DE1288329B

DE1288329B - Verfahren und Vorrichtung zur Anzeige des Fuellstandes von kryogenischen Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1288329B
Application number: DES95386A
Authority: DE
Inventors: Dumas Guy
Original assignee: Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA
Current assignee: Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA
Priority date: 1964-02-25
Filing date: 1965-02-10
Publication date: 1969-01-30
Also published as: FR1394899A; US3371533A; NL6501948A; GB1099409A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und leiterkörpers trotz kleiner Bemessung desselben eine eine Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes von auch für einen schwachen Stromdurchfluß verhältniskryogenischen Flüssigkeiten. Ganz allgemein bezieht mäßig hohe Spannung, d. h. eine Spannungsquelle, sie sich auf alle strömenden Medien, die eine Siede- die mit der ansonsten kleinen und außerordentlich temperatur tiefer als 100⁰K bei normalem Atmo- 5 einfachen Meßeinrichtung in keinem vernünftigen sphärendruck besitzen, und sie betrifft vor allem die Verhältnis steht. Wenn außerdem der Halbleiterkör-Anzeige des Füllstandes von Flüssigkeiten mit sehr per beim mehr oder weniger langsamen Absinken des niedrigen Siedetemperaturen, z. B. Helium (4° K) Flüssigkeitspegels aus der Flüssigkeit auszutauchen und Wasserstoff (20° K). beginnt, d. h. nur teilweise mit dem Gas in Berüh-

Das Verfahren nach vorliegender Erfindung geht io rung steht, so daß ein »thermisches Durchgehen« einzur Anzeige des Füllstandes einer Flüssigkeit von geleitet wird, so steigt die Temperatur des HaIbdem Unterschied der thermischen Wärmeleitung, der leiterkörpers auf Grund der hohen Spannung derart zwischen der Flüssigkeit und ihrem Dampf oder rasch an, daß der noch die Flüssigkeit berührende zwischen der Flüssigkeit und einem umgebenden Gas Teil des Körpers dieselbe zum Verdampfen bringt herrscht, aus. 15 bzw. das verflüssigte Gas ungenutzt verbraucht.

Es sind bereits Anzeigevorrichtungen vorgeschla- Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch

gen worden, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten; vermieden, daß in dem Behälter, in dem die kryogediese sind jedoch auf Flüssigkeiten bei Zimmertempe- nische Flüssigkeit eingeschlossen ist, wenigstens ein ratur beschränkt, weil die thermoempfindlichen EIe- thermoempfindliches Halbleiterelement mit geringem mente oder »Thermistoren«, die dort verwendet wer- 20 Volumen eingesetzt wird, das bei tiefen Temperatuden, bei sehr tiefen Temperaturen einen sehr hohen ren einen niedrigen spezifischen Leitungswiderstand spezifischen Leitungswiderstand annehmen, der es besitzt, der rasch abnimmt, wenn die Temperatur des notwendig macht, daß zur Erzielung einer ausrei- Elementes beim Austauchen aus der Flüssigkeit mit chenden Empfindlichkeit die Elemente mit verhält- dem hierbei auf Grund der schlechteren Wärmeleitnismäßig hohen Spannungen, z. B. mehreren hundert 25 fähigkeit des oberhalb der Flüssigkeit vorhandenen Volt, gespeist werden; derart hohe Spannungen sind Gases einsetzenden »thermischen Durchgehen« zujedoch in Meß- oder Steuergeräten unerwünscht. nimmt, daß das Element mit einer im wesentlichen

Es sind die sogenannten Heißleiterwiderstände be- konstanten vorgegebenen Spannung gespeist wird, die kannt, deren elektrische Leitfähigkeit mit steigender in Abhängigkeit von der Art der zu messenden Flüs-Temperatur im Gegensatz zu Halbleitern nicht zu-, 30 sigkeit, des Volumens und des spezifischen Leitungssondern abnimmt. So wird in einem bekannten Vor- Widerstandes des Elementes derart gewählt wird, daß schlag der Widerstandswert des Heizdrahtes derart die Temperatur des eingetauchten Elementes unterbemessen, daß seine Temperatur bei Zimmertempe- halb des dem Siedepunkt der Flüssigkeit entsprechenratur im Bereich von etwa 400 bis 450° C liegt. Da- den Temperaturwertes verbleibt, und daß die Größe bei soll es ohne weiteres möglich sein, die Strom- 35 des das ausgetauchte Element durchfließenden Stroaufnahme bei Wasser mit einer Temperatur von etwa mes gemessen und diesem Meßwert die Stellung des 300° C ohne weiteres höher zu halten als bei Dampf Elementes in bezug auf den Flüssigkeitsspiegel entmit einer Temperatur von 100° C. Im Falle einer nommen wird.

weiteren bekannten Ausführungsform wird ein Heiß- Das thermoempfindliche Element nimmt, wenn es

leiter auf 200° C aufgeheizt und durch eine Fein- 4° von einem elektrischen Strom durchflossen ist, der sicherung gegen ein gefährliches Anwachsen des Stro- bei einer empfindlichen konstanten Spannung erzeugt mes und gegen Überhitzung geschützt. wird, unter dem Einfluß der zugeführten Wärme, die

Es ist auch bereits die Anwendung eines Heiß- durch den Strom entsteht, und der Abführung von leiterdrahtes bzw. einer Wendel aus Wolfram für die Wärme durch Wärmeleitung in der kryogenischen Standmessung eines verflüssigten Gases, wie z. B. He- 45 Flüssigkeit ein Temperaturgleichgewicht ein. Wenn lium, bekannt. Diese Wolframwendel hat bei Raum- das Element in die Stellung kommt, in der die Flüstemperatur und einem Stromdurchgang von einigen sigphase in die Dampfphase übergegangen ist, ist die Milliampere einen Widerstand von 20 Ohm, die Be- Abkühlung, die es erfährt, geringer, und zwar auf triebsstromstärke muß jedoch so gewählt werden, Grund des Unterschiedes der thermischen Leitfähigdaß die Wendel im Gas schnell genug aufgeheizt wird. 50 keit, und der Widerstand vermindert sich unter der Aus den Strom-Widerstands-Kurven geht hervor, daß Einwirkung der Temperaturerhöhung, wodurch der der mit steigender Temperatur steigende Widerstand Speisestrom zunimmt, was weiter zur Erhöhung der bei einer Heliumstandmessung eine günstige Betriebs- Wärmezufuhr beiträgt. Beim Abweichen von einem Stromstärke von 95 mA erfordert, wenn sich die Wen- bestimmten Strom (bei einer bestimmten Speisespandel im Gas befindet, und daß sich bei der Strom- 55 nung) ergibt sich ein thermisches Durchgehen in der Stärkemessung ein relativ bescheidener Anstieg von Weise, daß die Spannungs-Strom-Kurve des Elemen-95 auf 120 mA ergibt. tes einen scharfen Knick aufweist, oberhalb dem der

Ziel vorliegender Erfindung ist es, eine Änderung Strom extrem rasch anwächst, so daß das Trenndes vorgegebenen Standes eines verflüssigten Gases, niveau der beiden strömenden Medien sichtbar wird. wie z. B. Wasserstoff oder Helium, mittels eines 60 Das thermoempfindliche Element einer Füllstands-Halbleiters anzuzeigen. Solange sich der Halbleiter rheßvorrichtung gemäß der Erfindung weist einen gein der Flüssigkeit befindet, darf der den Halbleiter nügend kleinen spezifischen Leitungswiderstand und durchfließende Dauerstrom den Siedepunkt der Flüs- genügend kleine Abmessungen auf, daß die vorersigkeit nicht übersteigen, da sonst die Flüssigkeit ver- wähnte Erscheinung des Durchgehens für eine dampfen bzw. die Anzeige unter gleichzeitiger Ver- 65 schwache Speisespannung von beispielsweise wenigen dampfung der Flüssigkeit erfolgen würde. Anderer- Volt erkennbar wird, ungeachtet der sehr tiefen Temseits erfordert der bei so niedrigen Temperaturen wie peraturen, die hier in Frage kommen, so daß rasche 20° K außerordentlich hohe Widerstand eines Halb- und genaue Messungen mit einem sehr geringen

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Energieverbrauch möglich sind. Gemäß der Erfin- führungsform zu Füllstandsmessungen in Helium eine

dung verwendet man als thermoempfindliches EIe- Speisespannung von etwa 2,2 V und einen Begren-

ment einen Halbleiter, der aus den Gruppen III/V, Zungswiderstand von etwa 100 bis 1000 Ohm gewählt

II/VI oder IV/IV gewählt ist, und der zweckmäßiger- werden.

weise so behandelt ist, daß ein geringer spezifischer 5 Der Behälter des Elementes ist an einer Halterung

Leitungswiderstand bei normaler Temperatur, z. B. in 10 angebracht, die z. B. aus einem säurefesten Rohr

der Größenordnung von ¹ZiOo bis Viooo Ohm erhalten besteht, in dessen Innerem die Leitungen 11-11' zur

wird. Das thermoempfindliche Element kann vorteil- Stromzuführung verlaufen und die ein Anheben oder

hafterweise aus einem kleinen Siliziumstab bestehen, Absenken der Sonde in einem Behälter 12 ermög-

dem Bor zugesetzt ist und dessen spezifischer Lei- io liehen, welcher kryogenische Flüssigkeit 14, z. B.

tungswiderstand bei Zimmertemperatur 0,017 Ohm Helium, enthält,

beträgt. Wenn das thermoempfindliche Element in das

Bei einer speziellen Ausführungsform ist es zweck- flüssige Helium eingetaucht wird, ergibt sich die Inmäßig, eine Vielzahl von thermoempfindlichen Son- tensitätsänderung in Mikroampere in Abhängigkeit den in verschiedenen Höhen anzubringen, die zur un- 15 von der Spannung in Volt nach der Kurve 16 in mittelbaren und kontinuierlichen Ablesung der Füll- Fig. 2, aus der zu entnehmen ist, daß das obenhöhe bestimmt sind. Bei anderen Anordnungen läßt erwähnte thermische Durchgehen durch Verschiesich eine entsprechende Sonde auf einer minimalen bung des Punktes A oder Knickes um eine Spannung Füllhöhe und eine weitere Sonde auf einer maximalen von etwa 2 V auftritt. Oberhalb des Knickes wächst Füllhöhe vorsehen, so daß ein Füllsystem erhalten 20 der Widerstand des Elementes sehr rasch an.
wird. In der gleichen F i g. 2 ist die Kurve 18 eingetra-

Eine Füllstandsanzeigevorrichtung gemäß der Er- gen, die die Änderung von Strom und Spannung des

findung hat den Vorteil, daß sie eine sehr kurze An- gleichen Elementes zeigt, solange sich das Element

Sprechzeit besitzt und daß sie in der Lage ist, das ge- in unmittelbarer Nähe der Füllhöhe der Flüssigkeit

wünschte Resultat im Bruchteil einer Sekunde zu lie- 25 in der Dampfphase des Helium bewegt. Auf Grund

fern, was im Falle von raschen Füllstandsänderungen des Unterschiedes der Wärmeleitfähigkeit zwischen

von erheblicher Bedeutung sein kann; des weiteren Flüssigkeit und Dampf tritt der Knick A' der Kurve

ist ihr konstruktiver Aufbau im Vergleich zu bekann- 18 bei einer Spannung unterhalb der vorausgehenden

ten Anordnungen sehr einfach und wirtschaftlich. Spannung auf, so daß bei dieser vorausgehenden

Außerdem kann trotz des verhältnismäßig hohen 30 Spannung der Arbeitspunkt in der Dampfphase am

Widerstandes des eingetauchten Elementes die Span- Punkt B zu liegen kommt, der einem Strom vom 10-

nung niedrig sein, wodurch eine schwache Strom- bis 30fachen Wert (etwa 2 bis 6 mA) des das EIe-

quelle ausreichend ist. ment durchfließenden Stromes entspricht, wenn das

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit Element in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Man kann

der Zeichnung näher erläutert. 35 durch Ablesen des Amperemeters 8 eine sehr genaue

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer er- Messung der Füllstandshöhe der Flüssigkeit vorneh-

findungsgemäßen Ausführungsform, men; diese Genauigkeit kann in der Größenordnung

F i g. 2 den Kurvenverlauf der Änderung der das der Dicke des Stabes liegen und etwa zwischen 10

Thermoelement durchfließenden Ströme in Abhängig- und 100 Mikron betragen.

keit von den Speisespannungen, je nachdem, ob das 40 Die Änderung des Widerstandes des Stabes reicht

Element in die Flüssigkeit oder in ihren Dampf ein- von etwa 100 bis 10 000 Ohm, je nachdem, ob es

taucht, und sich um Dampf oder um Flüssigkeit handelt.

F i g. 3 eine Anordnung einer Füllstandsmeßvor- Gemäß der Erfindung ist die Leistung, die von der

richtung gemäß der Erfindung. Meßvorrichtung verbraucht wird, bei sehr tiefen

Die Meßvorrichtung ist schematisch in F i g. 1 dar- 45 Temperaturen sehr gering, und da auf Grund der

gestellt und weist ein thermoempfindliches Element 2 Empfindlichkeit der Sonde sehr geringe Abmessun-

auf, das aus einem Stab aus mit Bor versetztem SiIi- gen verwendet werden, kann die Ansprechzeit sehr

zium besteht, der nach dem Verfahren von Czoch- kurz sein und z. B. in der Größenordnung von Bruch-

ralski hergestellt ist. Die Abmessungen dieses EIe- teilen von Sekunden liegen.

mentes sind sehr klein, so daß der Wärmeaustausch 50 In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Füllstandsverbessert und der Widerstand verringert wird, wobei messung flüssiges Helium gezeigt, in welcher die z. B. gute Resultate mit einem Stab mit einer Länge Meß vorrichtungen gemäß der Erfindung vorgesehen von 2 mm, einer Breite von 0,6 mm und einer Dicke sind.

von 60 Mikron erhalten wurden. Dieses Element wird Das in einem Behälter 20 vorgesehene flüssige He-

an den Verbindungen eines Behälters, z. B. mit einem 55 lium wird in ein Dewarsches Gefäß 22 übergeführt,

eutektischen Goldlötmittel mit 0,5 °/o Gallium und das bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt ist. Das Ge-

30 % Silizium in der Weise verlötet, daß zur Befesti- faß 22 ist in üblicher Weise in einem zweiten Gefäß

gung der Transistoren die Kontakte vorteilhafterweise 24 angeordnet, das mit flüssigem Stickstoff gefüllt

rein ohmisch sind. Die Anordnung aus Behälter und ist, und der Übergang wird durch Einführung von

thermoempfindlichem Element, die nachstehend kurz 60 Heliumgas unter Druck in den Behälter 20 über eine

»Sonde« genannt wird, kann die Form eines Zylin- Verbindung 26 und ein Ventil 28 vorgenommen, Das

ders von etwa 4 mm Durchmesser und 6 mm Höhe Übertragungsrohr 30 ist in einem luftleer gepumpten

haben. Rohr 31 angeordnet, das ersteres thermisch isoliert.

Das Element ist in einen Speisestromkreis einge- Mehrere Sonden 32, 32', 32" sind gemäß der Erfin-

schaltet, der eine empfindliche Konstantspannungs- 65 dung in verschiedenen Höhen in dem Gefäß 22 ange-

quelle 4, ein Amperemeter 8 und eventuell einen Be- ordnet und zeigen die Füllhöhe an, die von dem flüs-

grenzungswiderstand 6 aufweist. sigen Helium in dem Gefäß eingenommen wird. Die

Beispielsweise kann nach einer praktischen Aus- Steuerung des Ventils 28 kann in an sich bekannter

Weise über Steueramperemeter vorgenommen werden, die nicht dargestellt sind und die die Änderung des Stromes nachweisen, welche in den Sonden auftritt, je nachdem, ob sie sich in der Flüssigkeit oder im Dampf bewegen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Anzeige des Füllstandes von kryogenischen Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigem Helium oder flüssigem Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (12), in dem die kryogenische Flüssigkeit eingeschlossen ist, wenigstens ein thermoempfindliches Halbleiterelement (2) mit geringem Volumen eingesetzt wird, das bei tiefen Temperaturen einen niedrigen spezifischen Leitungswiderstand besitzt, der rasch abnimmt, wenn die Temperatur des Elementes beim Austauchen aus der Flüssigkeit mit dem hierbei auf Grund der so schlechteren Wärmeleitfähigkeit des oberhalb der Flüssigkeit vorhandenen Gases einsetzenden »thermischen Durchgehen« zunimmt, daß das Element mit einer im wesentlichen konstanten vorgegebenen Spannung gespeist wird, die in Abhängigkeit von der Art der zu messenden Flüssigkeit des Volumens und des spezifischen Leitungswiderstandes des Elementes derart gewählt wird, daß die Temperatur des eingetauchten Elementes unterhalb dem dem Siedepunkt der Flüssigkeit entsprechenden Temperaturwert verbleibt und daß die Größe des das ausgetauchte Element durchfließenden Stromes gemessen und diesem Meßwert die Stellung des Elementes in bezug auf den Flüssigkeitsspiegel entnommen wird.

2. Vorrichtung zur Anzeige des Füllstandes von kryogenischen Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigem Helium oder flüssigem Wasserstoff, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoempfindliche Halbleiterelement (2) aus einem Material besteht, das den Gruppen III/V, HyVI und IV/IV entstammt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement so behandelt ist, daß sein spezifischer Widerstand Vioe bis Viooo Ohm bei Zimmertemperatur beträgt

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoempfindliche Halbleiterelement (2) aus einem Stab aus Silizium,, dem Bor zugesetzt ist, besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoempfindliche Halbleiterelement (2) eine Dicke von etwa 10 bis etwa 100 Mikron und eine Oberfläche von 1 bis 10 mm² besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material und die Abmessungen des thennoempfindlichen Halbleiterelementes (2) in der Weise gewählt sind, daß das thermische Durchgehen bei einer Speisespannung in der Größe von einigen Volt für eine Temperatur unterhalb etwa 100° K auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen