CN102435258A - 测量制冷剂容器中液态制冷剂液面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量制冷剂容器中液态制冷剂液面的方法。根据本发明，施加到制冷剂液面探测器的电流脉冲包括：足够幅度的爆发脉冲部分，以确保电阻性前缘沿所述探测器向下蔓延到所述液态制冷剂的表面下方；恢复脉冲部分使得在所述液态制冷剂的表面下方的所述超导导线恢复到超导状态；以及足够幅度和持续时间的测量电流脉冲部分在所述爆发脉冲部分，以准确测量待测量的超导导线的电阻。

Description

测量制冷剂容器中液态制冷剂液面的方法

技术领域

本发明涉及用于测量制冷剂容器中液态制冷剂液面的超导制冷剂液面探测器，特别是涉及测量制冷剂容器中液态制冷剂液面的方法。

背景技术

已知的制冷剂液面探测器采用一段超导导线，该超导导线基本竖直地局部浸入容纳在制冷剂容器中的液态制冷剂中。该超导导线的与液态制冷剂接触的那些部分将处于超导状态，而该导线处于气态制冷剂中的那些部分可以处于电阻状态，这是因为气态制冷剂的制冷效果比液态制冷剂低很多。

图1示出了例如可以用于MRI（核磁共振成像）系统以约束磁体线圈的制冷器。制冷剂容器1约束液态制冷剂2。制冷剂容器中液态制冷剂液面上方的空间3可以填充有蒸发的制冷剂。制冷剂容器容纳在真空外壳4内，该真空外壳4用于通过降低制冷剂容器1的热传导或热对流的可能性来减少从环境温度流向制冷剂2的热量。一个或多个隔热板5可以设置在制冷剂容器1和真空外壳4之间的真空空间中。这些隔热板用于减少到达制冷剂容器1的外部辐射热量。设置允许从外部进入制冷剂容器的进入颈6。这是用于填充制冷剂容器，以为电流引线和其它接线连接到收纳在所述制冷剂容器中的超导线圈提供通道，并且为汽化的气态制冷剂提供逸出路径。

在此系统中，需要定期监视液态制冷剂的液面，同时该系统仍处于运作状态。这需要检测泄漏（由制冷剂的异常高的消耗指示），并确保以适当间隔注满液态制冷剂，从而使得磁体线圈或其它物体保持被液态制冷剂充分冷却。当制冷剂液面低时，部分磁体不再浸入液态制冷剂中并且将比液面高时的温度高。对于超导磁体来说，这会导致磁体失超，磁体失超是危险的且可以损伤系统，并且导致磁场坍塌。然而，任何选定的测量过程不应该使不适当的热量输入系统。通常认为每天测量一次液态制冷剂的液面就足够了。

导引管10设置在用于收纳制冷剂液面探测器的制冷腔中。导引管10从进入颈6延伸到大约制冷剂容器的下端。导引管的端部不封闭，而是填充液态制冷剂，该液态制冷器剂填充至制冷剂容器中的液态制冷剂的液面。设置导引管10以收纳用于测量制冷剂容器1中的液态制冷剂2的深度的制冷剂液面探测器。制冷剂液面探测器包括延伸所述探测器长度的超导导线。

操作中，电流通过该导线。导线的浸入液态制冷剂的那些部分将基本保持在超导状态，而导线的暴露于气态制冷剂的那些部分可以变为有电阻的。该导线电阻部分产生的电势提供了该导线电阻的指示。而这又指示出了气态制冷剂中导线的长度，因此也就指示出了制冷剂容器中液态制冷剂的液面。

已知这种制冷剂液面探测器在可靠地测量制冷剂容器中的制冷剂液面方面具有不一致的操作性能。制冷剂液面传感器的一般用途是测量制冷剂容器中的液态氦的液面，所述制冷剂容器中包含用于MRI成像系统的超导磁体。

通常，制冷剂液面探测器包括一段薄超导导线（通常直径为0.1mm），该超导导线位于导引管10内或者位于制冷剂容器内，例如，安装在非导电载体上或被围绕在保护网环境中。

为了有效测量制冷剂液面，通过用由外部电力控制设备供能的电热器进行加热，将位于气态制冷剂中的超导导线的上部制成电阻性的。电流通过超导导线，消耗在超导导线电阻部分的热量加热导线的相邻部分，这呈现出了那些电阻。这种电热器与超导体串联连接，因此提供给电热器的电流与超导导线的相同。在已知的布置中，电热器是缠绕在超导导线周围并且用漆结合在一起的线式加热器。在另一已知变型中，超导导线覆盖有一层与超导导线串联电连接的箔式加热器。结果使得，电阻性“前缘”沿超导导线蔓延（或称传播），直到到达液体制冷剂的表面。

通常，以如下方式有效冷却导线与液态制冷剂接触的那些部分，即：要使得电阻性前缘一旦到达液体制冷剂的表面就停止蔓延。此时，超导导线以及超导导线上由给定的施加电流产生的电势提供了制冷剂容器中制冷剂液面的指示。

在以下方面存在问题，即，需要平衡引入的足够能量，既要使得电阻性前缘能够到达液体层，同时还要防止电阻性前缘由于作用过多的能量而过度地蔓延到液态制冷剂的表面之下，防止测量到液体表面下方的液面。此问题在英国专利申请GB2415512A中有论述，该申请描述了使用制冷剂液面探测器来测量制冷剂液面，包括“卡住”探测器的可行方案，其中电阻性前缘的蔓延因为存在不想要的热损失路径而被中断。

制冷剂容器可以在液面上方具有不均匀的温度区，例如由于制冷剂容器中复杂的热力学条件而在制冷剂容器中不可预料地产生的极冷点。如果供应到探测器的超导导线的能量不足，则这些冷区将防止导线在那些区域中变为电阻性的并因此将得到不正确的液面测量。通常，对于MRI应用中预期的磁场强度和标准的操作电流来说，超导导线的临界温度为8至10开氏度。如果，例如，在4.2K的温度使用液氦制冷剂，则很可能气态制冷剂区域会出现在8-10K或更低的温度。

这个发明确保给定上述条件的制冷剂液面测量的可靠性和准确性，利用GB2415512A中描述的方法克服已知问题。

以下文件描述了其它常规布置。

GB2401688A描述了一种氦探测器的结构，但是未涉及在操作中施加到该探测器的电流脉冲的构造。

JP8035875-A1描述了一种探测器结构，还提及使用A-D转换器的探测电路。

JP61031925-A1描述了一种探测器的结构但未描述控制方法。

SU1272860-A1描述了一种探测器，其上缠绕有全长型加热器，并且该探测器具有抽头点。

发明内容

本发明并不讨论制冷剂液面探测器的物理结构。实际上，本发明可应用于任何已知的制冷剂液面探测器结构。相反地，本发明意在通过适当地控制施加到制冷剂液面探测器超导导线的电流脉冲的幅度和持续时间的概况，提供对制冷剂液面的更可靠的测量。

因此，本发明提供了如所附权利要求所述的方法。

附图说明

通过结合附图思考以不限制例子的方式给出的下述实施例，本发明的以上和其它目的、特征和优点将变得更加显然，其中：

图1图示了穿过圆柱形制冷剂容器的径向横截面，其示出了制冷剂液面探测器的常规位置；

图2图示了根据本发明一个实施例的可以施加到制冷剂液面探测器的超导导线的示例性电流脉冲；

图3图示了根据本发明的实施例的施加到制冷剂液面探测器的超导导线的恢复电流脉冲部分的可接受参数的范围。

具体实施方式

本发明意在通过适当地控制施加到制冷剂液面探测器的超导导线的电流脉冲的幅度和持续时间的轮廓，提供对制冷剂液面的更可靠的测量。具体地，本发明提供应用于制冷剂液面探测器的超导导线的电流脉冲轮廓，该制冷剂液面探测器确保液体到气体边界的可靠的探测。

根据本发明，通过在超导导线上施加过量电流实现液体制冷剂表面液面的可靠探测，在此之前需要使超导导线中的电阻性前缘蔓延到液态制冷剂的表面，小心将电阻性前缘过度蔓延到液体表面下方。然后，减小该电流以使得液体表面下方的超导导线的超导特性因与液态制冷剂接触冷却而被恢复。在一给定时间段后，施加测量电流，并可通过不同于常规的方法来测量制冷剂容器中的液态制冷剂的液面。该测量电流的幅度足以提供精确的测量并保持电阻性前缘在液态制冷剂表面处的位置，但是不足以使超导导线中的电阻性前缘进一步蔓延。

本发明可以在独立于制冷剂容器中的气态制冷剂的温度环境的情况下可靠并准确地探测液态制冷剂的液面。

图2示出了根据本发明实施例施加到制冷剂液面探测器的超导导线的示例性电流脉冲100。电流脉冲100由前沿部分102、爆发脉冲部分104、恢复脉冲部分106和测量脉冲部分108组成。多个电流脉冲部分是连续的并且所施加的电流在所述多个电流脉冲部分之间不归零。

电流脉冲的前沿102优选是线性倾斜的，例如，对于800mA的i _i 值来说以常规斜率dI/dt为4A/s倾斜。目前认为，斜率dI/dt可以方便地从1A/s – 10A/s范围内的任意处选择，而爆发脉冲部分的电流幅度优选为不大于800mA。前沿102和其后的爆发脉冲部分104一起形成爆发脉冲。该爆发脉冲用来确保使电阻性前缘蔓延超导导线的长度，蔓延到制冷剂容器中液态制冷剂表面下方的液面。

适当地选择斜率是重要的，因为太快的斜率将导致制冷剂液面探测器承受因变化的电流幅度与磁场间的相互作用产生的巨大的力，这会因移动而导致制冷剂液面探测器受损。相反地，如果斜率过缓，则爆发脉冲的持续时间增加，将引入不可接受程度的额外热量，并导致液态制冷剂的挥发增加。

通常，如GB2415512A所述，超导导线上可以探测到一定电势，以确保电阻性前缘的蔓延已经开始。0.5V的电势可以被选定为给出这种指示。超导导线上将达到的0.5V的蔓延指示电势所需的时间（dt）和电流（dI）可被记录下来。如果在预定时间内未达到选定电势，则可放弃测试，并向操作者指示存在错误。

爆发脉冲部分104的持续时间t _i 可以为2-3秒。当此时间结束时例如，爆发脉冲结束并且所施加的电流下降到恢复脉冲部分106中的恢复电流i _r ，例如，在例如100ms的时间段t _r 内下降到125mA-175mA的恢复电流水平i _r 。

应该谨慎选择恢复脉冲部分106的可变参数（电流幅度和持续时间），因为他们决定液态制冷剂液面的探测的可靠性。由于电阻性前缘“放松”返回到液态制冷剂的液面，因此恢复电流脉冲部分的电流幅度i _r 和持续时间t _r 的选定值决定液态制冷剂的表面下方的超导区的恢复周期。经验上，可以为制冷剂、制冷剂容器和探测器的任何特定组合找到合适的电流幅度i _r 和持续时间t _r 值。

在恢复脉冲部分106之后，所施加的电流幅度增加到测量电流脉冲部分108的测量水平i _m 。测量电流水平i _m 通常为250mA至1A，测量脉冲部分的持续时间t _m 可以为例如6秒。

测量脉冲部分108提供幅度为i _m 的恒定电流，足够保持超导导线中电阻性前缘在液态制冷剂表面处的位置，而不会导致电阻性前缘蔓延到液态制冷剂表面下方。按常规操作所施加的电流的该部分和相关的测量。

总之，因此，根据本发明，通过经由超导导线施加电流脉冲100来操作包括延伸了制冷剂液面探测器的长度的超导导线的制冷剂液面探测器，所述电流脉冲起始于倾斜的前沿102，该前沿102使通过导线的电流增加至爆发幅度i _i 。电流保持在电流脉冲部分持续时间t _i 内的电流幅度，这导致电阻性前缘将超导导线向下蔓延到液态制冷剂表面下方的液面。这使得超导导线的在液态制冷剂表面下方的部分被液态制冷剂冷却，从而使电阻性前缘返回液态制冷剂的表面。然后在测量持续时间t _m 电流幅度增至测量大小i _m 。该测量大小i _m 足以使电阻性前缘保持在液态制冷剂的表面，但是不足以使电阻性前缘蔓延到液态制冷剂的表面下方。在测量持续时间t _m 的过程中，测量超导导线的电阻（测量电阻本身是常规的），并且所测量的电阻被用于计算制冷剂容器中的液态制冷剂的液面。

如上所述，需要谨慎选择恢复脉冲部分106的电流幅度i _r 和持续时间t _r ，尽管这可以通过常规的反复试验法执行。

图3示出了根据本发明的方法、利用一系列恢复电流脉冲部分106的电流幅度i _r 和持续时间t _r 来操作超导制冷剂探测器的性能边界的示例性标绘图。图3的矩形框中示出的性能边界表示设置有所示特定参数i _r 和t _r 的成功工作的探测器的比例。在标注1.0的区域，采用这些参数的探测器将97%-100%读取正确的液面。同样，标注0.95的区域表示采用这些参数的探测器中有90%-97%将读取正确的液面。在该例中，与图2所示的范例相同，爆发脉冲部分104具有600mA的电流幅度和2s的持续时间t _i 。如所示出的，利用一系列恢复脉冲部分106的电流幅度i _r 和持续时间t _r 可以获得0.97-1.00的优选范围的性能边界。优选地，从提供所需的性能边界的值的范围的中间部分选择这些参数的值。在此例中，电流幅度i _r = 175 mA和持续时间t _r  = 1500 ms的值被选用于恢复电流脉冲部分106，如图2所示。相应的点在图3中示出。

对于制冷剂、探测器和制冷剂容器的其它组合，可根据经验推导出用于恢复电流脉冲部分的电流幅度i _r 和持续时间t _r 的等效参数图表和选择范围。

根据本发明，施加到制冷剂容器探测器的电流脉冲包括：足够幅度的爆发电流脉冲部分，以确保电阻性前缘使探测器向下蔓延到液态制冷剂表面下方；恢复电流脉冲部分，使得在液态制冷剂的表面下方的超导导线部分恢复到超导状态；以及足够幅度和持续时间的测量电流脉冲部分以精确测量待测量的超导导线的电阻。通过提供足够幅度和持续时间的爆发脉冲以确保电阻性前缘蔓延到液态制冷剂的表面下方，可以克服现有技术中的困难。电阻性前缘在冷点或不必要的热损耗路径上不会变得“卡住”。

Claims (4)

1.一种测量制冷剂容器中液态制冷剂液面的方法，包括以下步骤：

将制冷剂液面探测器基本竖直地引入含有液态制冷剂的制冷剂容器中，所述制冷剂液面探测器包括延伸了所述制冷剂液面探测器的长度的超导导线；

使电流通过所述超导导线，以使电阻性前缘沿所述超导导线向下蔓延到所述液态制冷剂的表面；以及

测量所述超导导线的电阻，

其特征在于，使电流通过所述超导导线的步骤包括：施加具有如下轮廓的电流脉冲（100），所述轮廓包括前沿部分（102）、爆发脉冲部分（104）、恢复脉冲部分（106）和测量脉冲部分（108），其中

所述前沿部分使电流幅度增加到第一幅度（i _i ）一段第一持续时间（t _i ），以形成所述爆发脉冲部分，

所述爆发脉冲部分具有足够的幅度和持续时间，以确保电阻性前缘沿所述超导导线向下蔓延到所述液态制冷剂的表面下方的液面；

所述恢复脉冲部分（106）跟在所述爆发脉冲部分之后，并且包括在一段第二持续时间（t _r ）内小于第一幅度的第二幅度（i _r ）的电流，从而使得在所述液态制冷剂的表面下方的所述超导导线恢复到它的超导状态；而且

所述测量脉冲部分（108）跟在所述恢复脉冲部分之后，并且包括在一段第三持续时间（t _m ）内大于第二幅度但小于第一幅度的第三幅度（i _m ）的电流，所述第三持续时间和第三幅度适于测量所述超导导线的电阻，在测量期间保持所述电阻性前缘的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：监视所述超导导线上由于将电流通过所述超导导线的步骤而出现的电势，并且检测提供所述电阻性前缘的蔓延已经开始的指示的选定电势。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，如果在预定时间内未达到所述选定电势，则放弃测量尝试，并且向操作员指示出现了错误。

4.一种制冷剂容器中液态制冷剂液面的测量方法，其基本上如附图中的图2所描述和示出的。

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