CN112504386A - 一种液氢超导液位计及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液氢超导液位计及标定方法，能够提高液位测量精度。液氢超导液位计中，超导丝每隔设定长度串联一组加热装置，加热装置加热范围布满超导丝；超导丝两端通过连接导线连接恒流源，形成闭合回路；超导丝与恒流源之间连接安全栅；电压测量装置通过隔绝电流用电压跟随器接入所述闭合回路，测量超导丝两端电压。加热装置的加热功率设置为使得液氢液面之上为失超温度，液面之下不高于超导温度；超导丝垂直置于待测液氢中，恒流源提供临界电流，电压测量装置采集电压测量值；液位计算模块根据预存的电压与超导丝没入液氢长度之间的对应关系，确定电压测量值对应的超导丝长度，根据超导丝长度确定液位。
Description
技术领域
本发明涉及低温液体的液位测量，尤其涉及一种液氢超导液位计及标定方法。
背景技术
随着超导技术的不断发展，超导体在工业、交通、能源、国防、医疗、科研等许多领域都有广泛的前景，应用也日益深入广泛，效益明显，其中采用超导技术制造的磁悬浮列车，具有速度快、能耗低的特点；还有超导电磁铁与传统电磁铁相比，具有体积小、能耗低、重量轻的特点，而且容许的电流密度大、磁场强、均匀稳定。
超导技术应用越来越广泛，目前还应用于低温液体液位测量，其原理是使用超导材料的零电阻效应，所谓零电阻效应是指：物质在一定温度下电阻变为零因而具有超乎寻常的导电状态，这就是超导态，这种物质就是超导材料。测量低温液体液位时，在容器中安装垂直的定长超导丝，测量时浸入液体部分从正常态转变为超导态，其电阻为零；而未浸入部分为正常态，其电阻不为零。这样随着液位的变化，定长超导丝浸入部分也在变化，其总电阻及电压也在变化，此时不同的电压就对应相应的液位，并由测量系统进行数据采集、A/D变换、数据处理及液位显示。
目前市场上比较成熟的超导液位计主要用于液氦液位测量，未出现液氢超导液位计，而且目前用于液氦液位测量的超导液位计考虑到超导丝导热性，其液面以上的超导丝也可能达到临界温度而出现零电阻效应，在超导丝顶部设置了加热装置，但由于加热功率不足很难顾及超导丝下部，在低液位仍然出现测量不准确的现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种液氢超导液位计及标定方法，能够提高液位测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种液氢超导液位计，其特征在于，包括：恒流源、安全栅、连接导线、超导丝、加热装置、隔绝电流用电压跟随器、电压测量装置和液位计算模块；
超导丝每隔设定长度串联一组加热装置，加热装置的加热范围覆盖整个超导丝；超导丝两端通过连接导线连接恒流源，形成闭合回路；超导丝与恒流源之间连接安全栅；电压测量装置通过隔绝电流用电压跟随器接入所述闭合回路，测量超导丝两端电压。
根据温度和容器压力需求确定超导丝材料；加热装置的加热功率设置为使得液氢液面之上为失超温度，液面之下不高于超导温度；
超导丝垂直置于待测液氢中，恒流源提供临界电流Ic，电压测量装置采集电压测量值；液位计算模块根据预存的电压与超导丝没入液氢长度之间的对应关系，确定电压测量值对应的超导丝长度，根据超导丝长度确定液位。
优选地，所述超导丝为单根超导丝、折叠超导丝或者螺旋结构超导丝。
优选地，所述加热装置为电加热线或线圈。
优选地，所述加热装置等间隔串联在超导丝上。
优选地，所述加热装置的加热功率设置为2～5W。
优选地，超导丝采用二硼化镁超导丝或铌三锗超导丝。
本发明还提供了一种上述液氢超导液位计的标定方法，包括如下步骤：
首先，连接液氢超导液位计的各个部件，将超导线垂直放入空的杜瓦中，直至杜瓦底部；所述杜瓦为石英玻璃材质，内外表面镀银，并在侧面垂直方向上留有一定宽度的不镀银区域，不镀银区域旁侧带有标尺，用于观察杜瓦内液位；
然后，令恒流源输出超导丝的临界电流Ic，电压测量装置采集电压测量值；分多次向杜瓦倒入液氢，通过杜瓦标尺读取杜瓦内液氢液位高度；记录电压测量值及其对应的液氢液位高度；将液氢液位高度转换为超导丝长度；利用电压测量值及其对应的超导丝长度，拟合换算曲线，可用于其他任意液氢液位测量。
其中，所述超导丝的临界电流Ic的获取方式为：
将超导线浸入装满液氢的杜瓦中；令恒流源的输出电流值从0mA逐渐增加，记录电压测量装置采集的电压值，将电压值出现拐点位置所对应的电流值确定为临界电流Ic。
优选地，所述将液氢液位高度转换为超导丝长度为：根据超导丝是否折叠以及折叠次数，将液氢液位高度按倍数转换为超导丝长度。
优选地，在杜瓦外部增设两片可相对转动的保护罩；两片保护罩转动到第一位置时，保护所述杜瓦于保护罩内部；两片保护罩转动到第二位置时，两片保护罩之间形成一定宽度的观察窗，用于观察所述标尺。
有益效果：
(1)本发明根据容器高度将超导丝与数段加热丝或加热线圈串联，加热装置的加热范围覆盖整个超导丝，而不是仅仅在顶部串联一个加热丝，既能满足液面上部超导线失超，又能满足下端产生的热量被液氢带走，仍保证液面下超导丝仍处于超导状态，保证全液位高度测量的准确性。
(2)本发明设计了可视杜瓦进行液位标定，可以通过液位直接读取超导丝浸入液氢长度，解决了将超导丝插入液氢中无法读取长度数据的问题，过程简单。而且标定的是长度与电压的直接关系，中间无需其他变量的换算，例如电阻，从而避免中间换算导致的误差。
(3)为了保证液氢使用的安全性，液氢超导液位计测量系统中使用了安全栅。
(4)本发明所提供的标定方法不仅能够标定杜瓦高度内的液位，还能够标定超过杜瓦高度的储罐液位，降低了标定工作的成本，扩宽了标定量范围。
附图说明
图1为本发明液氢超导液位计的示意图。
图2为杜瓦标尺的示意图。
图3为杜瓦及其外圈可转动外壳的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种液氢超导液位计，包括：恒流源、安全栅、连接导线、超导丝、加热装置、隔绝电流用电压跟随器、电压测量装置和液位计算模块(图中未示出该模块)。
超导丝每隔设定长度串联一组加热装置，加热装置加热范围布满超导丝，而不是仅仅在顶部串联一个加热丝，从而保证全液位高度测量的准确性。超导丝两端通过连接导线连接恒流源，形成闭合回路；超导丝与恒流源之间连接安全栅；电压测量装置通过隔绝电流用电压跟随器接入所述闭合回路，测量超导丝两端电压。
根据温度和容器压力需求确定超导丝材料。从常压到临界压力1.2964MPa时液氢的温度范围为20.369K～33.111K，针对于常压液氢容器液位测量，可以选择临界温度Tc高于20.369K的超导材料，如Tc为23.2K的超导材料铌三锗(分子式Nb3Ge)或者Tc为39K的超导材料二硼化镁(MgB2)，都能满足要求。如果压力高于0.2144MPa时液氢温度会高于23.2K，铌三锗显然已经不能满足要求，但二硼化镁能满足要求，因此超导材料的选择必须考虑容器压力。同时在常压容器中临界电流测量以常压下液氢温度20.369K为基准，相应的压力不同，临界电流的测量应以相应压力下的平衡温度为基准测量。
加热装置的加热功率设置为使得液氢液面之上为失超温度，液面之下不高于超导温度。一般来说2-5W的功率值即可满足要求。加热装置可以为电加热线或线圈。优选地，加热装置等间隔串联在超导丝上。
在使用时，超导丝垂直置于待测液氢中，超导丝可以采用单根超导丝、折叠超导丝或者螺旋结构超导丝。恒流源提供临界电流Ic，电压测量装置采集电压测量值。液位计算模块根据预存的电压与超导丝没入液氢长度之间的对应关系，确定电压测量值对应的超导丝长度，根据超导丝长度确定液位。这里需要注意，对应关系所存储的是何种类型超导丝，则进行液位检测时，也采用相应类型的超导丝。如果对应关系存储的是单根超导丝数据，而实际液位检测时采用了折叠超导丝数据，则需要进行倍数的换算。
上述液氢超导液位计的标定方法包括如下步骤：
步骤一、连接液氢超导液位计的各个部件，将超导线浸入装满液氢的杜瓦中。
杜瓦采用石英玻璃材质，内外镀银，并在侧面垂直方向上留有一定宽度的不镀银区域，不镀银区域旁侧带有标尺，用于观察杜瓦内液位，如图2所示。优选地，在杜瓦外部增设两片可相对转动的保护罩；两片保护罩转动到第一位置时，保护所述杜瓦于保护罩内部；两片保护罩转动到第二置时，两片保护罩之间形成一定宽度的观察窗，用于观察所述标尺，如图3所示。
步骤二、令恒流源的输出电流值从0mA逐渐增加，记录电压测量装置采集的电压值，将电压值出现拐点位置所对应的电流值确定为临界电流Ic。
在实际试验过程中，当电压值出现拐点突然跳变增大，之后电流仍继续缓慢增大，以避免拐点的错判，对应电压继续缓慢增加。出现拐点之前液面下超导线是超导态，液面上是失超态；出现拐点之后无论液面上、下整个超导线都是失超态。拐点时电流即为20.369K时临界电流Ic。
在液氢储罐中从液面向下依次存在气液两相沸腾层、热分层和稳定层，由于在实际工作中气液两相沸腾层、热分层一般不使用。将液氢20.369K时临界电流Ic设定为测量电流，可有效去除气液两相沸腾层、热分层部分。
步骤三、将超导线垂直放入空的杜瓦中，直至杜瓦底部；令恒流源输出超导丝的临界电流Ic，电压测量装置采集电压测量值。分多次向杜瓦倒入液氢，通过杜瓦标尺读取杜瓦内液氢液位高度；记录电压测量值及其对应的液氢液位高度；将液氢液位高度转换为超导丝长度；利用电压测量值及其对应的超导丝长度，拟合换算曲线，可用于其他任意液氢液位测量。
本步骤中，超导线可以直接垂直放入杜瓦，或者折叠数次放入杜瓦。折叠方式适用于标定超过杜瓦高度储罐液位。那么读取液位高度和电压值之后，需要将液位按照倍数换算为超导线长度，记录超导线长度与电压的关系。
对于如图2所示的杜瓦，将超导丝对折后放入杜瓦液氢中，向杜瓦倒入液氢，一次倒入5mm(或10mm)直到600mm深，并依此记录不同浸入深度时的电压值及液位深度。如果超导丝采用一次对折形态进行测量，则电压值及液位深度的对应关系等同于电压与超导丝长度对应关系。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种液氢超导液位计，其特征在于，包括：恒流源、安全栅、连接导线、超导丝、加热装置、隔绝电流用电压跟随器、电压测量装置和液位计算模块；
超导丝每隔设定长度串联一组加热装置，加热装置的加热范围覆盖整个超导丝；超导丝两端通过连接导线连接恒流源，形成闭合回路；超导丝与恒流源之间连接安全栅；电压测量装置通过隔绝电流用电压跟随器接入所述闭合回路，测量超导丝两端电压。
根据温度和容器压力需求确定超导丝材料；加热装置的加热功率设置为使得液氢液面之上为失超温度，液面之下不高于超导温度；
超导丝垂直置于待测液氢中，恒流源提供临界电流Ic，电压测量装置采集电压测量值；液位计算模块根据预存的电压与超导丝没入液氢长度之间的对应关系，确定电压测量值对应的超导丝长度，根据超导丝长度确定液位。
2.如权利要求1所述的液氢超导液位计，其特征在于，所述超导丝为单根超导丝、折叠超导丝或者螺旋结构超导丝。
3.如权利要求1所述的液氢超导液位计，其特征在于，所述加热装置为电加热线或线圈。
4.如权利要求1所述的液氢超导液位计，其特征在于，所述加热装置等间隔串联在超导丝上。
5.如权利要求1所述的液氢超导液位计，其特征在于，所述加热装置的加热功率设置为2～5W。
6.如权利要求1所述的液氢超导液位计，其特征在于，超导丝采用二硼化镁超导丝或铌三锗超导丝。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的液氢超导液位计的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，连接液氢超导液位计的各个部件，将超导线垂直放入空的杜瓦中，直至杜瓦底部；所述杜瓦为石英玻璃材质，内外表面镀银，并在侧面垂直方向上留有一定宽度的不镀银区域，不镀银区域旁侧带有标尺，用于观察杜瓦内液位；
然后，令恒流源输出超导丝的临界电流Ic，电压测量装置采集电压测量值；分多次向杜瓦倒入液氢，通过杜瓦标尺读取杜瓦内液氢液位高度；记录电压测量值及其对应的液氢液位高度；将液氢液位高度转换为超导丝长度；利用电压测量值及其对应的超导丝长度，拟合换算曲线，可用于其他任意液氢液位测量。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超导丝的临界电流Ic的获取方式为：
将超导线浸入装满液氢的杜瓦中；令恒流源的输出电流值从0mA逐渐增加，记录电压测量装置采集的电压值，将电压值出现拐点位置所对应的电流值确定为临界电流Ic。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将液氢液位高度转换为超导丝长度为：根据超导丝是否折叠以及折叠次数，将液氢液位高度按倍数转换为超导丝长度。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在杜瓦外部增设两片可相对转动的保护罩；两片保护罩转动到第一位置时，保护所述杜瓦于保护罩内部；两片保护罩转动到第二位置时，两片保护罩之间形成一定宽度的观察窗，用于观察所述标尺。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210316 |