Способ контроля уровня криогенных жидкостей Советский патент 1992 года по МПК G01F23/24 

(Л

С

Изобретение относи ся к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня криогенных жидкостей, находящихся в криостатах из металла, стекла и других материалов. При контроле уровня криогенных жидкостей ток подают на частично погруженный в жидкость резистор из сверхпроводящего материала с температурой критического перехода большей температуры кипения жидкости и измеряют напряжение, линейно пропорциональное длине непогруженной в жидкость части датчика, по величине которого определяют уро- вень жидкости в криостате. С целью расширения диапазона контролируемых криогенных жидкостей, ток подают равным критическому току сверхпроводящего материала резистора при температуре кипения криогенной жидкости,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня криогенных жидкостей, находящихся в криостатах из металла, стекла или других материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ контроля уровня криогенных жидкостей с помощью датчика, выполненного из сверхпроводящего материала (1) с температурой критического перехода Тс большей температуры кипения жидкости Тк, на который подают ток и снимают с измерительного устройства показания, линейно пропорциональные длине погруженной в жидкость части датчика. Та часть датчика, которая погружена в жидкость, находится в сверхпроводящем состоянии и имеет нулевое сопротивление. Та часть датчика, которая расположена выше уровня жидкости,

находится в нормальном состоянии и ее сопротивление пропорционально ее длине. Материал датчика выбираюттаким, чтобы Тс было как можно ближе к Тк. Если Тс материала датчика значительно отличается от температуры кипения жидкости, часть провода, расположенная выше уровня жидкости также будет находиться в сверхпроводящем состоянии и иметь нулевое сопротивление, что приведет к ошибке контроля уровня жидкости.

Датчик выполняют в виде токопровода с толщиной 5-50 мкм и шириной 0,1-5 мм.

Для работы датчика на него достаточно подавать постоянный ток 10 мА, что приводит лишь к незначительному выделению тепла на датчике, менее 10 мВт.

Использование данного способа связано со сложностью подбора материала датчика с Тс близким к Тк для каждой жидкости

СО

ел

XI

но

Так, например, для измерения уровня жидкого кислорода (Тк-Ј 90 К) можно было бы использовать сверхпроводящий материал состава YiBazCuaO с Тс 92 К, а для измерения уровня жидкого азота (Тк 77 К) или воздуха (Т к 81 К) необходимо подбирать другие сверхпроводящие материалы, иначе, из-за значительного отличия Тк и Тс, часть датчика, расположенная выше уровня жидкости, также будет находиться в сверхпроводящем состоянии и иметь нулевое сопротивление.

Цель изобретения - расширение диапазона контролируемых криогенных жидкостей.

Поставленная цель достигается тем, что в жидкость опускают датчик, выполненный из сверхпроводящего материала с температурой критического перехода большей температуры кипения жидкости, на него подают ток и с регистрирующего прибора снимают показания, линейно пропорциональные длине непогруженной в жидкость части датчика, согласно изобретению ток подают равным критическому току сверхпроводящего материала резистора при температуре кипения криогенной жидкости.

Способ поясняется чертежами:

На фиг.1 изображена схема контроля уровня жидкости в криостате с помощью сверхпроводящего датчике; на фиг.2 - температурная зависимость сопротивления сверхпроводящей керамики состава YiBa2Cu307.

Схема содержит датчик 1 из сверхпроводящего материала, соединенной с помощью проводов 2 с источником тока 3 и измерительным прибором 4, в качестве которого используется вольтметр. Датчик установлен в криостате 5 перпендикулярно уровню жидкости 6. На фиг.2 показана температурная зависимость сопротивления сверхпроводящей керамики состава УтВааСизОу при различных значениях тока, проходящего через нее. Материал переходит в сверхпроводящее состояние при 92 к (I 0). При токе И материал переходит в сверхпроводящее состояние при 84 К, то есть ток 11 является критическим для данного материала при температуре 84 К.

При протекании через датчик тока равного критическому часть датчика, расположенная ниже уровня жидкости, находится в сверхпроводящем состоянии и имеет нулевое сопротивление, а часть датчика, расположенная выше уровня жидкости, переходит в нормальное состояние, несмотря на значительное различие Тс и Тк. В этом случае показания на измерительном приборе, например, напряжение U на вольтметре будет

U lcp H/S,(1)

где р- удельное сопротивление сверхпроводящего материала датчика в нормальном состоянии;

И - длина непогруженной в жидкость части датчика;

S -- площадь сечения датчика.

Таким образом, показания на измерительном приборе будут линейно пропорционально длине непогруженной в жидкость части датчика.

При этом, тепловыделение Q на датчике

будет

Q jc2 р ИЗ,(2)

где jc - критическая плотность тока сверхпроводящего материала датчика при температуре кипения жидкости.

Контроль уровня жидкости ведут следующим образом: датчик 1 выполняют из сверхпроводящего материала с температурой критического перехода большей температуры кипения жидкости, устанавливают в

криостат 5 перпендикулярно уровню жидкости 6. С источником тока 3 на датчик 1 подают ток, равный критическому при температуре кипения жидкости бис измерительного прибора 4 снимают показания,

пропорциональные длине непогруженной в жидкость част:л дтгчика 1, из которых определяют уровень жидкости 6 в криостате 5.

Для определения величины ic датчик полностью опускают в жидкость и увеличивают ток до появления на измерительном приборе нулевого сигнала, что свидетельствует о том, что ток равен критическому току сверхпроводящего материала датчика при температуре кипения жидкости.

Пример. Для контроля уровня жидкого азота (Тк 77 К) в криостате высотой 100 мм датчик выполняют из сверхпроводящей керамики состава YiBa2Cu30, имеющей Тс 92 К и характеризующейся параметрами: j

10 А/см2 при Т 77 К, 10 30м смпри Т 100 К. Датчик выполняют длиной 10 см и сзчения 0,2 мм . Сопротивление датчика в нормальном состоянии (Т 100 К) составит 10 Ом, а сигнал на вольтметре при этом

будет 200 мВ согласно (1), то есть в качестве измерительного прибора используют милливольтметр. Датчик полностью окунают в азот и устанавливают ток таким, чтобы сигнал на вольтметре был 1 мВ, что соответствует току с. Датчик устанавливают в криостат перпендикулярно уровню азота и снимают показания с вольтметра. По мере выкипания азота длина непогруженной в азот части датчика будет увеличиваться и

перпендикулярно ей будут расти показания на вольтметре Если показания составляют 50 мВ, это означает, что четверть датчика находится выше уровня азота, а его уровень составляет 7,5 см,

В данном примере тепловыделение на датчике в соответствии с (2) составит 4 мВт.

Данный пример показывает возможность использования материала датчика с Тс значительно превышающий Тк, а также возможность использования данного датчика для контроля уровня жидкого воздуха (Т к 81 К), аргона (Тк 87 К), кислорода (Тк 90 К), что расширяет функциональные возможности способа.

Расширение функциональных возможностей способа позволит упростить выбор сверхпроводящего материала для изготовФиг.1

0

5

ления датчика, уменьшить количество датчиков путем использования одного датчика для различных жидкостей.

Формула изобретен ия Способ контроля уровня криогенных жидкостей, при котором подают ток на частично погруженный в жидкость резистор из сверхпроводящего материала с температурой критического перехода большей температуры кипения жидкости и измеряют напряжение, по величине которого судят об уровне жидкости, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых криогенных жидкостей, ток подают равным критическому току сверхпроводящего материала резистора при температуре кипения криогенной жидкости.

ffth 92k Фиг. 2