СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОГО АЗОТА
LIQUID NITROGEN LEVEL ALARM

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости и может быть использовано в автоматических системах автоматики и аварийной сигнализации для измерения уровня жидкого азота.
Известен индикатор уровня жидкого азота (патент США №4187723, МПК G01F 23/22, опубл. 12.02.1980), содержащий первый и второй резисторы, расположенные на контролируемых уровнях в дьюаре. При погружении резисторов в жидкий азот они охлаждаются, их сопротивления и напряжения на них изменяются, что фиксируется устройством сравнения и отображается на индикаторе как превышение жидким азотом контролируемого уровня. При выходе резисторов из жидкого азота они нагреваются проходящим через них постоянным током, их сопротивления и падения напряжения на них изменяются, что фиксируется устройством сравнения и отображается на индикаторе как понижение уровня жидкого азота ниже контролируемых уровней.
Недостатком данного сигнализатора является влияние эффекта старения терморезисторов на результат контроля, а также низкое, часто недостаточное, быстродействие сигнализатора при уменьшении уровня жидкого азота, так как для нагрева в газовой среде охлажденного жидким азотом терморезистора, протекающим через него небольшим фиксированным током, требуется достаточно длительное время.
Известен регулятор уровня жидкого азота (патент США №4404809, МПК F17C 13/02, опубл. 20.09.1983) (прототип), в состав которого входят первый и второй углеродные резисторы, сопротивление которых меняется при погружении в низкотемпературную жидкость, причем первый и второй углеродные резисторы расположены таким образом, чтобы определять верхний и нижний уровни жидкости; первое и второе устройства для определения изменений сопротивления первого и второго углеродных резисторов, причем каждое из них содержит первый и второй эталонный резистор; а также первое и второе устройства для сравнения сопротивлений первого и второго углеродных резисторов с сопротивлениями первого и второго эталонных резисторов соответственно, и устройство, реагирующее на сигналы первого и второго устройств сравнения.
Недостатком данного индикатора также является возможность влияния эффекта «старения» терморезисторов на результат контроля, а также низкое, часто недостаточное, быстродействие сигнализатора при опорожнении емкости с жидким азотом, обусловленное медленным нагревом в газовой среде охлажденных жидким азотом терморезисторов с незначительным током подогрева.
Величина тока подогрева терморезисторов в подобных устройствах ограничена максимальной рассеиваемой мощностью терморезистора в газовой среде: его увеличение приводит к перегреву терморезистора в газовой среде и выходу его из строя, а также к повышенному расходу жидкого азота из-за кипения и испарения на постоянно излишне нагретом терморезисторе. Кроме того, при увеличении значения тока подогрева улучшается быстродействие прибора при опорожнении емкости с жидким азотом, но ухудшается быстродействие при ее заполнении, так как для захолаживания жидким азотом перегретого терморезистора требуется значительное время.
Задачей данного изобретения является повышение быстродействия сигнализатора жидкого азота при опорожнении и заполнении дьюара, а также уменьшение непроизводственных потерь жидкого азота, вызванных кипением и испарением жидкого азота на нагретом термочувствительном элементе и исключение влияния на результат контроля изменения характеристик терморезистора из-за эффекта «старения».
Данная задача решается тем, что в сигнализаторе уровня жидкого азота, включающем терморезисторы, расположенные на контролируемых уровнях в дьюаре и через которые проходит ток подогрева, измерительный узел каждого из терморезисторов, выполняющий функцию определения изменения сопротивления терморезистора, функцию сравнения измеренного сопротивления с эталонным и функцию индикации, выполнен в виде микроконтроллера, подключенного токовым выходом и входом для измерения напряжения к терморезистору, причем микроконтроллер на токовом выходе формирует ток подогрева: при заполнении дьюара - минимально необходимый для определения изменения сопротивления терморезистора, а при опорожнении - определяемый по формуле
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>п</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>N</mi><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
где
,
R - текущее значение сопротивления терморезистора, Ом;
эт
R - эталонное значение сопротивления терморезистора, Ом;
пред
i - предельно допустимое значение тока, кратковременно протекающего через терморезистор, А;
0
i - текущее значение тока, проходящего через терморезисторы, определяемое измерительной схемой, А;
N - пороговая величина разности значений текущего сопротивления терморезистора и его эталонного значения, при котором принимается решение об отсутствии жидкого азота на контролируемом уровне, Ом.
Микроконтроллер дополнительно имеет функцию обновления эталонного значения сопротивления терморезистора при формировании сигнала о достижении жидким азотом контролируемого уровня.
Пример схемы сигнализатора показан на фиг.1.
Сигнализатор состоит из терморезисторов R1, R2, микроконтроллера МК со схемой питания (на фиг.1 не показана) и индикатора И. Терморезисторы R1, R2 одновременно подключены к соответствующим токовым выходам Out1, Out2 и измерительным аналоговым входам In1, In2 микроконтроллера МК. Выход микроконтроллера МК подключен к индикатору И. Терморезисторы R1, R2 располагаются на соответствующих контролируемых уровнях внутри дьюара (на фиг.1 не показано).
0
1
1
Сигнализатор для одной точки контроля, например, в месте установки терморезистора R1 работает следующим образом. Первоначально дьюар полностью свободен от жидкого азота, а сигнализатор находится в режиме контроля заполнения. С выхода Out1 микроконтроллера МК через терморезистор R1, находящийся в газовой среде, протекает небольшой постоянный ток i, который незначительно нагревает терморезистор R1 до температуры равновесия и создает на нем падение напряжения U, поступающее на аналоговый измерительный вход In1 микроконтроллера МК. В микроконтроллере МК в соответствии с заданной программой по измеренному значению U и известному значению тока на выходе Out1 производится вычисление текущего значения сопротивления терморезистора R1. В микроконтроллере МК вычисляется разность между измеренным значением сопротивления R1 и его эталонным значением, зафиксированным в процессе первоначальной калибровки, и сравнивается с программным пороговым значением N. Так как терморезистор R1 имеет температуру выше температуры жидкого азота, то его измеренное сопротивление отличается от эталонного значения. Их разность превышает пороговое значение N. Микроконтроллер МК на своем информационном выходе формирует сигнал о отсутствии жидкого азота на контролируемом уровне, что отображается с помощью индикатора И в любой удобной для персонала форме.
При заполнении дьюара жидким азотом он достигает уровня, на котором установлен терморезистор R1, и охлаждает его до температуры жидкого азота. При этом сопротивление терморезистора R1 изменяется, а измеренная в микроконтроллере МК разность сопротивления терморезистора R1 и его эталонного значения становится равной или меньше порогового значения N. Микроконтроллер МК на своем информационном выходе формирует сигнал об достижении жидким азотом контролируемого уровня, что отображается с помощью индикатора И в любой удобной для персонала форме. Сигнализатор для данной точки контроля переходит в режим контроля опорожнения. При этом в микроконтроллере МК обновляется эталонное значение сопротивления терморезистора R1.
п1
п1
0
п1
п2,
0
п2
п2
0
В режиме контроля опорожнения с токового выхода Out1 микроконтроллера МК через терморезистор R1 протекает соответствующий постоянный ток i, который формируется в соответствии с формулой (1), реализованной с помощью программного обеспечения. При нахождении терморезистора R1 в жидком азоте его измеренное сопротивление практически равно эталонному значению, ток i в соответствии с формулой (1) равен i. При постепенном уменьшении уровня жидкого азота в дьюаре в какой-то момент времени резистор R1 оказывается в газовой среде. Ток i, протекая через терморезистор R1, начинает его нагревать, а измеренное сопротивление терморезистора R1 начинает отличаться от эталонного значения. При этом микроконтроллер МК в соответствии с формулой (1) формирует ток i несколько больший, чем первоначально равный i. Увеличенный ток i вызывает еще больший нагрев терморезистора R1 и еще большее отклонение его измеренного сопротивления от эталонного значения, что приводит к формированию на токовом выходе Out1 еще большего значения тока i. Данный процесс носит лавинообразный характер и приводит к тому, что значение разности измеренного в микроконтроллере МК сопротивления R1 и его эталонного значения превышает программно установленный порог N. В этом случае на выходе Out1 формируется ток, равный i, терморезистор R1 принимает температуру равновесия в газовой среде, микроконтроллер МК на своем информационном выходе формирует сигнал об отсутствии жидкого азота на контролируемом уровне в месте установки резистора R1, что отображается с помощью индикатора И в любой удобной для персонала форме, а сигнализатор для данной точки контроля переходит в режим контроля заполнения.
Процесс контроля уровня жидкого азота, на котором установлен терморезистор R2, идентичен вышеописанному. При необходимости количество точек контроля может быть увеличено.
В связи с тем, что ток нагрева в режиме контроля опорожнения лавинообразно увеличивается практически сразу при выходе корпуса терморезистора из жидкого азота время, необходимое для нагрева терморезистора и срабатывания сигнализатора, многократно уменьшается по сравнению с использованием небольшого фиксированного тока подогрева.
Уменьшение времени срабатывания в режиме контроля опорожнения повышает точность контроля, так как при длительном времени нагрева в момент срабатывания сигнализатора уровень жидкого азота может отличаться от уровня установки терморезистора.
Так как ток подогрева в режиме контроля заполнения устанавливается небольшим, то терморезистор в газовой среде не перегревается и его охлаждение при погружении в жидкий азот происходит практически мгновенно, а быстродействие сигнализатора при заполнении дьюара жидким азотом остается высоким.
Благодаря тому, что при формировании сигнала о достижении жидким азотом контролируемого уровня обновляется эталонное значение сопротивления терморезистора, предотвращается влияние на результат контроля изменения характеристик терморезистора из-за эффекта старения.