gè)作用，它應(yīng)該具有良好的導(dǎo)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(dāng)量尺度應(yīng)大于或遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)亓黧w的熱滲透深度，以避免由于固體熱傳導(dǎo)和熱聲效應(yīng)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(gè)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(kuò)張的變截面管。如喇叭形連續(xù)擴(kuò)張，或梯形階梯式擴(kuò)張。諧振管的外壁面應(yīng)與外界盡量充分熱接觸，以使管內(nèi)的氣體達(dá)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(shè)置(也可不設(shè)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(shí)用新型所指的低溫液體液面計(jì)是由以上幾個(gè)基本的聲學(xué)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(diǎn)的低溫液面測量計(jì)。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(gè)低溫液體液面測量計(jì)至少包括以上幾種基本部件。在導(dǎo)熱管端，導(dǎo)熱管從低溫液體液面吸收冷量，從而使導(dǎo)熱管的壁溫接近或達(dá)到低溫液體的溫度。通過管壁與氣體間的熱傳導(dǎo)，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(dāng)板疊中的溫度梯度大于熱聲效應(yīng)產(chǎn)生所需的臨界梯度時(shí)，開始有一部分熱能轉(zhuǎn)化為聲能，此時(shí)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(shí)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(gè)重要條件。低溫液體液面測量儀插入液面時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)熱管離開液體時(shí)，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(diǎn)來精確的確定液面的高度。
采用上述的設(shè)計(jì)，可以非常精確的確定低溫液體液面的位置，并且本實(shí)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(xiǎn)性，和不準(zhǔn)確性，而且可以廣泛的應(yīng)用到不同的場合。
低溫液體液面計(jì)依次具有中空的導(dǎo)熱管1、兩個(gè)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(dǎo)熱管1一端與法蘭連接，另一端開口。
所說的導(dǎo)熱管1和聲諧振管3的材料為銀、紫銅、鋁，導(dǎo)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(shè)有直徑為1.5～5mm的小孔223～500個(gè)。
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(shè)有塑料墊圈6，墊圈采用氟塑料。
本實(shí)用新型的低溫液體液面計(jì)使用說明將該低溫液體液面計(jì)緩緩插入儲存低溫液體的大儲罐中，管身垂直向下，導(dǎo)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(shí)間后，會發(fā)現(xiàn)管身有強(qiáng)烈振感，垂直提升管身，直到發(fā)出“嗡……”的聲響。此時(shí)通過外界參照標(biāo)尺記下所處位置，再與液面計(jì)尺寸比較，即可確定低溫液體液面所在的位置。
本實(shí)用新型的低溫液體液面計(jì)工作原理如下低溫液體將測液面計(jì)導(dǎo)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(dāng)這個(gè)溫度梯度達(dá)到或超過臨界溫度梯度時(shí)，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(gè)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(jì)就是利用這一原理來準(zhǔn)確測定低溫液體液面高度。測液面計(jì)的管口置于低溫液體中時(shí)，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(jì)，當(dāng)管口恰好露出液面時(shí)，管中的流體即刻發(fā)生流動。同時(shí)發(fā)出“嗡嗡”的聲響。
權(quán)利要求1.一種低溫液體液面計(jì)，其特征在于它依次具有中空的導(dǎo)熱管(1)、兩個(gè)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(dǎo)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(jì)，其特征在于所說的導(dǎo)熱管(1)和聲諧振管(3)的材料為銀、紫銅、鋁，導(dǎo)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(jì)，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(shè)有直徑為1.5～5mm的小孔223～500個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫液體液面計(jì)，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(jì)，其特征在于所說的兩法蘭采用螺栓、螺母(5)固定，螺母上設(shè)有塑料墊圈(6)，墊圈采用氟塑料。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種低溫液體液面計(jì)。它依次具有中空的導(dǎo)熱管、兩個(gè)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(dǎo)熱管一端與法蘭連接，另一端開口。本實(shí)用新型是利用熱聲效應(yīng)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(dǎo)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(jī)理，根據(jù)聲音的發(fā)生和消失的臨界點(diǎn)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(xiǎn)性，同時(shí)又能高度精確的確定液面所在的位置。更重要的是，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，無運(yùn)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(shí)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(xué)