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(cè)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(dòng)勢(shì)推斷出在液體容器中的液位高度，因?yàn)檫@些裝置相對(duì)于基于其它的測(cè)量原理 的測(cè)量裝置對(duì)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(shí)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(cè)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(cè)經(jīng)過電廠設(shè)備的初級(jí)循環(huán)回路流動(dòng)的、在燃燒件 (Brenne 1 emente)之上的冷卻液的液位高度。測(cè)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(shí)并且另一方面?zhèn)鲗?dǎo)至氣體狀或蒸氣狀的介 質(zhì)時(shí)。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(gè)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(jí)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(jì)或者溫度探測(cè)器來證實(shí)。由于熱電偶的可靠而堅(jiān)固的工作原理，一般將其 用作溫度探測(cè)器，熱電偶提供一種基本上與溫度成比例的熱電動(dòng)勢(shì)。多個(gè)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(zhǎng)形的測(cè)量管上，測(cè)量管浸入在需要對(duì)于其液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(hào)至外部的分析單元所必需的供電線 和信號(hào)線。布置在不同高度的傳感器或者測(cè)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(gè)高度部段的熱傳感器的數(shù)量。這種 類型的測(cè)量裝置例如在RU 2153712 Cl中公開了。除了作為初級(jí)信號(hào)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(gè)在測(cè)量管的內(nèi)部中的未加熱的電熱偶，這些熱電偶提供 對(duì)應(yīng)于各自的初級(jí)信號(hào)的參考信號(hào)。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(shí)也考慮到液體溫度或周圍環(huán)境溫度的隨時(shí)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(cuò)誤地被示為液位高度的變化，或者通過液體的同時(shí)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(cè)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(gè) 長(zhǎng)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(gè)分別具有不同的電特性和/或?qū)嵝缘?導(dǎo)線部段。至少一個(gè)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(cè)量液位的裝置中。至少兩個(gè)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(jì)方案提出，至少兩個(gè)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(cè) 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(cè)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(gè)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(gè)所謂的冷部分因此可以顯示出具有強(qiáng)信號(hào)變化的、相對(duì)較大的測(cè)量范 圍。第一導(dǎo)線部段的電阻與溫度有相對(duì)明顯的相關(guān)性，在將鎳應(yīng)用于該第一導(dǎo)線部段時(shí)，當(dāng) 溫度為30°C時(shí)電阻值例如可以大約為10歐姆，而在溫度為360°C時(shí)，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(cè)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(gè)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)?？梢杂羞x擇地設(shè)有僅一個(gè)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(gè)“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(gè)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(zhǎng)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(shí)，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(duì)較大 的軸向的溫度梯度。為了避開在檢測(cè)介質(zhì)溫度時(shí)的測(cè)量精度，加熱元件的這個(gè)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(gè)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(cè)量 液位的裝置，該裝置具有多個(gè)長(zhǎng)形的、相互間隔開的測(cè)量管，其中每個(gè)測(cè)量管具有多個(gè)在縱 向方向上分布地布置的熱電偶，而且其中至少一個(gè)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(cè)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(cè)液位的裝 置，該裝置具有至少一個(gè)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(cè)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(gè)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(cè)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(cè)器、尤其是與熱電偶結(jié)合 地，利用測(cè)量技術(shù)來檢測(cè)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(gè)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(duì)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(cè)量且進(jìn)而最終也用于液位測(cè)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(duì)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(shí)材料溫度無(wú)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(shí)間而變化的溫度?？衫脺y(cè)量技術(shù)簡(jiǎn) 單地檢測(cè)到的這個(gè)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(cè)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(cè) 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(cè)器，或者可以用多樣的測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)于這樣的溫度探測(cè)器來說的備 用的測(cè)量。在冷卻劑溫度的這樣的測(cè)量值的基礎(chǔ)上，例如可以進(jìn)行對(duì)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(duì)隨溫度而變化的熱傳導(dǎo)系數(shù)的例如不期望的次級(jí)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(duì)溫度敏感。因此對(duì)于溫度測(cè)量有效的導(dǎo)線部段，就是說溫度測(cè)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(duì)本發(fā)明的一個(gè)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(jiǎn)圖；和圖3是加熱元件的第二變體的縱向剖視簡(jiǎn)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(gè)實(shí)施例，該加熱元件在長(zhǎng)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(zhǎng)度可 為大約500mm。上面部段的長(zhǎng)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(duì)于整個(gè)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(zhǎng)形容器的結(jié)構(gòu)形狀，在該外殼之 內(nèi)嵌入U(xiǎn)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(duì)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(duì)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(wú)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(gè)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(zhǎng)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(duì)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(gè)支腿的構(gòu)造很大程度 上是對(duì)稱的；也就是說第一和第二導(dǎo)線部段22和M在兩個(gè)支腿中的每個(gè)支腿上分別精確 地長(zhǎng)度相等并且定位于相同高度上。參考標(biāo)號(hào)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(cè)量液位的裝置中，所述加熱元件包括一個(gè)導(dǎo)電的外殼(16)和至少一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(cè)量液位，所 述裝置具有多個(gè)長(zhǎng)形的、相互間隔開的測(cè)量管，其中每個(gè)測(cè)量管具有多個(gè)在縱向方向上分 布地布置的熱電偶，而且其中至少一個(gè)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(cè)液位 的裝置，所述裝置具有至少一個(gè)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(cè)量液位的裝置中，該加熱元件包括一個(gè)導(dǎo)電的外殼和至少一個(gè)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(gè)分別具有不同的電特性和/或?qū)嵝缘膶?dǎo)線部段。
文檔編號(hào)G01F23/22GK102090141SQ200880127467
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:阿雷瓦核能有限責(zé)任公司