專利名稱：電加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種棒狀的電加熱元件，該加熱元件包括外殼和嵌入外殼中的、可加 載電能的導(dǎo)線。
背景技術(shù)：
測量裝置和液位探針尤其使用在核電站中，在這些裝置中根據(jù)由加熱的熱電偶產(chǎn) 生的熱電動勢推斷出在液體容器中的液位高度，因?yàn)檫@些裝置相對于基于其它的測量原理 的測量裝置對于放射性的輻射來說相比較而言并不敏感，并因此即使在有故障的情況時也 還能伴隨著在一定條件下升高的輻射值可靠地工作。這樣的測量裝置尤其應(yīng)用在壓水反應(yīng) 堆的反應(yīng)堆壓力容器中，以便在該處監(jiān)測經(jīng)過電廠設(shè)備的初級循環(huán)回路流動的、在燃燒件 (Brenne 1 emente)之上的冷卻液的液位高度。測量原理充分利用了不同的熱傳導(dǎo)特性，這些熱傳導(dǎo)特性出現(xiàn)在熱量從加熱元件 一方面?zhèn)鲗?dǎo)至包圍住加熱元件的液體冷卻劑時并且另一方面?zhèn)鲗?dǎo)至氣體狀或蒸氣狀的介 質(zhì)時。只要加熱元件被液體冷卻介質(zhì)包圍著，那就使得由加熱元件產(chǎn)生的熱量迅速排出，從 而即使在其緊鄰的周圍環(huán)境中，溫度也只位于那個可能在非加熱情況下調(diào)節(jié)出現(xiàn)的周圍環(huán) 境溫度以上一點(diǎn)。現(xiàn)在如果例如在正常的反應(yīng)堆運(yùn)行期間或者也在反應(yīng)堆有故障的情況下 出現(xiàn)了以下情況，即受運(yùn)行的限制或者根據(jù)在初級循環(huán)回路中的壓力損失，反應(yīng)堆堆殼中 的液位降低到加熱元件的高度之下，該加熱元件因此被蒸氣狀的冷卻劑包圍，所以熱傳導(dǎo) 特性就變差了。這造成了在加熱元件的周圍環(huán)境中的溫度升高，這可以通過毗鄰于加熱元 件安置的溫度計或者溫度探測器來證實(shí)。由于熱電偶的可靠而堅固的工作原理，一般將其 用作溫度探測器，熱電偶提供一種基本上與溫度成比例的熱電動勢。多個加熱的熱電偶通常以大多情況下有規(guī)律的間距相互布置在棒狀的或管狀的 支架上或者長形的測量管上，測量管浸入在需要對于其液位進(jìn)行監(jiān)測的液體中，而且在其 內(nèi)部中也引導(dǎo)了為了給加熱元件供電和為了傳輸信號至外部的分析單元所必需的供電線 和信號線。布置在不同高度的傳感器或者測量位置因此可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字的、空間分立地顯示 容器中的液位高度，其中(局部的)分辨率取決于每個高度部段的熱傳感器的數(shù)量。這種 類型的測量裝置例如在RU 2153712 Cl中公開了。除了作為初級信號發(fā)送器起作用的加熱 的熱電偶之外這里也還布置了多個在測量管的內(nèi)部中的未加熱的電熱偶，這些熱電偶提供 對應(yīng)于各自的初級信號的參考信號。以這種方式可以在分析溫度信息和由此推導(dǎo)求出液位 高度時也考慮到液體溫度或周圍環(huán)境溫度的隨時間的變化。如果沒有一種這樣的措施，則 例如液體溫度的升高或降低可能錯誤地被示為液位高度的變化，或者通過液體的同時的溫 度變化而“掩蓋”液位高度的事實(shí)上的變化。確定盡可能精確的液位值取決于熱電偶的測量精度，然而也取決于由加熱元件提 供的溫度的可再現(xiàn)性。已知的加熱元件通常在施加的加熱電流和尤其通過加熱元件的整個 長度產(chǎn)生的溫度之間沒有精確的線性關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種加熱元件，該加熱元件具有可以盡可能精確地確定的特 性，而且其具有在結(jié)構(gòu)上的預(yù)定值的盡可能精確的可再現(xiàn)性。該目的根據(jù)本發(fā)明通過一種棒狀的電加熱元件來實(shí)現(xiàn)，該加熱元件具有導(dǎo)電的外 殼和嵌入外殼中的電導(dǎo)線，該電導(dǎo)線具有至少兩個分別具有不同的電特性和/或?qū)嵝缘?導(dǎo)線部段。至少一個電導(dǎo)線與外殼熱接觸，優(yōu)選地在棒狀的加熱元件的端部上，以便可以在 可加載加熱電流的導(dǎo)線和外殼之間實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)熱。這種加熱元件尤其可以應(yīng)用在用于在 液體容器中、尤其是在核技術(shù)設(shè)備的反應(yīng)堆堆殼中測量液位的裝置中。至少兩個分別具有 不同的電特性和/或熱特性的金屬的導(dǎo)線部段可以精確地確定熱特性和電特性，并且尤其 是可以取決于周圍環(huán)境溫度，尤其是冷卻介質(zhì)的溫度，精確地控制可傳輸至可與加熱元件 耦合的熱電偶上的熱流。本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計方案提出，至少兩個具有不同導(dǎo)熱性的導(dǎo)線部段分別直 接相互鄰接或依次緊隨。以這種方式可以確保在加熱元件和可與之耦合的熱電偶之間的測 量地點(diǎn)或耦合位置的精確定位。視導(dǎo)線部段的種類及其分別至具有其它特性的其它導(dǎo)線部 段的距離而定可以選擇耦合位置，以便獲得所希望的測量精度。尤其可以獲得加熱元件的不同種類的導(dǎo)線部段的不同的熱特性和/或電特性，其 方法是至少兩個不同的導(dǎo)線部段分別具有金屬的不同的材料成分。因此可以由具有降低的 導(dǎo)熱性的金屬制成加熱元件的第一導(dǎo)線部段。該第一導(dǎo)線部段因此形成加熱元件的所謂 的“冷部分”。例如鎳或者主要是鎳成分的鎳合金適合用于獲得第一導(dǎo)線部段的所希望的特 性。加熱元件的這個所謂的冷部分因此可以顯示出具有強(qiáng)信號變化的、相對較大的測量范 圍。第一導(dǎo)線部段的電阻與溫度有相對明顯的相關(guān)性，在將鎳應(yīng)用于該第一導(dǎo)線部段時，當(dāng) 溫度為30°C時電阻值例如可以大約為10歐姆，而在溫度為360°C時，電阻值可達(dá)大約50歐 姆。因?yàn)檫@種電阻的變化以近似線性的特性曲線地進(jìn)行，因此可精確再現(xiàn)的測量值可取決 于冷卻介質(zhì)的溫度或周圍的介質(zhì)的溫度實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的是，至少一個第二導(dǎo)線部段、加熱元件的所謂的“熱部分”由具有高導(dǎo)熱性 的金屬制成。尤其適合于此的是金屬如鎳鉻(NiCr)。可以有選擇地設(shè)有僅一個這樣的第二 導(dǎo)線部段。但也可以在加熱元件中設(shè)置多個“熱部分”，它們例如由鎳鉻制成。所選的材料 必須具有盡可能高的熱流，也就是說盡可能高的電阻。為了避免加熱元件的線性的電阻通 過溫度變化而部分地以在加熱元件的“熱部分”中起控制作用的溫度為基礎(chǔ)而改變，至少一 個第二導(dǎo)線部段的材料具有電阻與溫度之間的盡可能小的溫度關(guān)系。鉻鎳提供了這種所希 望的特性。加熱元件還可以具有金屬的外部的外殼、尤其是由不銹鋼制成的外殼。該外殼用 于保證加熱元件的介質(zhì)阻抗(Medienresistenz)和較長的使用壽命。在該外部的外殼之 內(nèi)，加熱元件可以嵌入絕緣體中。尤其是礦物材料、例如氧化鎂(MgO)適合于作為用于絕緣 體的材料。在液位指示器中使用根據(jù)本發(fā)明的加熱元件時，加熱元件的上面的部分放置在介 質(zhì)或冷卻水的上面的部段中。以這種方式可以利用加熱元件的該上面的部段覆蓋相對較大 的軸向的溫度梯度。為了避開在檢測介質(zhì)溫度時的測量精度，加熱元件的這個部段具有一 種材料，該材料的電阻只是和溫度略微相關(guān)。此外加熱元件的該部段可以具有較大的直徑，因此可以使加熱元件的線性的電阻變化實(shí)現(xiàn)更加精確的可調(diào)整性，這是因?yàn)橛纱耸沟蒙厦?的部段的量值與整個電阻變化相比減小了。本發(fā)明還包括一種用于在液體容器中、尤其是在核技術(shù)設(shè)備的反應(yīng)堆堆殼中測量 液位的裝置，該裝置具有多個長形的、相互間隔開的測量管，其中每個測量管具有多個在縱 向方向上分布地布置的熱電偶，而且其中至少一個熱電偶具有根據(jù)前面所述實(shí)施方式中任 一種的加熱元件。該裝置尤其適用于監(jiān)測液位并進(jìn)而可以以有利的方式用作為核反應(yīng)堆的 安全裝置的組成部分。本發(fā)明因此也包括一種核技術(shù)設(shè)備，其具有這種用于監(jiān)測液位的裝 置，該裝置具有至少一個根據(jù)前面所述實(shí)施變體中任一種的加熱元件。當(dāng)然也可考慮加熱 元件的其它使用領(lǐng)域，其中重要的是所提供的測量值的精度。概況而言根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種加熱元件，其導(dǎo)電的導(dǎo)體(“加熱絲”)具有至少兩 個不同的區(qū)域也就是具有比較高的加熱功率的“熱”加熱區(qū)，因此在運(yùn)行期間在該范圍中 為了進(jìn)行測量在周圍的冷卻介質(zhì)上進(jìn)行局部的熱傳導(dǎo)；和(空間上與加熱區(qū)域分離開的) 與之相比具有可忽略的加熱功率的更冷的區(qū)域，該區(qū)域通過與周圍的冷卻介質(zhì)的熱接觸基 本上具有在該部段中的冷卻介質(zhì)的溫度。由于加熱區(qū)域和非加熱區(qū)域在空間上分離，因此 在非加熱區(qū)域的范圍中的周圍的冷卻介質(zhì)的溫度并不進(jìn)一步由于加熱區(qū)域的范圍中的局 部的加熱過程而受到影響或者失真(verfaelscht)。通過局部加熱可以與布置在加熱區(qū)域附近的溫度探測器、尤其是與熱電偶結(jié)合 地，利用測量技術(shù)來檢測從加熱元件到周圍的冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)的質(zhì)量，并因此推斷出在 這個范圍中(液體的或氣體狀的)冷卻介質(zhì)的物態(tài)。加熱區(qū)域與對應(yīng)的熱電偶在一定程度 上一起構(gòu)成了用于熱傳導(dǎo)測量且進(jìn)而最終也用于液位測量的探針。由此可以判斷液面是否 位于加熱區(qū)域之下或者之上。在加熱區(qū)域的范圍中，加熱絲適宜地由具有相對高的(電學(xué)的)電阻率并具有電 阻率的相比較更小的溫度關(guān)系的材料制成，例如由鎳鉻(NiCr)制成。因此形成加熱區(qū)域的 加熱絲部段的總電阻基本上與取決于加熱而調(diào)整的瞬時材料溫度無關(guān)。與此相反，金屬絲 或?qū)w在非加熱區(qū)域的范圍中適合地由一種材料制成，該材料具有電阻率與材料溫度之間 的相比較更明顯的、優(yōu)選為線性的關(guān)系，材料溫度在此范圍中(如上面所述那樣)基本上由 周圍環(huán)境溫度、也就是說由周圍的冷卻介質(zhì)的溫度來確定。一種適合的材料例如是鎳(Ni)。 加熱絲的、由串聯(lián)的加熱區(qū)域和非加熱區(qū)域的電阻相加組成的總電阻的溫度關(guān)系因此基本 上僅僅由非加熱區(qū)域的范圍中的溫度關(guān)系來確定。通過這種結(jié)構(gòu)加熱絲的總電阻理想地線性地隨圍繞裝置的冷卻介質(zhì)的溫度而增 大，確切地說不受加熱區(qū)域的范圍中所發(fā)生的局部加熱過程的影響，這些加熱過程在此 (局部限制的)在一定情況下導(dǎo)致有偏差的并且隨時間而變化的溫度?？衫脺y量技術(shù)簡 單地檢測到的這個總電阻因此是用于確定總的冷卻劑溫度的適合的特征值。例如可以一次 以一種校準(zhǔn)測量的形式記錄溫度-電阻-特性曲線，借助于該曲線以下用于根據(jù)當(dāng)前所測 的電阻值確定當(dāng)前的冷卻劑溫度。因此在一定條件下可以取消用來確定冷卻劑溫度的一種 單獨(dú)分開的溫度探測器，或者可以用多樣的測量原理實(shí)現(xiàn)對于這樣的溫度探測器來說的備 用的測量。在冷卻劑溫度的這樣的測量值的基礎(chǔ)上，例如可以進(jìn)行對于加熱元件的與溫度 相關(guān)的加熱電流調(diào)節(jié)，以用于對隨溫度而變化的熱傳導(dǎo)系數(shù)的例如不期望的次級效應(yīng)進(jìn)行 補(bǔ)償，該熱傳導(dǎo)系數(shù)用于從加熱元件的加熱區(qū)域到冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。
除了已經(jīng)提到的加熱區(qū)域和“溫度敏感的”非加熱區(qū)域之外，加熱元件的電導(dǎo)線也 還可以包括其它的部段，它們適宜地由具有電阻率的盡可能小的溫度關(guān)系的材料制成和/ 或通過相應(yīng)大尺寸的導(dǎo)線橫截面只是很少地有助于金屬絲或?qū)Ь€的總電阻，而且因此并不 是根據(jù)上面所述的那樣對溫度敏感。因此對于溫度測量有效的導(dǎo)線部段，就是說溫度測量 區(qū)域，和其在總布置之內(nèi)的空間位置可以精確地通過材料轉(zhuǎn)換的合適的定位進(jìn)行確定。


根據(jù)附圖對本發(fā)明的一個實(shí)施例詳細(xì)地加以說明。附圖所示為圖1是一種根據(jù)本發(fā)明的加熱元件的示意圖；圖2是加熱元件的第一變體的縱向剖視簡圖；和圖3是加熱元件的第二變體的縱向剖視簡圖。
具體實(shí)施例方式圖1的示意圖示出了一種棒狀的電加熱元件10的一個實(shí)施例，該加熱元件在長形 的下面部段12中具有固定的直徑，該直徑小于上面部段14的同樣也是固定的直徑。加熱 元件10的上面部段14的直徑例如可為大約2mm，而下面部段12的直徑大約為1mm，長度可 為大約500mm。上面部段的長度可以變化，這取決于加熱元件10的使用目的和實(shí)施變體而 定。上面部段14的較大的直徑可以改善加熱元件10的參數(shù)的可調(diào)整形，因?yàn)檫@樣減小了 上面部段14相對于整個電阻變化的值，這根據(jù)以下附圖還要詳細(xì)敘述。圖2和圖3的示意圖分別表示了加熱元件10的第一或第二變體的縱向截面。金 屬外殼16上面敞開、下面封閉，從而其整體上具有一種長形容器的結(jié)構(gòu)形狀，在該外殼之 內(nèi)嵌入U形導(dǎo)線18，其中通過由氧化鎂制成的絕緣體20填充間隙。在加熱元件10的下面 部段12中，在導(dǎo)線18和外殼16之間有導(dǎo)電接觸。外殼16尤其是可以由不銹鋼材料(例 如1.4306,1.4435或者2. 4816)制成，而導(dǎo)線18由不同的導(dǎo)線部段構(gòu)成，這些導(dǎo)線部段由 不同的金屬制成。第一導(dǎo)線部段22由具有相對較小的導(dǎo)熱性的金屬制成。這里適合的尤其是鎳或 鎳合金。由于較低的導(dǎo)熱性，第一導(dǎo)線部段22也可以稱為加熱元件10的“冷部分”。第二 導(dǎo)線部段對由具有高導(dǎo)熱性的金屬制成，適合于此的尤其是鎳鉻。該第二導(dǎo)線部段M構(gòu) 成了加熱元件的真正的加熱區(qū)域。由于較高的導(dǎo)熱性，該第二導(dǎo)線部段M也可以稱為加熱 元件10的“熱部分”。無論是第一導(dǎo)線部段22還是第二導(dǎo)線部段M都布置在加熱元件10 的具有較小直徑的下面部段12中。例如可以由銅制成的第三導(dǎo)線部段沈位于具有較大直 徑的上面部段14中。圖2和3所示的兩種實(shí)施變體的區(qū)別在于將第二導(dǎo)線部段M分別不同地布置在 不同的高度上。形成真正的加熱區(qū)域的第二導(dǎo)線部段M在根據(jù)圖2的第一變體中布置在 下面部段12的下端部并且一直到達(dá)外殼16的下端面，而加熱區(qū)域和進(jìn)而第二導(dǎo)線部段M 在根據(jù)圖3的第二變體中位于下面部段12的中間區(qū)域中。下面部段12的下面的區(qū)域又由 第一種由鎳或鎳合金制成的導(dǎo)線部段填充。第一導(dǎo)線部段22 —直到達(dá)外殼16的下端面。 第一種由鎳制成的另一個導(dǎo)線部段22又位于由鉻鎳制成的第二導(dǎo)線部段M之上。加熱區(qū)域或第二導(dǎo)線部段M的長度例如可以為50mm。 由圖2和3可見，在不同的導(dǎo)線部段22，對和沈的不同金屬之間的轉(zhuǎn)換并沒有中 斷或者間隔。這些連接例如可以通過熔焊或者釬焊來建立。為了得到一種具有可盡可能精 確再現(xiàn)的電特性和熱特性的加熱元件，重要的是，U形導(dǎo)線18的兩個支腿的構(gòu)造很大程度 上是對稱的；也就是說第一和第二導(dǎo)線部段22和M在兩個支腿中的每個支腿上分別精確 地長度相等并且定位于相同高度上。參考標(biāo)號表
10電加熱元件
12下面部段
14上面部段
16外殼
18導(dǎo)線
20絕緣體
22第一導(dǎo)線部段
24第二導(dǎo)線部段
26第三導(dǎo)線部段
權(quán)利要求
1.一種電加熱元件(10)，尤其是應(yīng)用在用于在液體容器中、尤其是在核技術(shù)設(shè)備的反 應(yīng)堆堆殼中測量液位的裝置中，所述加熱元件包括一個導(dǎo)電的外殼(16)和至少一個嵌入 所述外殼中的電導(dǎo)線(18)，所述電導(dǎo)線與所述外殼(16)導(dǎo)電接觸，其特征在于，所述電導(dǎo) 線(18)具有至少兩個分別具有不同的電特性和/或?qū)嵝缘膶?dǎo)線部段(22，24)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其特征在于，所述至少兩個具有不同的導(dǎo)熱性的 導(dǎo)線部段(22，24)分別直接相互鄰接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加熱元件，其特征在于，所述至少兩個不同的導(dǎo)線部段 (22，24)分別具有不同的材料成分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于所述電導(dǎo)線(18)的金屬 的導(dǎo)線部段(22，24)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述加熱元件(10)的 第一導(dǎo)線部段(22)由具有降低的導(dǎo)熱性的材料或金屬制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加熱元件，其特征在于，所述第一導(dǎo)線部段(22)由鎳或者由 主要是鎳成分的鎳合金制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述加熱元件(10)的 第二導(dǎo)線部段(24)由具有高導(dǎo)熱性的材料或金屬制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加熱元件，其特征在于，所述第二導(dǎo)線部段(24)由鎳鉻 (NiCr)制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的加熱元件，其特征在于，所述加熱元件(10)的 所述外部的外殼(16)由金屬、尤其是由不銹鋼制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加熱元件，其特征在于，所述加熱元件(10)在所述外部的外 殼(16)之內(nèi)至少分段地嵌入在絕緣體(20)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的加熱元件，其特征在于，所述絕緣體(20)由礦物材料制成， 或者具有礦物材料。
12.一種裝置，用于在液體容器中、尤其是在核技術(shù)設(shè)備的反應(yīng)堆堆殼中測量液位，所 述裝置具有多個長形的、相互間隔開的測量管，其中每個測量管具有多個在縱向方向上分 布地布置的熱電偶，而且其中至少一個熱電偶分配有根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的 加熱元件(10)。
13.一種核技術(shù)設(shè)備、尤其是壓水反應(yīng)堆，具有根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于監(jiān)測液位 的裝置，所述裝置具有至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的加熱元件(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種棒狀的電加熱元件，尤其是應(yīng)用在用于在液體容器中、尤其是在核技術(shù)設(shè)備的反應(yīng)堆堆殼中測量液位的裝置中，該加熱元件包括一個導(dǎo)電的外殼和至少一個嵌入外殼中的電導(dǎo)線，該電導(dǎo)線與外殼導(dǎo)電接觸。電導(dǎo)線具有至少兩個分別具有不同的電特性和/或?qū)嵝缘膶?dǎo)線部段。
文檔編號G01F23/22GK102090141SQ200880127467
公開日2011年6月8日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者斯特凡·普夫勒格, 沃爾夫?qū)じ８裉? 維爾弗里德·哈夫斯特, 薩哈·克歇爾 申請人:阿雷瓦核能有限責(zé)任公司