CS244341B1

CS244341B1 - Liquid helium level's continuous measuring device

Info

Publication number: CS244341B1
Application number: CS849597A
Authority: CS
Inventors: Lubomil Jansak; Jan Kokavec; Jakub Koscak
Original assignee: Lubomil Jansak; Jan Kokavec; Jakub Koscak
Priority date: 1984-12-11
Filing date: 1984-12-11
Publication date: 1986-07-17
Also published as: CS959784A1

Description

Vynález sa týká zariadenia na kontinuálně meranie hladiny kvapalného hélia, so zníženým prívodom tepla do hélia.The invention relates to a device for continuously measuring the level of liquid helium, with reduced heat input to the helium.

V súčasnosti sa pre meranie úrovně hladiny kvapalného hélia používajú diskrétně bodové úrovňomery. Tieto indikujú či hladina hélia je pod, alebo nad snímačom bodového úrovňomera. Vhodným elektronickým spracovaním signálu z takéhoto úrovňomera sa napr. pomocou dvoch světelných diód róznych farieb indikujú mimo kryostatu tieto dva stavy. Sústavou vlacerých bodových úrovňomerov je možné získat hrubú představu o úrovni hladiny kvapalného hélia v kryostate, připadne ich použit na zvukové upozornenie obsluhy na potřebu doliatia kvapalného hélia.At present, discrete point level meters are used to measure the level of liquid helium. These indicate whether the helium level is below or above the level sensor. By suitable electronic processing of the signal from such a level meter, e.g. using two different color LEDs, these two states indicate outside the cryostat. With a set of variable point level meters, it is possible to get a rough idea of the level of liquid helium in the cryostate, or to use it to sound the operator for the need to add liquid helium.

Nevýhodou takýchto úrovňomerov je, že odporové snímače bodových úrovňomerov sú trvale napájané prúdom, ktorý musí byť dostatočne velký pre ich správnu činnost. Teplo vznikajúce v snímači sposobuje odparovanie kvapalného hélia, pričom 1 W příkonu v snímači odpaří za hodinu přibližné 1,4 1 kvapalného hélia. Poměrně velký rozptyl hodnoty odporu snímačov pri teplote kvapalného hélia, ako aj hodnoty změny odporu snímača nachádzajúceho sa v kvapalnom héliu a odporu snímača nachádzajúceho sa nad hladinou kvapalného hélia znemožňuje použitie vyhodnocovacej elektroniky k různým snímačom bez dodatočnej kalibrácie. Okrem diskrétnych úrovňomerov sa používajú aj kontinuálně úrovňomery, ktorých snímač je vytvořený zo supravodivého drotu vhodnej dížky, na ktorý je navinutý vyhrievací drot. Pre správnu funkciu snímača je nutné do vyhrievacieho vinutia privádzať příkon niekol’ko mW na cm dížky snímača. Pre zníženie příkonu sa zhotoviljú snímače zo supravodivého materiálu s nízkou kritickou teplotou. Ich nevýhodou je, že v magnetických poliach v blízkosti magnetu, keď sú umiestnené nedávajú správné údaje. Iný sposob zníženia příkonu v snímači a teda zníženia odparu hélia je, že sa vyhrievanie snímača zapína len pri kontrole úrovně hélia, čo zvyšuje náročnost na obsluhe.The disadvantage of such level meters is that the resistance sensors of the point level meters are continuously supplied with a current which must be large enough for their correct operation. The heat generated in the sensor causes evaporation of the liquid helium, with 1 W of power in the sensor vaporizing approximately 1.4 L of liquid helium per hour. The relatively large dispersion of the sensor resistance values at the liquid helium temperature, as well as the change in resistance values of the sensor located in the liquid helium and the resistance of the sensor located above the liquid helium level make it impossible to use the evaluation electronics for various sensors without additional calibration. In addition to discrete level gauges, level gauges are continuously used, the transducer of which is formed from a superconducting wire of suitable length on which a heating wire is wound. For the correct function of the sensor, it is necessary to supply the heating coil with a power input of several mW per cm of sensor length. To reduce power consumption, sensors are made of superconducting material with a low critical temperature. Their disadvantage is that they do not give the correct data in the magnetic fields near the magnet when placed. Another way of reducing power consumption in the sensor and thus reducing helium vapor is that the sensor heater is only turned on when the helium level is checked, which increases operator demand.

Uvedené nevýhody v podstatnej miere odstraňuje zariadenie na kontinuálně meranie hladiny kvapalného hélia podta vynálezu, ktorého podstata spočívá v tom, že jeden výstup bloku riadiacej logiky je spojený so zdrojom vyhrievacieho prúdu a druhý výstup riadiacej logiky je spojený s meracou a zobrazovacou jednotkou.The above-mentioned disadvantages are substantially eliminated by the liquid helium level measuring device according to the invention, characterized in that one output of the control logic block is connected to the heating current source and the other control logic output is connected to the measuring and display unit.

Výhodou navrhnutého zariadenia na kontinuálně meranie hladiny kvapalného hélia, je zníženie teplotného příkonu, ktorý snímač privádza do hélia. Impulzné napájanie umožňuje zmenšit prierez elektrických prívodov ku snímačů a tým znížiť tepelný tok do kryostatu cez tieto přívody. Dalšou výhodou je, že meranie je automatické, hodnota výšky hladiny kvapalného hélia je v číslicovom tvare trvale zobrazovaná medzi meraniami. Navrhnuté zariadenie umožňuje kontinuálně meranie úrovně kvapalného hélia s vysokou presnosťou, potřebnou napr. pre meranie velkosti odparu hélia v danom kryogennom zariadení. Supravodivý snímač može byť vyrobený z materiálu s vyššou kritickou teplotou, čo umožňuje správnu funkciu úrovňomera aj v tesnej blízkosti vačšiny supravodivých magnetických systémov. Rozptyl parametrov snímačov je vel'mi malý, čo umožňuje použit elektronickú časť kontinuálneho úrovňomera k viacerým snímačom.The advantage of the proposed device for continuously measuring the level of liquid helium is the reduction of the thermal input that the sensor brings into the helium. Impulse power supply allows to reduce the cross-section of the electrical leads to the sensors and thus reduce the heat flux to the cryostat through these leads. Another advantage is that the measurement is automatic, the value of the level of liquid helium is permanently displayed in digital form between the measurements. The proposed device enables continuous measurement of the level of liquid helium with high accuracy, e.g. to measure the helium vapor size in a given cryogenic device. The superconducting transducer can be made of a material with a higher critical temperature, allowing the level meter to function properly in close proximity to most superconducting magnetic systems. The dispersion of the sensor parameters is very small, which allows the electronic part of the continuous level meter to be used for several sensors.

Na pripojenom výkrese je znázorněná bloková schéma zariadenia na kontinuálně meranie hladiny kvapalného hélia.The attached drawing shows a block diagram of a device for continuously measuring the level of liquid helium.

Supravodivý snímač S pozostáva zo supravodivého drotu, opatřeného vyhrievacím vinutím V. Supravodivý drot je připojený na zdroj konštantného prúdu ZP1, potenciálové přívody supravodivého snímača S sú připojené na meraciu a zobrazovaciu jednotku MZJ. Vyhrievacie vinutie V supravodivého snímača S je připojené na zdroj vyhrievacieho prúdu ZP2, ktorý je připojený na výstup 1 riadiacej logiky RL. Meracia a zobrazovacia jednotka MZJ, připojená na výstup 2 riadiacej logiky RL.The superconducting sensor S consists of a superconducting wire provided with a heating coil V. The superconducting wire is connected to a constant current source ZP1, the potential leads of the superconducting sensor S are connected to a measuring and display unit MZJ. The heating coil V of the superconducting sensor S is connected to a heating current source ZP2, which is connected to the output 1 of the control logic RL. Measuring and display unit MZJ, connected to output 2 of control logic RL.

Zariadenie na kontinuálně meranie hladiny kvapalného hélia pracuje nasledovným sposobom. V intervaloch určených riadiacou logikou RL sa na dobu menšiu ako 0,3 s, zopne zdroj vyhrievacieho prúdu ZP2, připojený na vyhrievacie vinutie v snímača S. Počas tejto doby sa supravodivý drot snímača zohreje v časti nad hladinou kvapalného hélia tak, že přejde zo supravodivého stavu do normálneho stavu, kým časť supravodivého drotu snímača nachádzajúca sa v kvapalnom héliu zostane v supravodivom stave. Úbytok napátia na snímači pretekanom konštantným prúdom zo zdroja konštantného prúdu ZP1 je priamo úměrný dížke časti snímača, ktorá sa nachádza nad hladinou kvapalného hélia. Za účelom získania signálu úměrného dížke časti snímača, ktorá sa nachádza v kvapalnom héliu, sa v diferenciálnom elektronickom obvode, ktorý tvoří vstupnú časť meracej a zobrazovacej jednotky MZJ, signál zo snímača odčítá od konštantného napátia rovnému velkosti signálu zo snímača, ktorý sa celý nachádza nad hladinou kvapalného hélia. Takto získaný signál sa po zosilnení prevedie do číslicové]' formy tak, aby jeho hodnota v číslicovej formě bola rovná výške hladiny kvapalného hélia v jednotkách dížky, napr. cm. Po převode signálu do číslicovej formy sa táto zobrazí na zobrazovacej jednotke do dalšieho vyhrievacieho impulzu. Meranie, spracovanie a zobrazenie hodnoty signálu prebieha před koncom doby trvania vyhrievacieho impulzu a je rladené impulzom generovaným v riadiacej logike RL. Hodnota poměru doby medzi jednotlivými vyhrievacími impulzami a dížkou vyhrievacieho impulzu určuje kolkokrát je příkon privádza244341 ný do vyhrievacieho vinutia snímača menší, ako v případe spojitého vyhrievacieho prúdu.The device for continuously measuring the level of liquid helium operates in the following manner. At intervals determined by the control logic RL, for less than 0.3 s, the heating current source ZP2 connected to the heating coil in the sensor S is switched on. the portion of the superconducting sensor wire in the liquid helium remains in the superconducting state. The voltage drop across the sensor flowing through the constant current from the constant current source ZP1 is proportional to the length of the part of the sensor located above the liquid helium level. In order to obtain a signal proportional to the length of the part of the sensor which is located in liquid helium, in the differential electronic circuit that forms the input part of the measuring and display unit MZJ, the signal from the sensor is subtracted from constant voltage equal to the liquid helium. The signal thus obtained is converted into digital form after amplification so that its value in digital form is equal to the level of liquid helium in units of length, e.g. cm. After the signal is converted to digital form, it is displayed on the display unit to the next heating pulse. The measurement, processing and display of the signal value takes place before the end of the heating pulse duration and is controlled by the pulse generated in the control logic RL. The value of the ratio of the time between the individual heating pulses and the heating pulse length determines the number of times the power supplied to the sensor heating coil is less than in the case of a continuous heating current.

Impulzný charakter vyhrievacieho prúdu umožňuje použit podstatné menší priemer elektrických prívodov k vyhrievaciemu vinutiu, čím sa dosiahne dalšie zníženie prívodu tepla do kvapalného hélia vedením tepla po prívodoch.The impulse character of the heating current allows the use of a substantially smaller diameter of the electrical leads to the heating coil, thereby achieving a further reduction in the heat input to the liquid helium by conducting heat along the leads.

Vynález može nájsť využitie v oblasti výskumu a využitia supravodivých systémov a kryogenných zariadení pracujúcich s kvapalným héliom.The invention can be used in the field of research and utilization of superconducting systems and cryogenic devices operating with liquid helium.

Claims

The continuous helium level measuring device consists of a superconducting transducer whose superconducting wire is connected to a constant current source and its heating coil is connected to a heating current source, the superconducting transducer potential terminals being connected to a measuring and display unit. the control logic output (1) is connected to the heating current source (ZP2) and the control logic output (2) is connected to the measuring and display unit (MZJ).