CN1858562A - 浮力式深低温液位计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量深低温液位的仪器。本发明将传感器与大气密封隔离，使它与被测容器的压力相等，因此容许液位计工作在带正压或负压的深低温液槽(如液氮、液氧、液氩和液氢)的液位测量，读数稳定可靠，抗电磁干扰。这种液位计已应用于大型超导托卡马克核聚变试验装置EAST的大电流引线恒温器内液氮槽的液位测量，运行稳定，不受数万安培大电流产生的磁场干扰。

Description

浮力式深低温液位计

技术领域

本发明属于液位测量仪器仪表技术，可与液位自动控制装置连用，特别属于一种用于深低温液位测量的液位计。

背景技术

现市场上适用于深低温(如液氮、液氧、液氩和氦等)液位测量有差压式液位计和射频电容液位计等等。差压式液位计是应用液位高度变化改变底部压力相对于液面的压差变化的原理。对常温液位测量及控制差压式液位计相当方便和普及，商家提供沉入液体的差压传感器和配套的放大器和显示仪表。但对于深低温液体，由于温度远低于差压传感器探头正常工作温区，通常采用分别引出液池底部和气相压力测量管，与差压传感器的正、负接口连接。如果低温液体进入正压测量管，并相对液池底部有一定高差，则差压计实际测到是液池与正压管内液位差，这就导致很大的测量误差。所以差压式液位测量的正确度与正压管的制作和安装施工关系很大，如果能将正压管内低温液体全部汽化，则测量正确度是有保障的。但未经专业训练的设计或施工人员往往忽视这一点，导致液位测量不准确。此外，此正压管必须在深低温液体容器外引出，不能简单地采用从容器上口插入液池底部的管子，因为更难避免管内有液柱，故不便于对临时性试验容器内的液位测量。

射频电容式液位计是应用深低温液体与蒸汽的介电常数差异的原理，测量振荡频率的变化来确定液位变化，可用于液氧、液氮和液氩的液位测量及控制。但实验中发现电容式液位计的液位传感器受磁场影响很大，仅仅数十毫特斯拉(mT)磁场对液位读数从70cm下降至0，而实际液位仅仅变化数mm。

浮力式液位计原理简单，标定简单，也抗电磁干扰。但传感器与大气相通，如果被测液体有压力相对大气压增减时，这相当于探头浮力的变化，导致虚假的液位升降，会产生较大误差，因此不能用于低温液体的液位测量。

发明内容

本发明是提供一种用于深低温液体的液位测量的浮力式深低温液位计，使用高精度(0.5％)拉-压力传感器，其外壳与大气密封隔离，传感器与浮力探头连接并不采用膜片隔离，这容许被测低温液池相对于大气压有正负差压，而不影响测量正确度。

浮力式深低温液位计，包括拉-压力传感器，其特征在于拉-压力传感器安装在和深低温液池连通的密封腔体内，处于室温，深低温液池内有浮力探头，拉-压力传感器和浮力探头之间通过连接杆固定连接，拉-压力传感器的信号线从密封腔体上密封插头座引出，浮力探头重力小于拉-压力传感器的最大拉力量程，而最大浮力小于探头重力。

深低温液体为液氮、液氧、液氩和液氢时，浮力探头采用两端密封的薄壁不锈钢管件；深低温液体为液氦时，浮力探头采用两端密封的环氧管件。

浮力探头可选择不锈钢或环氧管等材料制作。

为增加测量灵敏度，可根据条件选择较大的探头直径d，因为浮力F与探头排开的液体重力成比例。下式中ρ液体密度，H是液位高度，它与等式右边的分母乘积是液体的质量。如果d和ρ的单位分别选cm和g/cm³，则F的单位g·f或×9.81mN。

$H=\frac{F}{0.7854d^2\mathrm{\ρ}}$

液氮、液氧、液氩、液氖、液氢和液氦等深低温液体的蒸汽对拉-压力传感器无毒害。对于容器内压力高的液位测量，则要求传感器的密封外壳强度增强，并采用承压的密封插头座引出信号线。对于汽化潜热较大的低温液体如液氮、液氧、液氩和液氢等浮力探头宜采用薄壁不锈钢管件制作，但对汽化潜热相对小、密度又小的液氦，浮力探头应采用热导率更低、比重小的环氧管件制作，浮力探头和传感器之间的连接件也采用中空的环氧管制作。

本发明液位计用于在带正压或负压的深低温液槽(如液氮、液氧、液氩和液氢)的液位测量，读数稳定可靠，抗电磁干扰。已应用于大型超导托卡马克核聚变试验装置EAST的大电流引线恒温器内液氮槽的液位测量，运行稳定，不受数万安培大电流产生的磁场干扰。

附图说明

图1为本发明浮力式液位计结构示意图。

图2为安装在超导托卡马克核聚变实验装置EAST的大电流引线低温恒温器内液氮槽中的浮力式液位计示意图。

具体实施方式

参见附图1、2。

图中标号：1、拉-压力传感器，2、传感器密封外壳，3、法兰，4、浮力探头的连接杆，5、防摆件，6、浮力探头，7、液氮槽，8、承压外壳，9、传感器信号线引出密封插座，10、放大/变送器，11、数显仪器，12、数据采集卡。

防摆件5是一个带有中空的限位座，连接杆4由环氧管制作，防摆件5防止连接杆4摇摆。浮力探头6是一个空心的不锈钢圆筒，和连接杆4固定连接，位于液氮槽7内，液氮槽7外有承压外壳8。连接杆4上端安装在拉-压力传感器1上。法兰3一方面安装外壳2，另一方面也为拉-压力传感器1提供一个支撑作用，拉-压力传感器1位于法兰3上，拉-压力传感器1信号线从传感器信号线引出密封插座9引出。从拉-压力传感器1出来的信号经放大/变送器10分别至数显仪器11和数据采集卡拉12。

超导托卡马克核聚变实验装置的空分制氧设备和为高温或低温超导装置致冷/供冷系统都需要深低温液位测量，贮存深低温液体的容器有一定压力，有的还需减压(即负压)过冷。在使用差压式液位计时常常出现不可靠；曾寻求电容射频液位计解决，但遇到了电磁干扰；为此才研发本浮力式液位计。

本发明浮力式液位计已经历连续10天实际运行考验，从计算机采集的数据看，测量准确度±9mm，达到传感器本征分辨率，而且读数稳定，也不受电磁干扰。本液位计标定简单，在安装前用水检验标定的精度。使用期间曾向容器连续加液氮，直到溢流口，溢流时的液位读数与溢流口的高度吻合。这说明浮力式液位计完全能满足低温系统自动控制的要求，它也不受超导磁体的电源馈线通过数千至数万安培电流产生的磁场影响。与此对比的是同时配备的差压式液位计的测量，不仅误差大，而且读数跳动幅度高达2cm。

Claims (2)

1、浮力式深低温液位计，包括拉-压力传感器，其特征在于拉-压力传感器安装在和深低温液池连通的密封腔体内，处于室温，深低温液池内有浮力探头，拉-压力传感器和浮力探头之间通过连接杆固定连接，拉-压力传感器的信号线从密封腔体上密封插头座引出，浮力探头重力小于拉-压力传感器的最大拉力量程，而最大浮力小于探头重力。

2、根据权利要求1所述的浮力式深低温液位计，其特征在于深低温液体为液氮、液氧、液氩和液氢时，浮力探头采用两端密封的薄壁不锈钢管件；深低温液体为液氦时，浮力探头采用两端密封的环氧管件。