一种实时连续测量液位的方法技术领域
本发明涉及传感监测领域，特别涉及一种实时连续测量液位的方法。
背景技术
在现代工业生产中，用于测量液位的传感器几乎遍及生产过程中的各个环
节。液位传感器按其设计原理通常分为接触式的如压差式、浮球式、电容式、
磁性液位传感器等，非接触式的如超声式、雷达式液位传感器等，还有部分为
非连续性的仅起报警或开关作用的液位传感器。而在一些特殊的工况环境如高
温、高压、强辐照环境的液位连续测量，对液位传感器的性能要求较高，普通
液位传感器很难满足要求，特别是有活动部件的如接触式、渗透式液位传感器。
国外生产的一体化连续测量液位传感器，由于没有活动部件，测量时性能
可靠性高，不仅可现场显示数据，还可实时远程监控，已被广泛应用于高温、
高压、强辐照等特殊工况环境的液位连续测量。但是，由于这类液位传感器属
于特种仪表，进口价格不但高昂，而且受到国际因素的限制，在维护、维修这
类进口液位传感器时，国外厂商的技术响应时间较长，严重影响企业的生产作
业，备品、备件的更换困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化铠装连续测量的液位传感器用于测量液位
的方法，该测量方法简单、可靠，可实现液面位置的远距离在线实时监测，同
时还可以实时监测液体的温度。
本发明的目的是这样实现的：一种实时连续测量液位的方法，采用了一种
液位传感器，所述液位传感器包括前端密封的管状金属壳体，所述管状金属壳
体的内腔中设有形成回路的铂丝、形成回路的热电偶丝，以及形成回路的电加
热丝，所述铂丝、热电偶丝、电加热丝均沿管状金属壳体轴向延伸，所述管状
金属壳体的内腔中填充有绝缘材料，铂丝、热电偶丝、电加热丝由填充的缘材
料隔离，所述管状金属壳体的后端设置密封连接头形成密封，该密封连接头上
设有铂电阻，所述铂丝、热电偶丝、电加热丝、铂电阻通过密封连接头与多芯
屏蔽电缆电连接；
所述液位传感器用于实时连续测量液位的方法具有以下步骤，
1)将传感器竖直浸入测量液体中，记传感器金属壳体总长度为H，传感器
金属壳体露出液面部分长度为l1，传感器金属壳体浸入液体部分长度为l2＝H-l1；
2)通电后，采集热电偶丝测量的液体温度t0、铂电阻测量的环境温度tf，
以及铂丝电阻值R，并将采集的实时数据传输至控制中心，利用传感器金属壳体
露出液面部分长度l1与液体温度t0、环境温度tf、铂丝电阻值R的相互关系，得
到以下迭代函数关系式：
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
]]>
式中，![]()
其中，h为液体的传热系数，P为传感器金属壳体的截面
周长，λ为传感器金属壳体的导热系数，Ac为传感器的截面积，R0为传感器处
于摄氏零度(273.15K)环境中时金属壳体内铂丝的电阻值；
3)将实时采集的液体温度t0、环境温度tf、铂丝电阻值R，代入步骤2)中
的迭代函数关系式，计算出传感器金属壳体露出液面部分长度l1，并根据步骤1)
的传感器金属壳体浸入液体部分长度为l2＝H-l1，即可得到传感器金属壳体浸入
液体长度l2，由此实现对液位的实时连续测量。
所述步骤2)中迭代函数关系式通过以下步骤得到，
a)由泊松方程![]()
传感器金属壳体露出液面部分l1的温
度分布t(x)与距离液面x具有如下函数关系式(液面处x＝0)：
t
(
x
)
=
(
t
0
-
t
f
)
·
e
m
x
+
e
2
ml
1
·
e
-
m
x
1
+
e
2
ml
1
+
t
f
,
]]>式中，
m
=
h
P
λA
C
,
]]>其中，h为液体的传热
系数，P为传感器金属壳体的截面周长，λ为传感器金属壳体的导热系数，Ac为
传感器的截面积，t0为热电偶丝(3)测量的液体温度t0，tf为铂电阻测量的环
境温度；
b)ΔR为传感器内铂丝单位长度、单位温度条件下的电阻增量(相对于0℃
时的电阻值)，r1为为露出液面部分铂丝的电阻增量值，建立等式
![]()
联立步骤a)的函数关系式可得：
r
1
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
ΔRl
1
t
f
,
]]>
同理，可得浸入液面部分铂丝的电阻增量r2的函数关系式：
r2＝ΔR(L-l1)·t0，所述铂丝的总电阻R＝r1+r2+R0，即
R
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
,
]]>其中R0为传感器处于摄氏零度
(273.15K)环境中时金属壳体内铂丝的电阻值；
c)将步骤b)所得总电阻R的函数关系式采用迭代法计算传感器露出液面
部分长度l1，即得
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
.
]]>
所述形成回路的铂丝由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U
形结构；所述形成回路的热电偶丝由两极热电偶丝平行排列且前端通过激光焊
接相连形成U形结构；所述形成回路的电加热丝由两根电加热丝平行排列且前
端通过激光焊接相连形成U形结构。
所述U形结构的铂丝位于U形结构的热电偶丝的一侧，U形结构的铂丝的
两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝的两级热电偶丝之间的连线形
成垂直分布，所述U形结构的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构
的铂丝的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交错分布，U形结构的铂丝的前端位
于电加热丝的U形结构内。
所述U形结构的电加热丝采用恒流电源供电。
采用上述技术方案：将本发明所述传感器垂直浸入待测液体中，传感器的
一部分露出液面以上，传感器的另一部分位于液面以下，液面将传感器的管状
金属壳体分为上、下两个部分。位于传感器金属壳体中的热电偶丝焊接组成的
热电偶用于测量待测液体的温度；位于密封连接头中的铂电阻用于测量外部环
境的温度。由于待测液体与外部气体环境导热系数差异很大，而位于液面以下
环境为等温区，可直接建立铂丝电阻值与浸入液面以下传感器长度l2和液体温度
t0的关系式；位于液面以上环境为半无限空间对流传热模型，位于液面以上传感
器的温度沿轴向呈梯度分布，通过微积分的方法对该段铂丝电阻值的累积计算，
因此，可建立液体温度、环境温度、铂丝电阻值与液位的关系式，而待测液体
的温度、外部环境的温度、铂丝整体的电阻值可通过多芯屏蔽电缆进行实时监
测，通过函数关系式，得知传感器金属壳体浸入液体的长度，实现实时连续测
量液面位置。
所述U形结构的铂丝位于U形结构的热电偶丝的一侧，U形结构的铂丝的
两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝的两极电偶丝之间的连线形成
垂直分布，所述U形结构的电加热丝的两根电加热丝之间的连线与U形结构的
铂丝的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交错分布，U形结构的铂丝的前端位于
电加热丝的U形结构内，液位传感器管状金属壳体内腔中的多根芯线如此分布
排列，能保证热电偶丝所测温度与液体温度最接近，铂丝所处温度场更加均匀，
提高液位传感器的测量精度。
下面结合附图和具体实施方式作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明液位传感器的结构示意图；
图2为图1的A-A音视图；
图3为本发明液位传感器管状金属壳体中各芯线分布图；
图4为本发明液位传感器的使用状态图。
附图中，1为铂丝，2为电加热丝，3为热电偶丝，4为管状金属壳体，5为
绝缘材料，7为铂电阻，8为多芯屏蔽电缆，9为密封连接头，10为电连接器。
具体实施方式
实施例1：
参见图1至图3，为本发明采用的液位传感器的一种具体实施例。液位传感
器包括前端密封的管状金属壳体4，本实施例中，所述管状金属壳体采用不锈钢
材料316L通过铠装拉拔成型。所述管状金属壳体4的内腔中设有形成回路的铂
丝1、形成回路的热电偶丝3，以及形成回路的电加热丝2，所述铂丝1、热电
偶丝3、电加热丝2均沿管状金属壳体4的轴向延伸，本实施例中，所述形成回
路的铂丝1由两根铂丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，两根
铂丝的后端与管状金属壳体的后端齐平；所述形成回路的热电偶丝3由正、负
极热电偶丝平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，两根热电偶丝的
后端与管状金属壳体的后端齐平；所述形成回路的电加热丝2由两根电加热丝
平行排列且前端通过激光焊接相连形成U形结构，两根电加热丝的后端与管状
金属壳体的后端齐平。所述管状金属壳体4的内腔中填充有绝缘材料5，铂丝1、
热电偶丝3、电加热丝2由填充的绝缘材料5隔离，本实施例中，所述绝缘材料
5为氮化铝，为高导热绝缘材料。所述管状金属壳体4的后端设置密封连接头9
形成密封，本实施例中，所述密封连接头的后端还连接有电连接器10，电连接
器10采用LEMO连接器，该LEMO连接器的插座端固定在管状金属壳体的后
端，插头端与十芯屏蔽电缆连接，密封连接头9上还设有铂电阻7，所述铂电阻
7为四线制输出铂电阻，所述铂丝1、热电偶丝3、电加热丝2、铂电阻7通过
密封连接头9与十芯屏蔽电缆8电连接；为避免热电偶丝与铂丝相互干扰，所
述U形结构的铂丝1位于U形结构的热电偶丝3的一侧，U形结构的铂丝1的
两根铂丝之间的连线与所述U形结构的热电偶丝3的两根热电偶丝之间的连线
形成垂直分布，为提高液位传感器的测量精度，所述U形结构的电加热丝的两
根电加热丝之间的连线与U形结构的铂丝的两根铂丝之间的连线呈垂直空间交
错分布，U形结构的铂丝的前端位于电加热丝的U形结构内。
上述液位传感器的制备方法为：将绝缘材料氮化铝挤压成具有六孔的绝缘
瓷柱，按照图2所示的分布方式，分别将两根铂丝、两根电加热丝、两根热电
偶丝装配在绝缘瓷柱中，取两端均开口的316L不锈钢金属管，将装有金属丝的
绝缘瓷柱装入金属管中，然后铠装拉拔至外径5.3mm，形成管状金属壳体；拉
拔完成后，绝缘瓷柱被挤压成高致密的粉状，填充在管状金属壳体中，然后用
激光焊接的方式分别将两根铂丝的前端焊接、两根电加热丝的前端焊接、两根
热电偶丝的前端焊接，形成三组U形结构的回路；激光焊接完成后，用氩弧焊
接的方式对管状金属壳体的前端开口焊接封头，形成前端密封的管状金属壳体；
氩弧焊接封头完成后，将管状金属壳体置于120℃环境中，使内腔中的六路芯线
与管状金属壳体的绝缘电阻大于1000MΩ·M，然后在管状金属壳体的后端装入四
线制的铂电阻，最后灌入耐高温的密封胶，形成密封连接头；LEMO连接器的插
座端固定在管状金属壳体的后端，LEMO连接器的插头端与十芯屏蔽电缆电连接，
所以探测器的信号通过LEMO连接器转接后，通过十芯屏蔽电缆长距离传输至
控制中心。
上述液位传感器用于实时连续测量液位的方法为：
1、将传感器的管状金属壳体竖直浸入测量液体中，记传感器管状金属壳体
4总长度为H，传感器管状金属壳体4露出液面部分长度为l1，传感器管状金属
壳体4浸入液体部分长度为l2＝H-l1；
2、通电后，采集热电偶丝3测量的液体温度t0、铂电阻7测量的环境温度tf，
以及铂丝电阻值R，并将采集的数据实时传输至控制中心，利用传感器管状金属
壳体4露出液面部分长度l1与液体温度t0、环境温度tf、铂丝电阻值R的相互关
系，得到以下迭代函数关系式：
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
]]>
式中，![]()
其中，h为液体的传热系数，P为传感器金属壳体的截面
周长，λ为传感器金属壳体的导热系数，Ac为传感器的截面积，R0为传感器处
于摄氏零度(273.15K)环境中时金属壳体内铂丝的电阻值；
3、将实时采集的液体温度t0、环境温度tf、铂丝电阻值R，代入步骤2中的
迭代函数关系式，计算出传感器管状金属壳体4露出液面部分长度l1，并根据步
骤1的传感器管状金属壳体4浸入液体部分长度为l2＝H-l1，即可得到传感器管
状金属壳体4浸入液体长度l2，由此实现对液位的实时连续测量。
上述测量方法步骤2)中的函数关系式通过以下步骤推导出，
a)由泊松方程![]()
传感器金属壳体(4)露出液面部分l1
的温度分布t(x)与距离液面x具有如下函数关系式(液面处x＝0)：
t
(
x
)
=
(
t
0
-
t
f
)
·
e
m
x
+
e
2
ml
1
·
e
-
m
x
1
+
e
2
ml
1
+
t
f
,
]]>式中，
m
=
h
P
λA
C
,
]]>其中，h为液体的传热
系数，P为传感器金属壳体的截面周长，λ为传感器金属壳体的导热系数，Ac为
传感器的截面积，t0为热电偶丝(3)测量的液体温度t0，tf为铂电阻(7)测量
的环境温度；
b)设ΔR为传感器内铂丝单位长度、单位温度条件下的电阻增量(相对于0
℃时的电阻值)，r1为露出液面部分铂丝的电阻增量值，建立等式
![]()
联立步骤a)的函数关系式可得：
r
1
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
ΔRl
1
t
f
,
]]>
同理，可得浸入液面部分铂丝的电阻增量r2的函数关系式：
r2＝ΔR(L-l1)·t0，所述铂丝(1)的总电阻R＝r1+r2+R0，即
R
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
,
]]>其中R0为传感器处于摄氏零度
(273.15K)环境中时金属壳体内铂丝的电阻值；
c)将步骤b)所得总电阻R的函数关系式采用迭代法计算传感器露出液面
部分长度l1，即得
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
.
]]>
实施例2：
在环境温度为30℃、液体温度为50℃条件下，将液位传感器垂直浸入液体
中，传感器的管状金属壳体插入的深度为100mm。通过数据实时采集得到，液体
温度t0＝55.31℃，环境温度tf＝29.18℃，纯铂丝电阻值R＝22.1Ω，代入迭代函数
关系式
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
,
]]>采用弦截迭代法，
迭代6步后达到迭代精度，计算得到管状金属壳体浸入液体的长度l2＝98.5mm，
探测精度达到
|
100
-
98.5
|
100
×
100
%
=
1.5
%
.
]]>
实施例3：
在环境温度为30℃、液体为沸水(温度为100℃)条件下，将液位传感器
垂直浸入沸水中，传感器的管状金属壳体插入的深度为150mm。通过数据实时采
集得到，液体温度t0＝96.02℃，环境温度tf＝28.69℃，纯铂丝电阻值R＝24.01Ω，
代入迭代函数关系式
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
,
]]>采用
牛顿迭代法，迭代7步后达到迭代精度，计算得到浸入液面的长度l2＝151.29mm，
探测精度达到
|
150
-
151.29
|
150
×
100
%
=
0.86
%
.
]]>
实施例4：
在环境温度为30℃、液体温度为40℃条件下，将液位传感器垂直浸入液体
中，传感器的管状金属壳体插入的深度为50mm。通过数据实时采集得到，液体
温度t0＝43.5℃，环境温度tf＝30.4℃，纯铂丝电阻值R＝21.9Ω，代入迭代函数关
系式
f
(
l
1
)
=
Δ
R
(
t
0
-
t
f
)
m
·
e
ml
1
-
e
-
ml
1
e
ml
1
+
e
-
ml
1
+
Δ
R
(
t
f
-
t
0
)
l
1
+
ΔRLt
0
+
R
0
-
R
,
]]>采用弦截迭代法，迭
代6步后达到迭代精度，计算得到浸入液面的长度l2＝58.14mm，探测精度达到
|
50
-
58.14
|
50
×
100
%
=
16.18
%
.
]]>
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发
明的范围进行限定，在不脱离本发明的设计精神的前提下，本领域普通技术人
员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书
确定的保护范围内。