CN110132371B - 一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，用于超导装置致冷液液面监控，所述超导装置包括杜瓦，所述杜瓦内储盛有致冷液并安置有超导器件；超导液位计包括U型超导导线和液位计引线线圈，所述U型超导导线的下半部分置于所述致冷液液面以下、上半部分置于所述致冷液液面以上，所述U型超导导线的上端部连接至信号电压连线；所述液位计引线线圈缠绕在所述超导器件的电流引线上，所述液位计引线线圈的一端与所述U型超导导线的上端部相连接、另一端连接至测控电流连线。本发明实现了一种具有更高精度的、高效的和高可靠性的低温致冷液液位计，解决了超导液位计的测量精度问题，提高测量精度，解决了实用化的瓶颈问题。

Description

一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计
技术领域
本发明涉及低温领域，特别涉及一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，为超导装置中的冷却液液面监控技术及测控仪器。
背景技术
1.1背景
超导液位计是利用超导体制作的用于低温装置致冷液液面位置或高度监控的测控仪器。
超导体在其临界温度下，电阻为零，而工作温度升高高于其临界温度时，超导体由零电阻的超导态转变到常规电阻态。超导体的这种电阻导体变化，可以用以设计一种普遍适用于低温超导装置，冷却液液位测量、监视与控制的仪器装置。
处于低温容器中的致冷液，温度以液面为界，液面以下为致冷液液体温度，液面以上为气化致冷液气体温度，温度高于液体致冷液温度，并且离液面越远，温度越高。利用超导导线或细丝，可以制成任意规格、任意长度的致冷液液位计。超导液位计结构简单，可靠，使用方便，若能突破精度瓶颈，解决测量精度问题，将大大提高其实用性。
超导装置在运行时，实时监控致冷液液位是不能缺少的，因此，超导液位计具有较好的实用性和市场需求。
1.2相关现有技术
利用超导丝制作液氦液位计是当前低温超导领域常用的技术，其原理、方法、结构基本一样：超导丝一部分处于致冷液液面以下，一部分处于液面之上，用加热装置对液氦液面之上部分的超导丝加热，使液氦液面之上部分的超导丝处于非超导状态，而液氦液面以下部分的超导丝由于浸泡在液氦之中而处于超导状态，此时通电流，测量超导丝两端的电压，这个电压会随着液面的高低变化而变化，从而可估测液面的高度。实际应用时，由于超导丝的导热性，超导线的零电阻部分会出现在致冷液液面上部的区域，以至于如果不对超导丝进行加热，有可能整个超导丝都会处于超导状态，由于没有电阻而无法测出超导丝两端的电压，液位计无法实际工作。超导丝一般放在套管里面，加热装置一般为加热丝或加热线圈其与超导丝相接，加热装置由电流控制，和超导丝两端引出导线用来接通电流和测量电压。
现有技术的缺点：由于在液面上方的超导导线存在温度梯度，因而影响测量精度。目前解决温度梯度引起测量不准的方法，是在液面上方的超导导线上附加一个加热器。这种附有引入热源的加热器，能在一定程度上改善测量精度，但加热器也会过渡消耗和浪费致冷液，加热器引入的附加热源是超导及其冷却系统最忌讳的和要避免的。目前这种测量技术，存在温度梯度导致的测量精度问题和加热器热源降低系统效率的问题，这些问题是影响实际使用的严重障碍问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，解决了超导液位计的测量精度问题，显著提高测量精度，解决了实用化的瓶颈问题。
本发明所采用的技术方案是：一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，用于超导装置致冷液液面监控，所述超导装置包括杜瓦，所述杜瓦内储盛有致冷液并安置有超导器件；超导液位计包括：
U型超导导线，所述U型超导导线的下半部分置于所述致冷液液面以下、上半部分置于所述致冷液液面以上，所述U型超导导线的上端部连接至信号电压连线；以及，
液位计引线线圈，所述液位计引线线圈缠绕在所述超导器件的电流引线上，所述液位计引线线圈的一端与所述U型超导导线的上端部相连接、另一端连接至测控电流连线。
进一步地，超导液位计还包括液面浮子，所述液面浮子连接在所述U型超导导线上，并浮于所述致冷液液面上，所述液面浮子内的线圈通过浮子连线连接至缠绕在所述超导器件的电流引线上的所述液位计引线线圈，使得所述超导器件的电流引线的热量通过所述浮子连线和埋放在所述液面浮子中的线圈，自动加热所述U型超导导线位于所述致冷液液面上方的部分。
进一步地，所述液面浮子内的线圈还连接至所述测控电流连线，使得所述液面浮子内通入可控电流，对所述U型超导导线位于所述致冷液液面上方的部分进行辅助加热调控。
其中，所述U型超导导线和所述液位计引线线圈均由超导导线制成，所述超导导线制备成所述U型超导导线后，再将所述超导导线的上端缠绕在所述超导器件的电流引线上形成所述液位计引线线圈，最后将所述超导导线的端部连接至所述测控电流连线。
所述超导导线采用NbTi、Nb3Sn、Nb3Al、BSCCO、YBCO或MgB2的其中一种超导材料制成。
其中，所述浮子连线采用导热金属导线制成。
本发明的有益效果是：本发明通过U型回旋结构的超导传感器导线，绕制在超导器件电流引线上的超导导线线圈，以及液面浮子这3种结构及其连接方案，实现了一种具有更高精度的、高效的和高可靠性的低温致冷液液位计。本发明液位计结构简单，成本低廉，益于实用，解决了测量精度问题及影响系统效率的关键问题。
附图说明
图1：本发明实施例2所示的超导液位计结构示意图。
附图标注：1、杜瓦；2、U型超导导线；3、致冷液；4、超导器件；5、液面浮子；6、浮子连线；7、液位计引线线圈；8、电流引线；9、测控电流连线；10、信号电压连线。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明为解决测量精度问题及影响系统效率的问题，提供一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，所述超导液位计包括：1)U型回旋结构的超导传感器导线(U型超导导线2)。2)绕制在超导器件4的电流引线8上的超导导线线圈(液位计引线线圈7)。3)液面浮子5。通过上述3种结构及其连接方案，本发明籍此可实现一种具有更高精度的、高效的和高可靠性的低温致冷液液位计。
本发明用于超导装置致冷液液面监控，所述超导装置包括杜瓦1，所述杜瓦1内储盛有致冷液3并安置有超导器件4。液位计主体为超导导线并利用其制备成U型超导导线2，并将所述超导导线上端缠绕在所述超导器件4的电流引线8上，构成液位计引线线圈7，再连接到测控电流连线9。所述U型超导导线2的下半部分置于所述致冷液3液面以下、上半部分置于所述致冷液3液面以上，所述U型超导导线2的上端部连接至信号电压连线10。
除所述U型超导导线2和所述液位计引线线圈7外，可加入液面浮子5。所述液面浮子5连接在所述U型超导导线2上，并自动浮于所述致冷液3液面上。所述液面浮子5内有线圈并连接到所述液位计引线线圈7并与所述测控电流连线9相连，通入所述液面浮子5内的电流为单独控制，与通入所述液位计引线线圈7和所述U型超导导线2内的电流相互独立。通入所述液面浮子5内的电流大小和通入所述液位计引线线圈7与所述U型超导导线2内的电流大小均可控制。
用于本发明液位计的超导细导线，可以由已实现商业化应用的NbTi、Nb3Sn、Nb3Al、BSCCO(2223、2212)、YBCO(123)、MgB2等超导材料制备。
实施例1
用于液氦液位监控的液位计。
NbTi超导丝制备成所述U型超导导线2后，再将所述NbTi超导丝的上端缠绕在所述超导器件4的电流引线8上形成所述液位计引线线圈7，最后将所述NbTi超导丝的端部连接至所述测控电流连线9。所述测控电流连线9连接到外部测控仪表的直流电流端，并采用可调直流脉冲电流，进行测量和辅助加热控制(其中，辅助加热控制为：在超导导线内通入电流后，在电流的作用下，位于致冷液3液面上的超导导线会发热，电流越大，超导导线产生的热量越大，同时，位于致冷液3液面上的超导导线的超导部分的长度越短，测量精度越高；然而，电流过大会导致引入过高热量和导致超导导线失超，因此，需将电流控制在合适的范围内，以达到在满足精度要求的情况下尽量减小热损耗)，所述外部测控仪表由所述信号电压连线10获得所述NbTi超导丝的电压信号，即可标定出液氦液位并对其监控。
超导导线液位计两端的电压与其电阻成正比，而电阻与液位计液面上方失超超导导线的长度成正比，因此，可以通过获得的电压信号获得液面下方超导导线的长度，从而获得液氦液位。上述如何由电压信号获得液位为本领域公知常识技术，因此，在本申请中，不再详细展开。
实施例2
用于液氢液位监控的液位计。
如图1所示，MgB2超导导线制备成所述U型超导导线2后，再将所述MgB2超导导线的上端缠绕在所述超导器件4的电流引线8上形成所述液位计引线线圈7，最后将所述MgB2超导导线的端部连接至所述测控电流连线9。在所述U型超导导线2上插入液面浮子5，所述液面浮子5置于所述致冷液3液面上，所述液面浮子5内的线圈通过浮子连线6连接至缠绕在所述超导器件4的电流引线8上的所述液位计引线线圈7，所述超导器件4的电流引线8的热量通过所述浮子连线6和埋放在所述液面浮子5中的线圈，自动加热所述U型超导导线2位于所述致冷液3液面上方的部分。所述测控电流连线9连接到外部测控仪表的直流电流端，并采用可调直流脉冲电流，进行测量和辅助加热控制，所述外部测控仪表由所述信号电压连线10获得所述MgB2超导导线的电压信号，即可标定出液氢液位并对其监控。
实施例3
YBCO超导导线制备成所述U型超导导线2后，再将所述YBCO超导导线的上端缠绕在所述超导器件4的电流引线8上形成所述液位计引线线圈7，最后将所述YBCO超导导线的端部连接至所述测控电流连线9。在所述U型超导导线2上连入液面浮子5，所述液面浮子5置于所述致冷液3液面上，所述液面浮子5内的线圈通过浮子连线6连接至缠绕在所述超导器件4的电流引线8上的所述液位计引线线圈7，所述超导器件4的电流引线8的热量通过所述浮子连线6和埋放在所述液面浮子5中的线圈，自动加热所述U型超导导线2位于所述致冷液3液面上方的部分。同时，所述液面浮子5内的线圈还连接至所述测控电流连线9，使得所述液面浮子5内通入可控电流，对所述U型超导导线2位于所述致冷液3液面上方的部分进行辅助加热调控。所述测控电流连线9连接到外部测控仪表的直流电流端，并采用可调直流脉冲电流，进行测量和辅助加热控制，所述外部测控仪表由所述信号电压连线10获得所述YBCO超导导线的电压信号，即可标定出液氮液位并对其监控。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，用于超导装置致冷液(3)液面监控，所述超导装置包括杜瓦(1)，所述杜瓦(1)内储盛有致冷液(3)并安置有超导器件(4)；其特征在于，超导液位计包括：
U型超导导线(2)，所述U型超导导线(2)的下半部分置于所述致冷液(3)液面以下、上半部分置于所述致冷液(3)液面以上，所述U型超导导线(2)的上端部连接至信号电压连线(10)；
液位计引线线圈(7)，所述液位计引线线圈(7)缠绕在所述超导器件(4)的电流引线(8)上，所述液位计引线线圈(7)的一端与所述U型超导导线(2)的上端部相连接、另一端连接至测控电流连线(9)；以及，
液面浮子(5)，所述液面浮子(5)连接在所述U型超导导线(2)上，并浮于所述致冷液(3)液面上，所述液面浮子(5)内的线圈通过浮子连线(6)连接至缠绕在所述超导器件(4)的电流引线(8)上的所述液位计引线线圈(7)，使得所述超导器件(4)的电流引线(8)的热量通过所述浮子连线(6)和埋放在所述液面浮子(5)中的线圈，自动加热所述U型超导导线(2)位于所述致冷液(3)液面上方的部分；所述液面浮子(5)内的线圈还连接至所述测控电流连线(9)，使得所述液面浮子(5)内通入可控电流，对所述U型超导导线(2)位于所述致冷液(3)液面上方的部分进行辅助加热调控；
其中，所述U型超导导线(2)和所述液位计引线线圈(7)均由超导导线制成，所述超导导线制备成所述U型超导导线(2)后，再将所述超导导线的上端缠绕在所述超导器件(4)的电流引线(8)上形成所述液位计引线线圈(7)，最后将所述超导导线的端部连接至所述测控电流连线(9)。
2.根据权利要求1所述的一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，其特征在于，所述超导导线采用NbTi、Nb3Sn、Nb3Al、BSCCO、YBCO或MgB2的其中一种超导材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于低温致冷液液面监测的超导液位计，其特征在于，所述浮子连线(6)采用导热金属导线制成。
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