CN1973190A - 使用液面探测器测量液态低温致冷剂液面的方法 - Google Patents

Abstract

一种用来测量液态低温致冷剂的液面的方法，包括以下步骤：把该液态低温致冷剂液面探测器浸入液态低温致冷剂内；使得传送电流施加于该加热器(26)，以便使超导材料(22)的一部分加热到临界温度以上，由此使得一常态的电阻锋面沿着该超导材料传播到该液态低温致冷剂的液面上；将该传送电流从加热器上除去；向该超导材料施加一测量电流；测出在该超导材料两端的电压，由此确定液态低温致冷剂的液面。特别的，该方法包括以下步骤：当施加该传送电流时，检测(40)在该超导材料两端的该电压的量级；以及基于当该超导材料两端的所测出的电压超过一确定的阈电平时，停止施加该传送电流。

Description

使用液面探测器测量液态低温致冷剂液面的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量液态低温致冷剂的液面的液面探测器，具体地说，涉及一种包括一段超导材料的液面探测器，及其改进的使用方法。

特别是，本发明涉及控制一种加热器的控制，该加热器使得常态电阻锋面沿着低温致冷剂液面探测器的超导材料传播，从而实现对液态低温致冷剂液面的测量。

背景技术

图1示出了一种例如可用于安装MRI(磁共振成象)系统的磁体线圈的低温恒温器。低温容器1装有液态低温致冷剂(cryogen)2。在低温容器中位于液态低温致冷剂液面上方的空间3可以充满蒸发的低温致冷剂。低温容器装在真空外套4的内部，该真空外套通过减少低温容器1的热传导和热对流的可能性从而降低从环境温度流向低温致冷剂2的热量。在低温容器1与真空外套4之间的真空空间中设有一个或更多个隔热屏5，这些隔热屏可用来减少从外部传到低温容器1的辐射热量。设置有一个允许从外部进入低温容器1的入口颈部6。该颈部可以用来将低温容器注满，为电线和其他引线提供通向安装在低温容器内的与超导线圈的入口，并且为蒸发成气态的低温致冷剂提供一条逸出通道。

在上述系统中，只要系统还处于运行状态，就需要经常地监测液态低温致冷剂的液面。需要检查泄漏(过高的低温致冷剂消耗量表示出这种泄漏)并且保证在适当的时间间隔内低温致冷剂是充满的。需要保证磁体线圈或其他物件处于由液态低温致冷剂冷却的状态。在低温致冷剂液面低时，磁性零件的温度将比它在低温致冷剂液面高时的温度更高。在超导磁体的情况下，这可能导致磁体失超(quench)，这种失超对于该系统可能是危险的并且会对该系统造成损害。由于该线圈在其常态状态下的较高电阻所引起的能量损失，使得线圈中的电流减少，其结果也会导致磁场破坏。但是，该测量过程应该不会代表对该系统的过度的热量输入。一般认为，每天测量一次液态低温致冷剂的液面是足够的。

在低温室内设置有一个用来安装低温致冷剂液面探测器的导管10。导管10从入口颈部6延伸到接近低温容器的下端。该导管的末端不封口，而是使得液态低温致冷剂加注到低温室中液态低温致冷剂的液面。导管10装有一低温致冷剂液面探测器，以便用来测量液态低温致冷剂2在低温容器1内的深度。

图2示出了现有技术的一种低温致冷剂液面探测器。柔性的保护承载器20，例如是由不锈钢，尼龙，玻璃纤维复合材料，特氟隆或其他合适的材料制成的一套管或一端部开口的穿孔或多孔管，携带一超导材料的带材或线材22。该超导材料的带材或线材22只沿一方向向下延伸该探测器的长度。在该实施例中，回行电流通路导体23与超导材料的带材或线材22的远端24相连接。该导体是常态的电阻材料如铜。其他不同形式的探测器包括将超导材料的带材或线材22本身向后弯成U-形的低温致冷剂液面探测器。在该实施例中，在探测器的远端24处不需要另外的接线。小电阻丝加热器26与超导材料的带材或线材22的一端相连接，并与其形成紧密的热触点。该加热器具有约4Ω的电阻，并且必须是由在所关心的温度范围内是电阻性的材料制成。例如镍-铬，或康铜丝等甚至在大约4K的绝对温度下都能保持高电阻的材料。

在使用时，所设置的电源28提供通过加热器26、超导的带材或线材22、以及回行电流通路导体23的串联组合的电流i。差动放大器30或其他适合的检测器通过电压感测导线25，27分别与正好位于加热器26下面的超导的带材或线材22以及超导的带材或线材22的远端相连接。差动放大器30或其他适合的检测器对于跨接在位于电压感测导线的各个连接点之间的这部分超导的带材或线材22上的电压是否存在进行检测。在某些探测器中，电压检测器与超导材料的带材或线材22上的不同位置相连接。在所示类型的实施例中，超导材料的带材或线材22只沿一个方向从探测器的顶部向底部延伸，电压感测导线可以与超导材料的带材或线材22的端部相连接。另一个方案是，上面的电压感测导线25可以连接在加热器下面的某个距离的位置上，以便当低温恒温器用较少的氦灌注时，能提供一种可以给出满液面(100％)的低温致冷剂液面探测器。

在使用时，将低温致冷剂液面探测器是浸入待测量的液态低温致冷剂中，例如将它轻轻地滑入图1所示的导管10中。当电流i流动时，加热器26将与超导的带材或线材22相邻的部分加热到临界温度以上，因而这部分就变成有电阻的。在超导材料的带材或线材22被弯成U-形的某些实施例中，超导材料的带材或线材22的两端都可以被加热，因而都变成有电阻的。加热器和由超导材料的带材或线材22的电阻部分所提供的任何其他热量都会导致常态电阻锋面(normalresistive front)沿超导的带材或线材22向下传播，直至该锋面达到低温致冷剂液面为止。低于该位置，低温致冷剂将保持该超导的带材或线材22低于它的临界温度。

由于超导的带材或线材22在超导状态下是没有电阻的，而超导的带材或线材电阻部分的电阻与其长度成比例，因此，电阻部分的长度以及低温致冷剂的液面就可以通过提供流过超导材料的带材或线材22的电流i并测量跨接电阻部分两端所得到的电压来确定。由差动放大器30或其他适合的检测器的输出所表示的这个电压与超导的带材或线材22的电阻部分的(总)长度成比例，由此就表示出超导的带材或线材22高出液态低温致冷剂的液面的量，因而也就表示出液态低温致冷剂的液面。这种装置已经在例如美国专利3,496,773，和3,943,767中进行了描述。

在现有技术中，将一小的读出电流(通常是恒定电流)施加在加热器和超导的带材或线材22上。加热器可以加热(或不加热)到足以使超导的带材或线材22的相邻部分失超的温度，这取决于该测量过程开始时该部分的温度。如果读出电流过小，失超过程就不会开始，也不会传播常态电阻(失超)锋面。如果读出电流过大，由超导的带材或线材22所产生的热量将形成一围绕超导的带材或线材22且位于液态低温致冷剂表面下的气体层，此时显示的液面将低于液态低温致冷剂的实际液面。在极端情况下，如果读出电流足以在超导的带材或线材22周围产生一足以一直达到其下端的气体层，就可能显示出“零液面”。

现在参照图3来讨论图2所示的液态低温致冷剂液面探测器的另一已知的操作方法。图3示出了由电源2施加在加热器26和超导的带材或线材22的串联组合上的脉冲电流。该电流i先急剧地上升到一短暂的峰值，然后降到一稳定值并保持一相当长的时间段。该相当长的稳定期所显示的电流为250mA，时间周期约为10秒，而短暂的峰值所显示的电流为400mA，持续时间约为20毫秒。该液面探测器的预定操作如下。短暂的高峰值电流是用来将超导的带材或线材22的相邻部分加热，使它高于其临界温度。然后该部分就变成有电阻的。由电阻器26所产生的热量和由测量电流流过超导的带材或线材22的电阻部分所产生的附加热量将把常态电阻(失超)锋面传播到液态低温致冷剂的表面，由于超导的带材或线材22的剩余部分被液态低温致冷剂保持在它的临界温度以下，所以电阻锋面的传播到此处停止。在适当长的一段时间以后(但是仍然在稳定期)，用差动放大器30或其他合适的检测器将跨接在超导的带材或线材22上检测的电压记录下来。低温致冷剂容器内的低温致冷剂的深度就可以由这个检测出的电压计算出来。

美国专利3,943,767描述了一种如图2所示的这种液态低温致冷剂液面探测器的操作方法。按照该专利，在超导的带材或线材22上施加一恒定的读出电流，并且监测该检测电压的上升速度。当该电压的上升速度降到接近零时，通常即可认为常态电阻(失超)锋面已经到达该液态低温致冷剂的上表面，即可用该电压来确定液面，并且将读出电流中断。

美国专利4,118,984和3,496,773描述了某些相类似的装置，如同欧洲专利申请EP0076120所描述的那样。

上述低温致冷剂液面的显示方法和装置是常规的，在这些常规的装置和方法中，存在以下问题。

在图3中示出的这种操作方法不是非常可靠的。短暂的初始峰值可能不足以可靠地在超导的带材或线材22中引发失超。如果该短暂的初始峰值的数值或持续时间增大，那么就存在过度加热该超导线材的风险，使得常态(失超)的锋面在液态低温致冷剂表面下传播，从而给出一个低温致冷剂深度的不真实的较小的读数。

在空间3中存在着汽化低温致冷剂的情况下，低温致冷剂液面探测器被汽化的低温致冷剂所冷却，这意味着，将电阻的失超锋面一直传播到液态低温致冷剂的表面上是困难的。这种困难在过去已经通过增加供给加热器的电流i，从而增加供给超导的带材或线材22的热量，以及改进电阻的失超传播而得到克服。但这样做又引起另外的一些问题。特别是(但不是唯一的)，当低温致冷剂容器比较空时，由加热器26和超导的带材或线材22的电阻部分所提供的热量可以把超导的带材或线材22加热到这样的程度，以至使失超锋面被传播到在液态低温致冷剂表面以下。

发明内容

本发明提供了一种用于图2所示的液态低温致冷剂液面探测器的改进的操作方法，以便以这种方式来解决已知操作方法中至少某些问题。

因此，本发明提供了如后附权利要求书中所限定的方法。

附图说明

本发明上述的和其他目的，特征和优点通过研究只作为例子给出的本发明的某些实施例，连同参考附图将一清二楚，其中：

图1示出了从本发明的应用中获益的低温恒温器；

图2示出了可按照本发明操作的液态低温致冷剂液面探测器；

图3示出了一电流脉冲，该脉冲先急剧地上升到一短暂的峰值，然后降到一稳定值，并且保持相当长的时间段；

图4示出了依据本发明的实施例的装置；

图5示出了依据本发明的一实施例的一方面的电流脉冲。

具体实施方式

如图4所示，根据本发明一个方面，控制电路40设置用来接受差动放大器30或其他电压检测器的输出。根据从差动放大器30或其他电压检测器所接受的输出，该控制电路沿着反馈路径42向电源28产生一控制信号。

根据本发明，该低温致冷剂液面探测器的操作如下。根据控制电路40的指令，首先使得一个数值较高的传送电流通过加热器26、超导的带材或线材22、和回行电流通路23加到电源28上。由于超导的带材或线材22至少最初还处于超导状态，检测器30将测不到电压。控制电路40将保持电流i处于其相当高的传送水平。由于电流i处于这样的高值，超导的带材或线材22的相邻部分将失超，并进入电阻状态。一个相应检测电压将会在跨接在超导的带材或线材22的对应部分上产生。该电压可由检测器30测出并且将被提供给控制电路40。该检测电压表示超导的带材或线材22的那个部分已经被失超并且处于导体的常态电阻传导模式。

配置控制电路40的目的是，一旦某一电压水平由检测器30测出时，就停止由电源28提供的传送电流。在一实例中，如果检测器30测出的最大电压为约27V，它只可能是在测量出低温容器是空的并且整个超导的带材或线材22处于常态模式时所产生的结果，因而只要测出的电压是0.5V，控制电路40就停止传送脉冲。在另一个实施例中，用于关闭传送电流的阈电压可以设定为与液态低温致冷剂的“充满”液面相对应的电压。当然其他值和比例也可以被选择和确定，以便基于日常的试验和误差为基础提供最佳的性能。一旦处于传送电流被停止的情况下，电源28将提供一测量电流，以便把常态电阻(失超)锋面传播到液态低温致冷剂的表面，并且测量该液态低温致冷剂的液面。传送电流和测量电流的数值可以分别是，例如，400mA和250mA.

由于只是在跨接超导的带材或线材22时所测出的电压为预定电压的情况下才停止传送电流的，该传送电流就只是在失超确实开始的情况下才被停止，从而避免了超导的带材或线材22实际上没有被失超的可能性。同样地，应当尽可能快地停止该传送电流，以便减少超导的带材或线材22过热的可能性。

传送电流的持续时间取决于超导的带材或线材22的初始温度，也适应于每次测量时探测器的温度。此外，本发明所述的方法适应于探测器特性方面的变化。例如，为了引发失超，不同的探测器可能需要不同程度的加热，并且不同的加热器可以为相同的外加电流提供不同的热量输出。

在标称相同的探测器之间的一个典型的变化是焊接接头引入的变化，这些焊接接头通常用来在超导的带材或线材22与加热器26之间或者在电压感测导线25，27与超导的带材或线材22之间提供电气的相互连接。没有两个焊接接头是相同的，并且为了克服每个焊接接头的热阻抗将需要不同的加热水平。

使得检测器30与超导的带材或线材22相连接的电压感测导线25，27也提供了对于加热器的一热排出口。

图1中所示的导管10具有一定的导热性，它将在某些位置上与液面探测器相接触。因此，这样将存在一个不可预见的热载荷，并且可能阻止失超在已知装置中的发生。

在低温容器1内的气态低温致冷剂可能是分层的，这意味着加热器所处的周围温度高于低温致冷剂的沸点。在这种情况下，开始失超所需要的热量将比从较低沸点开始失超所需要的热量减少，这可能是所期望的。

在已知系统中，需要限定传送电流和传送持续时间，以便克服这些变化给出相当可靠的失超引发。但是这将在某些探测器中产生常态电阻锋面的过度传播的缺点，同时在某些其他探测器中还可能停止引发失超。通过使用跨接在超导的带材或线材22上所测定的电压的反馈，本发明可以保证失超传播开始，并使加热尽可能快地停止，以便避免由于超导的带材或线材22的过热而产生测量误差，并且可以使由于测量过程所产生的低温致冷剂汽化减少到最低水平。

在一个实施例中，超导材料具有铜镍合金包层。这样，在超导件处于常态状态时可以使该线材在单位长度上具有已知的电阻，并且可以使该线材具有较小的电阻温度系数。超导材料本身可以是其转变温度在该液态低温致冷剂的沸点以上的任何超导材料。对于使用液氦作为低温致冷剂的系统来说，具有临界温度为9K的铌钛(Nb-Ti)超导合金对于该系统是适合的。

在对本发明方法的一个改进措施中，可以将例如±10％变化的波动引入测量电流中。如果探测器30显示的测量电压也波动一个相应的±10％，这样就可以确定，电阻失超锋面已经传播到液态低温致冷剂的表面上。如果常态(失超)锋面没有传播到液态低温致冷剂的表面，测量电流仍然会帮助该锋面的传播。在这种情况下，测量电流中±10％的变化将不会在由探测器30测出的电压中产生相应的变化。由于不存在相应的波动检测，测量电流将继续作用，直到检测到该相应的波动为止。

对本发明方法的另一个改进措施是，当探测器的超导的带材或线材具有一个已经传播到低温致冷剂的液面上的常态锋面并且测量电流正在用来确定液态低温致冷剂液面时，检测出在所检测电压中的变化。电压由于随着局部的气体运动(并由此实际液面发生了改变)而改变的液面的变化而发生波动。在探测器的超导的带材或线材具有一已经传播的常态锋面从而使该常态电阻锋面沿该超导的带材或线材22向下移动的情况下，电压检测器30将给出一个显示特定的低温致冷剂液面的恒定的电压读数。如果超导的带材或线材22与其他器材(例如一个导管或氦探测器壳体)处于相当良好的热接触状态，由该探测器的恒定的电压输出所显示的液面就可能是虚假的，它不代表液态低温致冷剂的液面，而是表示在该探测器上的热载荷的位置。为了确定是否已经到达液态低温致冷剂液面，需要检查探测器30的电压。当测量电流流过超导的带材或线材22的电阻(失超)部分时，热量将会产生。该热量将会至少在超导的带材或线材22与液态低温致冷剂相接触处的附近引起液态低温致冷剂表面的汽化。这种汽化作用将使液态低温致冷剂的液面产生小的变化，并由此使测量电压产生小的变化。如果可以测出由该汽化表面引起的电压波动，该电压水平就可以用来给出正确的液态低温致冷剂的充填液面。如果不能测出电压波动，在超导的带材或线材22上的常态传播锋面就可能发生“卡住”。如果使得引起常态锋面沿超导的带材或线材22向下传播的热量由于它与其他器材相接触而从超导的带材或线材22传导出去时，这种情况发生。这样就需要在超导的带材或线材22中产生附加的热量，以便该电阻锋面可以进一步传播。在这种情况下，应当增加来自恒定电源的电流，以便能测出液面，该液面可以通过测出在另一测得的电压水平上的电压波动来证实。

在本发明的另一个改进措施中，施加在加热器上的传播电流可以不是一恒定的电流而可以是一直线上升的电流。例如，施加在加热器26和超导的带材或线材22上的传送电流i可以具有如图5中所示的时间曲线。该施加的传送电流i开始时快速上升，随着传送电流i数值的增加，其增加的速度逐渐变慢。使该电流先快速增加到预期能使加热器引起常态锋面传播的数值。然后在该位置上使电流变化速度减少，以便一测出常态电阻线材就立即关闭加热器传送电流。

一旦当超导的带材或线材22的一部分已经失超并且进入其常态电阻状态时，电压检测器30将可检测出一个相应的电压，该电压是超导的带材或线材22的失超部分的电阻与该电流i的数值的乘积。当常态的电阻(失超)锋面向着液态低温致冷剂的表面传播时，该电压的数值将随着电流数值的增加而增加，并且也随着超导的带材或线材22电阻的增加而增加。当测出的电压符合根据控制电路40所确定的阈值(图5中的时间t_t处)时，一个信号就沿着反馈通路42送出，以便用来控制电源28，以便将电流i减少到其测量值。允许有一确定的延迟周期，以便保证常态的电阻(失超)锋面传播到液态低温致冷剂的表面上，然后将探测器30在时间t_m处测出的电压例如通过控制电路40记录下来，并且使用该电压来确定液态低温致冷剂的液面。

本发明的方法还可以用于例如在图2和图4中示出的探测器中，其中，超导的带材或线材22只沿着该探测器的长度的一个方向运动。本发明还可以用于具有弯成U形的超导的带材或线材的探测器。

在本发明的可供选择的实施例中，在超导的带材或线材22的加热器端的电压感测导线25可以处于不同位置。这种连接可以如图4中所示的那样，位于在超导的带材或线材22与加热器之间的超导的带材或线材22的顶部，或者在加热器的另一端。用来关闭流向加热器的传送电流的阈电压也可以是不同的。该电压可以这样设定，使得在加热器下面的超导的带材或线材22转变成常态状态。两个位置都可以与不同的阈电压一起使用，以便在实现读出电流以前，能够获得在失超引发中的相同的改进。然后对于任何探测器结构来说，都可以改变100％的充填液面和比例。

上面已经参照几个特定的实施例描述了本发明，其中，将加热器和超导的带材或线材设置成串联形式，并且使用一个单独的电源通过该串联的结构来提供电流i。在另外一些可供选择的实施例中，电流可以分别地施加于加热器和超导的带材或线材，使得传送电流只施加于加热器中，而测量电流只施加于超导的带材或线材。

Claims (9)

1.一种用来测量液态低温致冷剂的液面的方法，包括以下步骤：

-提供一低温致冷剂液面探测器，该探测器包括一段长度的超导材料(22)、用于将电流施加于该超导材料的装置(28)、用来加热该超导材料的加热器(26)、以及用来测量该超导材料两端的电压的装置(30)；

-把该液态低温致冷剂液面探测器浸入液态低温致冷剂内；

-使得传送电流施加于该加热器，以便使该超导材料的一部分加热到临界温度以上，由此使得一常态的电阻锋面沿着该超导材料传播到该液态低温致冷剂的液面上；

-将该传送电流从加热器上除去；

-向该超导材料施加一测量电流；

-测出在该超导材料两端的电压，由此确定液态低温致冷剂的液面；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

-当施加该传送电流时，检测(40)在该超导材料两端的该电压的量级；以及

-基于当该超导材料两端的所测出的电压超过一确定的阈电平时，停止施加该传送电流。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于，该加热器和该超导材料电气连接成串联形式，该传送电流和该测量电流代表通过该串联连接的该加热器和该超导材料施加的电流的不同的数值。

3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

-将波动引入该测量电流中；

-当施加该测量电流时，检测在该超导材料两端的所述电压的量级中的相应波动；

-基于测出相应的电压波动，当施加该测量电流时，接受在该超导材料两端上的该电压量级当作该液态低温致冷剂的液面的指示。

4.权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：基于测出没有相应的电压波动，继续施加该测量电流，直到检测出该相应的波动。

5.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

-检测在该测出电压中的电压波动；

-基于测出的电压波动，接受该测出电压以便用来确定液态低温致冷剂的液面；以及

-基于测出没有电压波动，增加该测量电流并且重复检测在该测出的电压中的电压波动的步骤。

6.前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，施加于该加热器上的该传送电流在施加时量级增大。

7.权利要求6所述的方法，其特征在于，该传送电流的量级开始时快速上升，随着传送电流的量级的增加，其上升率逐渐变慢。

8.前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该阈电平与一个指示液态低温致冷剂的最大预期液面的电压相对应。

9.一种大体上如在附图的图4-5中所描述和/或图示的方法。

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