измеритель уровня сжиженного гелия

Формула изобретения

Измеритель уровня жидкого гелия, содержащий зонд из сверхпроводящего сплава с подогревателем и контроллер управления процессом измерения, отличающийся тем, что сверхпроводящий зонд дополнен тремя точечными датчиками температуры и уровня жидкого гелия, присоединенными к контроллеру по четырехпроводной схеме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для определения уровня жидкого и может быть применено как в криогенерирующих установках, так и в системах, потребляющих криопродукцию.

Известны сверхпроводящие (СП) уровнемеры, широко представленные на рынке, например:

1. Каталог продукции ООО «Криовакуумные Технологии» www.cryosvstems.ru

2. Каталог продукции ООО «Криотрейд» http: www.crvotrade.ru

3. Каталог продукции инновационной компании РТИ http://cryo.su/

В таком уровнемере в качестве вертикального зонда используется, как правило, СП проволока из ниобий-титанового сплава NbTi - сверхпроводника (СП) второго рода. Для этого сплава характерно, что при снижении его температуры от комнатной до критической (Ткр 9.5 К) его сопротивление снижается примерно на 10-15%, а при Т<Ткр сопротивление резко снижается до нуля - сплав переходит в сверхпроводящее состояние. Подобная зависимость характерна и для зонда из ниобий-циркониевого сплава.

Эти особенности изменения сверхпроводников 2-го рода и использованы в разнообразных конструкциях прототипов - сверхпроводящих уровнемеров жидкого гелия. Все они основаны на том, что часть СП зонда уровнемера, погруженная в жидкий гелий, обладает нулевым сопротивлением, а находящаяся выше - сопротивлением критической точки в предположении, что наличие жидкого гелия в сосуде гарантирует температуру не выше критической по всей высоте зонда. Нормальная фаза в части зонда вне жидкого гелия инициируется некоторым подогревом зонда специальным нагревателем, подключенным по той или иной схеме, ток подогревателя подбирается экспериментально.

При таких предположениях зависимость между уровнем жидкого гелия и сопротивлением СП зонда может быть представлена в виде прямой 1-2-3 на рис.1.

Недостатком прототипа является неполная достоверность показания, так как такой способ измерения уровня не исключает две серьезные погрешности. Первая связана с тем, что верхняя часть зонда не обязательно находится в условиях критической температуры, например, при использовании СП уровнемера в сосуде Дьюара для хранения жидкого гелия. При длительном хранении жидкого гелия и его небольшом количестве температура в верхней части сосуда может быть гораздо выше критической за счет теплопритоков, и зависимость сопротивления зонда от уровня гелия примет вид кривой 1-2-4. Если этого не учитывать, то показание уровня будет занижаться и может стать даже отрицательным - точка 5.

Вторым источником погрешности является неопределенность величины тока подогрева, при котором граница между сверхпроводящей и резистивной фазами сверхпроводящего зонда точно совпадает с уровнем жидкого гелия. На эту величину влияют как минимум два фактора. Во-первых, при калибровке СП уровнемеров устанавливают ток нагревателя, исходя из предположения, что температура жидкого гелия лежит в пределах 4.2-4.3 К, в действительности в ряде случаев рабочая температура может значительно отличаться как в в меньшую, так и в большую сторону. Второй фактор это теплоприток к зонду уровнемера от слоев гелия, находящихся при температуре, выше критической.

Задача, решаемая изобретением - повышение достоверности данных измерений уровня СП зондом.

Поставленная задача решается за счет размещения на нескольких уровнях точечных датчиков температуры/уровня жидкого гелия, реализованных в виде объемных малогабаритных резисторов ТВО или Аллен-Брэдли порядка 1 кОм. При запитке такого резистора током порядка 1 мА его сопротивление при пересечении границы жидкость-газ меняется скачком примерно на 10%, что легко может быть зафиксировано, и положение границы при этом определяется с погрешностью не хуже 5 мм. При токах порядка мкА резистор может служить точным датчиком температуры, позволяя контролировать, например, процесс захолаживания сосуда и температурное поле по высоте сосуда.

На рис.2 представлена схема такого измерителя. Он включает в себя следующие компоненты.

1 - зонд из ниобий-титанового или ниобий-циркониевого сплава, присоединенный к контроллеру по четырехпроводной схеме.

2 - подогреватель зонда.

3, 4, 5 - точечные резистивные датчики температуры и уровня жидкого гелия присоединенные к контроллеру по четырехпроводной схеме. Величина сопротивления порядка 1 кОм.

6 - контроллер.

7 - ЭВМ.

Контроллер 6 реализует следующие функции: измерения температуры жидкого гелия или его паров точечными резистивными датчиками; измерения уровня жидкого гелия теми же точечными датчиками; запитку нагревателя зонда регулируемым током; запитку нагревателя зонда микроамперным током и измерение сопротивления зонда; хранение таблиц зависимости уровня жидкого гелия для ряда температур в средней и верхней части зонда; выбор соответствующей таблицы и вычисление уровня жидкого гелия по величине сопротивления зонда и температуры в средней и верхней точках зонда; связь с ЭВМ.

ЭВМ 7 обеспечивает визуализацию данных.

Процесс настройки прибора производится следующим образом.

Вначале по мере заполнения сосуда жидким гелием измеряется уровень скачка сопротивления точечных датчиков уровня при запитке их током около 2 мА, т.е. определяется действительный уровень жидкого гелия в сосуде. Далее подбирается такой ток нагревателя сверхпроводящего зонда, при котором уровень, показанный зондом, соответствовал высоте, на которой закреплен точечный датчик (середина его).

Выбирается и фиксируется среднее значение тока подогрева. Понижается до значения порядка 1 мкА ток точечных датчиков. Тем самым они переводятся в режим измерения температуры.

Выбирается полином (от 2 до 5 степени), интерпретирующий кривую 1-2-5 на рис.2. Точка 5 в нем переменная, она определяется температурой верхнего датчика.

При наличии жидкого гелия по данным нижнего точечного уровнемера измеряется температура в средней точке зонда. Если она выше критической температуры, эта температура учитывается в полиноме. На этом процесс подготовки уровнемера к работе заканчивается.

Контроллер присоединен к ЭВМ последовательным интерфейсом, например, RS-232/485, или USB или другие. Визуализация данных осуществляется с помощью пакета LabView или другого. На экран выводятся значения температуры трех точечных уровнемеров, что позволяет контролировать процесс захолаживания, а также уровень жидкого гелия.