Dispositif de détection du niveau d'un gaz liquéfié à l'intérieur d'un cryostat
La présente invention est relative à un dispositif de détection du niveau d'un gaz liquéfié dans un cryostat, permettant notamment de mesurer la consommation en liquide cryogénique due à la nature ou à la forme de l'enceinte cryostatique elle-même dans des conditions de fonctionnement normal et en particulier d'en déduire l'influence du revêtement des surfaces de telles enceintes sur cette consommation.
On sait que les dispositifs utilisés généralement pour effectuer des mesures de niveau dans un récipient c;on- tenant un gaz liquéfié présentent l'inconvénient d'une consommation non négligeable du liquide cryogénique, provoquée par la dissipation d'énergie due à la mise en oeuvre et au fonctionnement même de tels dispositifs.
Cet inconvénient peut cependant être très largement diminué si l'on emploie comme organe détecteur du niveau une thermistance, c' est-à- dire un conducteur électrique présentant une variation brutale de résistance lors de son passage de la phase liquide à la phase gazeuse, et si l'on effectue un choix convenable de cette thermistance et de sa tension d'alimentation. A titre d'indication, l'énergie dissipée par une thermistance sous une tension de 10 volts, présentant une résistance de 1000 ohms à 3080 K, une résistance de 6,5.109 ohms à la température de l'azote liquide, c'est-à-dire à 770 K, et une résistance de 3,2.109 ohms au-dessus du niveau de l'azote liquide, n'excède pas 0,05 microwatt.
Cette très faible valeur n'introduit donc qu'une évaporation de liquide oryogé- nique restreinte qui ne fausse pas les mesures effectuées.
La présente invention a pour but t de réaliser un dis- positif de détection qui, au moyen précisément de deux thermistances, permet de mesurer le passage d'une surface libre d'un gaz liquéfié à deux niveaux différents à l'intérieur d'un cryostat et d'en déduire la consommation de gaz due à la nature et à la réalisation de ce cryostat.
Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte une enceinte étanche où règne le vide et dans laquelle est placé le cryostat, deux thermistances à coefficient de température négatif élevé situées à deux niveaux différents à l'intérieur dudit cryostat et alimentées sous une tension n électrique réglée, une canalisation munie d'une électrovanne reliant, à l'extérieur de ladite enceinte étanche, ledit cryostat à un compteur volumétrique indiquant le débit de gaz d'évaporation provenant dudit cryostat et un amplificateur de courant continu connecté auxdites thermistances et commandant, par l'intermédiaire de relais, la manoeuvre de ladite électrovanne et le déclenchement d'un compteur horaire.
Par l'intermédiaire des deux thermistances placées dans le cryostat à deux niveaux différents et du compteur horaire, on détermine l'intervalle de temps qui sépare le passage de la surface libre du gaz liquéfié à ces deux niveaux et pour lequel on a mesuré un certain volume de gaz évaporé correspondant à la consommation en gaz liquéfié due au cryostat lui-même. On en déduit par une mesure comparative l'influence présentée sur cette consommation par l'état de surface ou le revêtement des parois du cryostat.
On trouve ci-après la description d'une forme de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple.
Sur le dessin annexé, la figure unique est une vue schématique de ladite forme d'exécution.
Comme on le voit sur cette figure, l'appareil considéré comporte principalement un récipient cryostatique 1 dont on désire mesurer la consommation en gaz liquéfié, notamment en fonction de la nature du revêtement de la surface de ses parois. Le récipient cryostatique 1 est constitué d'un vase cylindrique en cuivre, suspendu par un tube ou une canalisation rigide 2 au couvercle 3 d'une enceinte extérieure 4 en acier inoxydable, le couvercle 3 étant rigidement ìxé sur cette enceinte au moyen d'ensembles vis-écrou 5.
Un groupe de pompage 6, réuni par une canalisation 7 à la paroi de l'enceinte 4, réalise dans cette dernière un vide entre la paroi de cette enceinte et le récipient 1, ce vide étant contrôlé par une jauge 8. A l'intérieur du récipient 1 sont placées deux theostances 9 et 10 maintenues à l'aide de pattes de fixation 11 et 12 à proximité de la paroi du récipient, à deux niveaux séparés par une distance parfaitement déterminée. Ces thermistances sont connectées à un amplificateur à courant continu 13 au moyen de fils électriques 14 et 15 traversant le couvercle 3, d'une part, et la paroi du récipient 1, d'autre part, grâce à des passages isolants 16 et 17 étanches au vide. L'alimentation des thermistances s'effectue à partir du secteur ou d'une source électrique non représentée.
Une seule thermistance est branchée à la fois sur l'amplificateur 13. Lorsque le niveau supérieur est détecté, la thermistance 10 est branchée à la place de la thermistance 9, soit par commutation manuelle, soit à l'aide d'un dispositif automatique, pour permettre la détection du niveau inférieur.
L'amplificateur 13 commande en outre, par l'intermédiaire de relais 18, le déclenchement d'un compteur horaire 21 et la manoeuvre d'une électro, vanne 19 placée sur une canalisation prolongeant la canalisation 2. Cette électrovanne 19 permet ainsi, selon sa position, de mettre en communication la canalisation 20, soit avec un compteur volumétrique de gaz 22, soit avec l'atmosphère extérieure par une tubulure d'échappement 23. La canalisation 20 et le tube 2 sont raccordé ; s à travers le couvercle 3 au moyen d'une pièce de liaison étanche 24, tandis qu'un serpentin 25 est t prévu sur la canalisation 20 pour assurer le réchauffement du gaz provenant du récipient cryostatique 1.
Le fonctionnement du dispositif succinctement décrit ci-dessus est le suivant: après montage du récipient cryostatique 1 à l'intérieur de l'enceinte étanche 4 et mise sous vide de cette dernière par le groupe de pompage 6, on remplit le récipient 1 d'un liquide cryogénique dont la surface libre est, par exemple, au u niveau désigné en a sur le dessin. On raccorde ensuite la canalisation 2 avec la canalisation 20 par la pièce de liaison 24.
Les thermistances 9 et 10 présentent, au moins dans le domaine de température où elles sont appelées à travailler un coefficient de température négatif élevé. Elles sont donc telles que l'augmentation de température qu'elles subissent au moment où, par suite de la baisse du niveau libre dans le cryostat, elles cessent d'être plongées dans le liquide cryogénique, entraîne une diminution marquée de leur résistance électrique. En outre, la tension d'aiinaentation est choisie de façon que la puissance athermique dissipée par le passage du courant soit aussi faible que possible.
Lorsque la surface libre du liquide cryogénique, par suite de Févaporation du gaz due aux parois du récipient 1 passe au niveau b, la thermistance 9 subit une variation brusque de résistance électrique. Le courant continu qui la traverse augmente, l'amplificateur 13 déterminant, par l'intermédiaire des relais 18, la manceu- vre de l'électrovanne 19 et le déclenchement du compteur 21: pour la position correspondante de l'électrovanne, le gaz d'évaporation traverse le serpentin de réchauffement 25 puis s s'achemine vers le compteur vo- lumétrique 22 qui mesure le débit de ce gaz.
Lorsque la surface libre du liquide cryogénique dans le récipient 1 atteint le niveau c, la thermistance 10 subit à son tour une variation brusque de résistance qui entraîne l'arrêt des compteurs 21 et 22 et le basculement de l'électrovanne 19. Le gaz qui continue à provenir du récipient 1 est dirigé vers l'atmosphère extérieure ou vers un récipient de récupération (non représenté) par l'intermédiaire de la tubulure 23.
Les indications données par les deux compteurs permettent ainsi de mesurer et de calculer les pertes ther miques totales de l'ensemble du dispositif. En changeant l'état de la surface du récipient 1, on modifie la valeur de ces pertes thermiques, ce qui permet de faire une étude comparative de l'influence du revêtement dans chaque cas.
Device for detecting the level of a liquefied gas inside a cryostat
The present invention relates to a device for detecting the level of a liquefied gas in a cryostat, making it possible in particular to measure the consumption of cryogenic liquid due to the nature or to the shape of the cryostatic chamber itself under conditions of normal operation and in particular to deduce the influence of the coating of the surfaces of such enclosures on this consumption.
It is known that the devices generally used for carrying out level measurements in a receptacle containing a liquefied gas have the drawback of a non-negligible consumption of the cryogenic liquid, caused by the dissipation of energy due to the setting in. work and the very operation of such devices.
This drawback can however be greatly reduced if a thermistor is used as the level detecting member, that is to say an electrical conductor exhibiting a sudden variation in resistance during its passage from the liquid phase to the gas phase, and if a suitable choice is made of this thermistor and its supply voltage. As an indication, the energy dissipated by a thermistor at a voltage of 10 volts, having a resistance of 1000 ohms at 3080 K, a resistance of 6.5.109 ohms at the temperature of liquid nitrogen, that is - i.e. at 770 K, and a resistance of 3.2.109 ohms above the level of liquid nitrogen, does not exceed 0.05 microwatt.
This very low value therefore only introduces a restricted evaporation of oryogenic liquid which does not distort the measurements taken.
The object of the present invention is to provide a detection device which, precisely by means of two thermistors, makes it possible to measure the passage of a free surface of a liquefied gas to two different levels inside a. cryostat and to deduce the gas consumption due to the nature and construction of this cryostat.
This device is characterized in that it comprises a sealed enclosure where there is a vacuum and in which the cryostat is placed, two thermistors with a high negative temperature coefficient located at two different levels inside said cryostat and supplied at a voltage n electric regulated, a pipe provided with a solenoid valve connecting, outside said sealed enclosure, said cryostat to a volumetric meter indicating the evaporation gas flow from said cryostat and a direct current amplifier connected to said thermistors and controlling, by means of relays, the operation of said solenoid valve and the triggering of an hour meter.
By means of the two thermistors placed in the cryostat at two different levels and of the hour meter, the time interval which separates the passage of the free surface of the liquefied gas to these two levels and for which a certain volume of evaporated gas corresponding to the consumption of liquefied gas due to the cryostat itself. The influence presented on this consumption by the surface condition or the coating of the walls of the cryostat is deduced from this by a comparative measurement.
Below is the description of an embodiment of the invention, given by way of example.
In the accompanying drawing, the single figure is a schematic view of said embodiment.
As can be seen in this figure, the apparatus considered mainly comprises a cryostatic vessel 1, the consumption of liquefied gas of which is to be measured, in particular as a function of the nature of the coating of the surface of its walls. The cryostatic receptacle 1 consists of a cylindrical copper vessel, suspended by a tube or a rigid pipe 2 from the cover 3 of an external enclosure 4 made of stainless steel, the cover 3 being rigidly fixed to this enclosure by means of assemblies. screw-nut 5.
A pumping unit 6, joined by a pipe 7 to the wall of the enclosure 4, creates a vacuum in the latter between the wall of this enclosure and the receptacle 1, this vacuum being controlled by a gauge 8. Inside of the container 1 are placed two theostances 9 and 10 held by means of fixing lugs 11 and 12 near the wall of the container, at two levels separated by a perfectly determined distance. These thermistors are connected to a direct current amplifier 13 by means of electrical wires 14 and 15 passing through the cover 3, on the one hand, and the wall of the container 1, on the other hand, thanks to sealed insulating passages 16 and 17. empty. The thermistors are powered from the mains or from an electrical source not shown.
Only one thermistor is connected at a time to amplifier 13. When the upper level is detected, thermistor 10 is connected instead of thermistor 9, either by manual switching or by means of an automatic device, to allow detection of the lower level.
Amplifier 13 also controls, via relays 18, the triggering of an hour meter 21 and the operation of an electro valve 19 placed on a pipe extending the pipe 2. This solenoid valve 19 thus allows, depending on its position, to put the pipe 20 in communication, either with a volumetric gas meter 22, or with the outside atmosphere via an exhaust pipe 23. The pipe 20 and the tube 2 are connected; s through the cover 3 by means of a sealed connecting piece 24, while a coil 25 is t provided on the pipe 20 to ensure the heating of the gas coming from the cryostatic vessel 1.
The operation of the device briefly described above is as follows: after mounting the cryostatic container 1 inside the sealed enclosure 4 and placing the latter under vacuum by the pumping unit 6, the container 1 is filled with a cryogenic liquid, the free surface of which is, for example, at the level designated at a in the drawing. The pipe 2 is then connected with the pipe 20 by the connecting piece 24.
The thermistors 9 and 10 exhibit, at least in the temperature range in which they are called upon to work, a high negative temperature coefficient. They are therefore such that the increase in temperature which they undergo at the moment when, as a result of the drop in the free level in the cryostat, they cease to be immersed in the cryogenic liquid, results in a marked decrease in their electrical resistance. In addition, the ventilation voltage is chosen so that the athermal power dissipated by the passage of the current is as low as possible.
When the free surface of the cryogenic liquid, as a result of the evaporation of the gas due to the walls of the vessel 1 passes to level b, the thermistor 9 undergoes a sudden change in electrical resistance. The direct current which passes through it increases, the amplifier 13 determining, via the relays 18, the operation of the solenoid valve 19 and the triggering of the counter 21: for the corresponding position of the solenoid valve, the gas d The evaporation passes through the reheating coil 25 then proceeds to the volumetric meter 22 which measures the flow rate of this gas.
When the free surface of the cryogenic liquid in the container 1 reaches the level c, the thermistor 10 in turn undergoes a sudden variation in resistance which causes the stop of the counters 21 and 22 and the tilting of the solenoid valve 19. The gas which continues to come from the container 1 is directed to the external atmosphere or to a recovery container (not shown) through the pipe 23.
The indications given by the two meters thus make it possible to measure and calculate the total thermal losses of the entire device. By changing the state of the surface of the container 1, the value of these thermal losses is modified, which makes it possible to carry out a comparative study of the influence of the coating in each case.