ГЕЛИЕВЫЙ УРОВНЕМЕР НЕПРЕРЫВНОГО ТИПА

Полезная модель относится к криогенной технике и предназначена для измерения уровня жидкого гелия в сосудах Дьюара и криостатах.
Известен гелиевый уровнемер на сверхпроводящей проволоке с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 4.5-5 К. Уровнемер содержит зонд, внутри которого расположена сверхпроводящая проволока, и контроллер с дисплеем. Контроллер подключается к компьютеру через интерфейсы RS-232 или IEEE-488 (www.cryomagnetics.com. Model LM-500). Недостатком данного уровнемера является его чувствительность к магнитным полям, воздействующим на сверхпроводящую проволоку, что приводит к погрешности измерения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является гелиевый уровнемер непрерывного типа (cryo.ru. LEVMET LM4-01). Уровнемер содержит зонд, внутри которого расположена сверхпроводящая проволока на основе NbTi, на которую намотана обмотка нагревателя, и контроллер с дисплеем. Контроллер подключается к компьютеру через интерфейс RS-232. В состав контроллера входят источник стабильного напряжения для нагревателя, источник измерительного тока, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер. Магнитное поле (до определенного порогового значения) в NbTi сверхпроводниках не разрушает структуру этих сверхпроводников. Т.е. сверхпроводники на основе NbTi не чувствительны к магнитным полям, поэтому погрешность измерения уровня при воздействии магнитного поля на такие сверхпроводники не возникает.
Температура перехода в сверхпроводящее состояние сверхпроводника на основе NbTi составляет примерно 9 К. Т.е. этот сверхпроводник перейдет в сверхпроводящее состояние не только в жидком гелии, что требуется, но и в парах гелия выше уровня жидкого гелия. Для исключения перехода всего отрезка NbTi проволоки в сверхпроводящее состояние на эту проволоку намотан нагреватель из высокоомного провода. При протекании тока через этот нагреватель верхняя часть сверхпроводящей проволоки имеет температуру выше температуры перехода в сверхпроводящее состояние, т.е. будет находиться в нормальном состоянии. Нижняя часть проволоки, находящаяся в жидком гелии, останется в сверхпроводящем состоянии, т.к. будет охлаждаться жидким гелием, имеющим в десятки раз большую теплопроводность, чем газообразный гелий. Нагрев отрезка сверхпроводящей проволоки из NbTi является необходимым условием его работы в качестве датчика уровня жидкого гелия.
В то же время нагрев NbTi проволоки с помощью намотанного на эту проволоку нагревателя приводит к высокому расходу гелия в сосуде из за его испарения, что является недостатком уровнемера LEVMET LM4-01. Высокий расход гелия объясняется плохим тепловым контактом между сверхпроводящей проволокой и намотанным на нее нагревателем. Следствием плохого теплового контакта является продолжительное время прогрева сверхпроводящей проволоки для перехода верхней, находящейся в парах гелия, части проволоки в нормальное состояние. Это время, которое является временем измерения уровня, при циклической работе уровнемера (измерение - пауза) составляет 10-20 сек. В результате большая часть тепла, выделяемого нагревателем, идет на испарение жидкого гелия.
Улучшить тепловой контакт за счет более плотной намотки провода нагревателя на сверхпроводящую проволоку технологически невозможно из-за малого диаметра (0.1-0.2 мм) сверхпроводящего провода.
Задачей полезной модели является создание гелиевого уровнемера, нечувствительного к магнитным полям, с экономичным расходом жидкого гелия.
Поставленная задача решается предлагаемым гелиевым уровнемером, непрерывного типа, содержащим установленный в сосуде с жидким гелием нагреваемый отрезок сверхпроводящей проволоки, а также блок управления, включающим в себя источник измерительного тока, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и дисплей, при этом отрезок сверхпроводящей проволоки с помощью четырехпроводного подключения соединен с источником измерительного тока и аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в котором нагреваемый отрезок сверхпроводящей проволоки содержит нанесенные на ее поверхность диэлектрическую и электропроводящую пленки, намотанный поверх этих пленок индуктор, а блок управления дополнительно содержит высокочастотный генератор, при этом индуктор соединен с высокочастотным генератором, который в свою очередь имеет соединение с микроконтроллером.
Сущность полезной модели заключается в следующем. На установленный в сосуде с жидким гелием отрезок сверхпроводящей проволоки, имеющей температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 7 К, нанесены диэлектрическая и электропроводящая пленки. Этот отрезок проволоки окружен намотанным на него индуктором. Блок управления дополнительно содержит высокочастотный генератор. Заявляемый уровнемер имеет компьютерный интерфейс.
На фиг.1 изображен гелиевый уровнемер, содержащий установленный в сосуде 1 с жидким гелием 2 отрезок сверхпроводящей проволоки 3 с нанесенными на ее поверхность диэлектрической 5 и электропроводящей 4 пленками и индуктор 6, намотанный на отрезок сверхпроводящей проволоки, а также блок управления, включающий в себя высокочастотный генератор, источник измерительного тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер и дисплей. При этом индуктор 6 соединен с ВЧ генератором, отрезок сверхпроводящей проволоки с помощью четырехпроводного подключения соединен с источником измерительного тока и АЦП, ВЧ генератор соединен с микроконтроллером, который включает-выключает этот генератор, источник измерительного тока соединен с микроконтроллером, который включает-выключает этот источник, АЦП соединен с микроконтроллером, микроконтроллер соединен с дисплеем и компьютером.
Принцип действия уровнемера основан на измерении сопротивления верхней части сверхпроводящей проволоки, находящейся в парах гелия. Нижняя часть проволоки, погруженная в жидкий гелий, находится в сверхпроводящем состоянии и имеет нулевое сопротивление. В уровнемере обеспечивается нормальное, не сверхпроводящее, состояние верхней части проволоки, находящейся в парах гелия. Сопротивление верхней, не погруженной в жидкий гелий, части проволоки есть мера уровня жидкого гелия в сосуде. Для исключения перехода находящейся в парах гелия верхней части сверхпроводящей проволоки, имеющей температуру перехода выше 7 К, проволока нагревается высокочастотным электромагнитным полем, создаваемым индуктором. При этом поле нагревает не сам сверхпроводник, который вначале находится в сверхпроводящем состоянии и не может быть нагрет наведенными от индуктора вихревыми токами, а нанесенную на поверхность проволоки электропроводящую пленку. Толщина электропроводящей пленки должна быть не меньше глубины проникновения электромагнитного поля в проводник. Глубина проникновения определяется по известной формуле:
где δ - глубина проникновения электромагнитного поля в проводник,
ρ - удельное сопротивление проводника,
f - частота колебаний ВЧ генератора,
0
µ - магнитная постоянная,
µ - магнитная проницаемость проводника
При толщине электропроводящей пленки равной глубине проникновения поля в проводник в этой пленке будет выделяться до 86% мощности, генерируемой индуктором.
В предлагаемом уровнемере нагрев сверхпроводящей проволоки осуществляется через тонкую изолирующую пленку толщиной в несколько мкм, т.е. практически бесконтактно. Эта изолирующая пленка исключает шунтирование сверхпроводящей проволоки материалом электропроводящей пленки. Достигается максимальная локализация нагрева. В результате, время нагрева верхней, находящейся в парах гелия, части проволоки для вывода ее из сверхпроводящего состояния, сокращается не менее, чем в 10 раз. Соответственно, во столько же раз уменьшается вносимое в сосуд с гелием тепло и, тем самым, при измерении уровня жидкого гелия с помощью отрезка сверхпроводящей проволоки из NbTi достигается 10-кратное сокращение расхода гелия.
Таким образом, заявляемый уровнемер непрерывного типа нечувствителен к магнитным полям, имеет экономичный расход жидкого гелия.