DE2615407A1

DE2615407A1 - Fuellstandsmesser fuer tiefsiedende fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2615407A1
Application number: DE19762615407
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Mohrenstein-Ertel
Original assignee: MOHRENSTEIN ERTEL MICHAEL DIPL
Current assignee: MOHRENSTEIN ERTEL MICHAEL DIPL
Priority date: 1976-04-08
Filing date: 1976-04-08
Publication date: 1977-10-20

Description

Füllstandsmesser für tiefsiedende Flüssigkeiten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von tiefsiedenden Flüssigkeiten in einem Behälter.
Tiefsiedende Flüssigkeiten, wie z.B. Helium oder Wasserstoff, sind relativ teuer. Aus diesem und anderen Gründen ist eine genaue Messung und Bestimmung der in einem Kryobehälter befindlichen Menge des Flüssiggases wichtig.
Die einfachsten Meßmethoden, wie z.B. die Messung der Widerstandsänderung von Carbon-Widerständen oder die der Verdampfungsrate der tiefsiedenden Flüssigkeit, arbeiten entweder nicht kontinuierlich oder nur indirekt. Die bisher am genauesten messende Methode basiert- auf der Kapazitätsmessung von Platten- oder Zylinderkondensatoren. Diese Methode erfordert jedoch einen großen apparativen Aufwand und ist deshalb bei Erzielung von mittleren Meßgenauigkeiten schon sehr kostspielig.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine einfache und dennoch genaue Methode zur Messung der Füllstandshöhe von tiefsiedenden Flüssigkeiten zu entwickeln.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb des Behälters entlang dessen vertikalen Durchmessers ein elektrischer Leiter aus einem supraleitenden Material angeordnet, die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials auf einen Wert über der Temperatur der Flüssigkeit derart eingestellt wird, daß der aus der Flüssigkeit herausragende Teil des elektrischen Leiters normal,leitend ist, und der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters gemessen wird.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß an der Gas-Flüssigkeit-Grenzfläche einer tiefsiedenden Flüssigkeit ein besonders steiles Temperaturgefälle entsteht, welches sogar bei Überschreiten des kritischen Punktes erhalten bleibt.
Da supraleitende Materialien innerhalb eines sehr engen Temperaturbereiches vom normal leitenden in den supraleitenden Zustand übergehen, kann diese Eigenschaft erfindungsgemäß zur Bestimmung des Ortes der Gas-Flüssigkeit-Grenzfläche verwendet werden, wenn die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials etwas über der Temperatur der Flüssigkeit liegt Die Sprungtemperatur kann entweder durch entsprechende Wahl des supraleitenden Materials fest vorgegeben oder erfindungsgemäß durch ein angelegtes, vorzugsweise homogenes magnetisches Feld eingestellt werden.
Falls sich die Temperatur (Siedetemperatur) der Flüssigkeit z.B. durch Druckschwaricungen stark ändern sollte, so kann erfindungsgemäß die Feldstärke des magnetischen Feldes in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit odes des Druckes im Behälter geregelt werden.
Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich die Sprungtemperatur eines Supraleiters mit der Feldstärke eines angelegten Magnetfeldes in charakteristischer Weise ändert.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung soll anhand eines in der Figur teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden.
Das erfindungsgemäße Meßgerät ist im Ausführungsbeispiel als rohrförmige Meßsonde 1 ausgebildet, welche einen sogenannten Heber 2 umgibt und durch die Öffnung 3 eines Isolierbehälters 10, z.B. für flüssiges Helium, bis zum Boden des Behälters eingeschoben werden kann. Die Meßsonde 1 besteht aus einer porösen Matrix 4, in welche zwei koaxiale Wicklungen 5,6 eingebettet sind. Die Porenweite der Matrix 4 ist so gewählt, daß noch keine merkliche Kapillarkräfte auftreten also der Flüssigkeitsstand innerhalb der Matrix gleich derjenigen im Behälter ist. Die innere, bifilare Wicklung S besteht aus einem supraleitenden Material, welches eine Sprungtemperatur oberhalb der Temperatur (Siedetemperatur) der tiefkalten Flüssigkeit hat. Die äußere Wicklung 6 dient zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes und kann ebenfalls aus supraleitendem Material sein.
Die innere Wicklung 5 ist mit einer Konstantstromquelle 7 bzw. -Spannungsquelle und über Potentialabgriffe mit einem Gerät 8 zur Messung des Spannungsabfalls bzw. der Stromstärke verbunden. Die äußere Wicklung 6 ist an eine regelbare Stromquelle 9 angeschlossen. Mit Hilfe dieser Stromquelle wird die Feldstärke der Wicklung 6 so eingestellt, daß die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials der Wicklung 5 gerade noch nicht unter die Temperatur der tiefkalten Flüssigkeit fällt, der in die Flüssigkeit eintauchende Teil der Wicklung also gerade noch supraleitend ist; dieser Abgleich kann leicht am Spannungsmeßgerät 8 beobachtet und bei stärkeren Änderungen der Temperatur der Flüssigkeit (z.B. verursacht durch große Druckschwankungen) von Hand oder durch eine Regelschleife nachgestellt werden. Da über dem Flüssigkeitsspiegel die Temperatur rasch nach oben hin um einige Grade ansteigt, ist der aus der Flüssigkeit herausragende Teil der Wicklung 5 nicht mehr supraleitend.
Steigt oder sinkt nun im Behälter 10 der Flüssigkeitsstand, dann verändert sich, entsprechend dem von der Flüssigkeit umgebene supraleitende Anteil der Wicklung 5 der Gesamtwiderstand der Wicklung. Die Widerstandsänderung dieser Wicklung ist der Änderung der Füllstandshöhe proportional (lineare Abhängigkeit) da sich der Widerstand des nicht supraleitenden Teils der Wicklung 5, wegen des bei tiefen Temperaturen über einen weiteren Temperaturbereich konstant bleibenden Restwiderstandes, kaum ändert.
Die poröse Matrix 4 in welche die Wicklungen 5 und 6 eingebettet sind, dient dazu, einen möglichst scharfen und von Siedeturbulenzen freien Ubergang vom flüssigen in den gasförmigen Bereich zu schaffen. Außerdem soll damit um den jeweils nicht supraleitenden Teil der Wicklung 5 ein möglichst ungestörtes Gaspolster mit kontinuierlichem Temperaturverlauf erzeugt werden, damit das Leitermaterial in diesem Bereich durch aufbrodelnde Kaltgaswolken nicht kurz- zeitig in den supraleitenden Zustand zurückfällt, und damit ßchwankungen der Füllstandsanzeige verursacht.
Als Supraleiter für die Wicklung 5 eignen sich insbesondere die Elemente Lanthan und Niob wegen ihres hohen kritischen Magnetfeldes aber auch Blei, Thantal, Technetium, sowie spezielle supraleitende Legierungen, wie Nb3 Al oder Nb3 (Al1-x Gex) mit O < x # 2,5, mit hohen Sprungtemperaturen.
Patentansprüche L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1Verfahren zur Bestimmung der Füllstandshöhe von tiefsiedenden Flüssigkeiten in einem Behälter, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb des Behälters entlang dessen vertikalen Durchmessers ein elektrischer Leiter aus einem supraleitenden Material angeordnet, die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials auf einen Wert über der Temperatur der Flüssigkeit derart eingestellt wird, daß der aus der Flüssigkeit herausragende Teil des elektrischen Leiters normaloleitend ist,und und der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters gemessen wird
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials durch ein angelegtes, vorzugsweise homogenes magnetisches Feld eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Feldstärke des magnetischen Feldes in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit oder des Druckes im Behälter geregelt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , g e k e n n z e i c h n e t durch einen innerhalb des Behälters (10) entlang dessen vertikalen Durchmessers angeordneten elektrischen Leiter (5) aus einem supraleitenden Material sowie durch eine Einrichtung (7,8) zur Messung des elektrischen Widerstandes des elektrischen Leiters (5).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der elektrische Leiter (5) auf einem zylindrischen Körper vorzugsweise bifilar aufgewickelt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der elektrische Leiter (5) auf einem Körper als dünne Schicht aufgebracht und mit Einschnitten zur Verlängerung der Leiterstrecke versehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der elektrische Leiter (5)von einer Spule (6) zur Erzeugung eines vorzugsweise homogenen Magnetfeldes umgeben ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Körper aus einer porösen Masse besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der elektrische Leiter (5) von einer porösen Masse (4) umgeben ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie rohrförmig ausgebildet und um eine Heberleitung (2) angeordnet ist.