DE3129224C1

DE3129224C1 - Differenzdruckaufnehmer

Info

Publication number: DE3129224C1
Application number: DE19813129224
Authority: DE
Inventors: Grosvenor Sullivan 15143 Sewickely Pa. Graham; Manfred 7513 Stutensee Kutschera; Silvester 7515 Linkenheim Takács
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1981-07-24
Publication date: 1983-01-13

Description

Auf die Stirnfläche 4 des Dauermagneten 1 ist als Magnetfelddetektor auf einem Träger 6 eine Hallsonde 7 applizicrt, deren Anschlußleitung 8 mit den einen Konstantstrom J=const führenden Adern 9, 10 und den die Hallspannung Uiiführenden Adern t t, 12 durch eine mit einem Gießharz 13 vergossene Durchführungsbohrung 14 der Grundplatte 3 geführt ist. Die Grundplatte 3 weist ferner eine durchgehende erste Anschlußbohrung 15 auf. in die eine erste Heliumleitung 16 eingeschweißt ist. Dic Grundplatte 3 ist vollständig in ein Mantelrohr 17 eingesetzt und an der von dem Dauermagneten 1 abgewandten Seite mit der einen Stirnseite 18 des Mantclrohres 17 verschweißt. An der anderen Stirnseite 19 ist eine das Mantelrohr 17 abschließende Kappe 20 aufgesetzt. Zwischen das Mantelrohr 17 und die Kappe 20 ist eine Membran 21 gelegt. Mantelrohr 17. Kappe 20 und Membran 21 sind miteinander verschweißt Die Membran 21 weist an der dem Magnetfelddetektor 6 zugewandten Oberfläche eine supraleitende Schicht 22 auf.
Dic Membran 21 teilt den Innenraum des aus der Grundplatte 3, dem Mantelrohr 17 und der Kappe 20 gebildeten Gehäuse in eine erste Kammer 23 und eine zweite Kammer 24. Die erste Kammer 23 steht über die Heliuinleitung 16 mit einem ersten Meßpunkt des zu kontrollierenden Kühlsystems in Verbindung. Die zweite Kammer 24 ist über eine zweite Heliumleitung 25, die in einer zweiten Anschlußbohrung 26 der Kappe 20 verschweißt ist, mit einem zweiten Meßpunkt des Kühlsystems verbunden.
Der Differenzdruck Ap=pi -p2 bewegt die Membran 21 aus deren bei Drucklosigkeit oder gleich großen Teildrücken pl. p2 sich einstellenden Ruhelage.
An der supraleitenden Schicht 22 der Membran 21 wird der Dauermagnet 1 quasi gespiegelt. Auf der von dem Dauermagneten 1 abgewandten Seite der Membran 21 bildet sich ein virtueller Dauermagnet 1', der gemeinsam mit dem reellen Dauermagneten 1 eine in Fig.2 dargestellten Magnetfeldkonfiguration bewirkt, in deren Symmetrieebene die Membran 21 liegt.
Die in der Größenordnung von 0,1 mm liegende Auslenkung der Membran 21 verändert zwar die Lage der Membrane 21 relativ zu dem reellen Dauermagneten 1, aber infolge der Spiegelwirkung der supraleitenden Schicht 21 wird der Abstand des virtuellen Dauermagneten 1' in der gleichen Weise geändert, so daß die Membran 21 unabhängig von ihrer Lage immer eine Symmetrieebene des Magnetfeldes bildet.
Jede Lageänderung der Membran 21 ist mit einer vorbestimmten Änderung der magnetischen Induktion B. also der Feldliniendichte im Bereich der Hallsonde 7 verknüpft. Die Hallsonde 7 wird über die Adern 9,10 der Abschlußleitung 8 aus einem Konstantstromgerät 27 mit einem vorbestimmten konstanten Gleichstrom 1 gespeist.
Die an den Adern 11, 12 der Anschlußleitung 8 anstehende Hallspannung UH wird mit einem Verstärker 28 verstärkt. Das verstärkte Meßsignal wird in ein anzeigendes und/oder registrierendes Meßgerät 29 eingegeben.
Die Hallspannung U11 ergibt sich aus der Beziehung mit Rit = Hallkonstante des Materials der Hallsonde, d = Dicke der Hallsonde in Richtung der magnetischen Induktion B.
/ = Konstantstrom.
Bei einem Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Differenzdruckaufnehmers bestand die Grundplatte 3, das Mantelrohr 17. die Kappe 20 und die Membran 21 aus unmagnetischem V2A-Material'und die supraleitende Schicht 22 auf der Membran 21 aus Nb3Sn.
Bei einem Außendurchmesser des Differenzdruckaufnehmers von 10 mm und einer axialen Länge von 30 mm wurde eine Empfindlichkeit von 1 ,uV/mb erreicht.
Die Oberfläche des Differenzdruckaufnehmers war ebenfalls mit Nb3Sn supraleitend beschichtet, so daß Messungen in einem äußeren Magnetfeld von 5T=50 kGauß möglich waren. Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der Hallsonde 7 einen anderen Magnetfelddetektor zu verwenden. wie etwa einen magnetfeldempfindlichen Transistor oder einen magnetfeldempfindlichen Widerstand oder ein den Josephson-Effekt benutzendes Bauelement, also ein SQUID (superconducting quantum interfer device) oder ein SLUG (superconducting low-inductance undulatory galvanometer).
jeder dieser Magnetfelddetektoren wird in der gleichen Weise wie die in Fig. I dargestellte Hallsonde 7 mit einem Träger 6 an der Stirnfläehe 4 des Dauermagneten 1 appliziert.
Im Falle des magnetfeldempfindlichen Transistors oder Widerstandes wird anstelle des Konstantstromgenerators 27 eine Konstantspannungsquelle verwendet und die Stromänderung gemessen, die als Folge der Leitfähigkeitsänderung auftritt. die ihre Ursache in einer durch Auslenkung der Membran 21 verursachenden Änderung der magnetischen Induktion B hat.
Bezugszeichenliste: 1 Dauermagnet 1' virtueller Dauermagnet 2 Sackbohrung 3 Grundplatte 4 eine Stirnfläehe von 1 5 Oberfläche von I 6 Trãger für 7 7 Hallsonde 8 Anschlußleitung von 7 9, 10 J=const.-Adern von 8 in, 12 UH-Adern von 8 13 Gießharz 14 Durchführungsbohrung in 3 15 1. Anschlußbohrung in 3 16 1. Heliumleitung 17 Mantelrohr 18 eine Stirnseite von 17 19 andere Stirnseite von 17 20 Kappe 21 Membran 22 supraleitende Schicht auf 21 23 1.Kammer 24 2. Kammer 25 2. Heliumleitung 26 2. Anschlußbohrung in 20 27 Konstantstromgerät 28 Verstärker 29 Meßgerät für Uji j = const Konstantstrom von 7 Hallspannung von 7 Pl. p2 Drücke an 21 dp Differenzdruck an 21 R" Hallkonstante Dicke der Hallsonde in Richtung von B B magnetische Induktion - L e e r s e i t e - - Leerseite - - Leerseite -

Claims

Patentansprüche: 1. Differenzdruckaufnehmer für den Tieftemperaturbereich und zum Einsatz im Wirkungsbereich einer hohen Zentrifugalbeschleunigung mit den Merkmalen, a) in einem Gehäuse (3, t7, 20) und fest mit dem Gehäuse verbunden ist ein Dauer-Magnet (1) angeordnet, der ein axiales zeitlich konstantes Magnetfeld erzeugt, b) in einem vorbestimmten Abstand von der Stirnfläche (4) und senkrecht zu der Achse des Dauer-Magneten (1) ist eine Membran (21) angeordnet und mit dem Gehäuse (3, 20) fest verbunden, c) an jede der zwei durch die Membran (21) voneinander getrennten Kammern (23, 24) des Gehäuses (3, 17, 20) ist jeweils eine Rohrleitung (16, 25) angeschlossen, durch die ein Medium geleitet wird, dessen Differenzdruck die Membran (21) aus deren Ruhelage auslenkt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, d) an der Stirnfläche (4) des Dauer-Magneten (1) und mit dem Dauer-Magneten (1) unter Einhaltung eines vorbestimmten Abstandes fest verbunden ist ein jede Änderung der magnetischen Induktion B detektierender Magnetfelddetektor angeordnet, e) die Membran (21) weist auf ihrer der Stirnfläche (4) des Dauer-Magneten (1) zugewandten Oberfläche eine supraleitende Schicht (22) auf.
2. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelddetektor eine Hallsonde (7) verwendet wird.
3. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelddetektor ein magnetfeldempfindlicher Transistor oder ein magnetfeldempfindlicher Widerstand verwendet wird.
4. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelddetektor ein den Josephson-Effekt benutzendes Bauelement (SQU I D oder Slug) verwendet wird.
5. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorliegen eines veränderlichen äußeren Magnetfeldes das Gehäuse (3, 17, 20) eine magnetische Abschirmung aufweist.
6. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3, 17, 20) als magnetische Abschirmung eine supraleitende Beschichtung aufweist.

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckaufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei der Strömung von flüssigem oder kaltem gasförmigen Helium, das als Kühlmittel in rotierenden Anordnungen mit stromführenden Supraleitern, insbesondere in supraleitenden Generatoren zum Erzeugen elektrischer Energie umgewälzt wird, treten Druckdiffe- renzen auf. Diese Differenzdrucke in der Größenordnung von einigen Millibar sind aus Gründen einer sicheren Betriebsführung vor der Konstruktion eines solchen Kühlsystems in Modellversuchen zu bestimmen.

Die Anwendung des Differenzdruckaufnehmers im Bereich der supraleitenden Rotorwicklungen, deren Kühlung zu kontrollieren ist, wird erschwert durch betriebsmäßig auftretende hohe Zentrifugalbeschleuni gung, wodurch das Kältemittel auf 10 bis 20 bar komprimiert wird. Diesem Druck ist der Differenzdrucknehmer ständig ausgesetzt.

Es ist ein Differenzdruckaufnehmer be:<annt, bei dem die durch den Differenzdruck bewirkte Verformung einer hinreichend dicken Membran mit einem auf die Membran applizierten Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Die geforderte hohe Meßempfindlichkeit wäre jedoch nur zu realisieren, wenn der Differenzdruckaufnehmer eine für diesen Anwendungsbereich unzulässig große Ausführungsform aufweisen würde.

Ein ebenfalls bekannter kapazitiver Differenzdruckaufnehmer kann zwar auch bei relativ kleinen Baugrößen eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und die Membran kann dabei beliebig flexibel gestaltet werden, aber wegen der hohen Ausgangsimpedanz müßte ein Teil der meßwertverarbeitenden Elektronik möglichst nahe am Differenzdruckaufnehmer also in dem kalten Rotor angeordnet werden.

Es sind auch Differenzdruckaufnehmer bekannt (DE-OS 29 13 935), bei denen die druckbedingte -Lage einer Membrane mittels eines Magneten und eines Magnetfelddetektors in Form eines Hall-Effekt-Bauelementes erfaßbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Differenzdruckaufnehmer so weiter zu entwickeln, daß es möglich ist, auch kleine Änderungen der Differenzdrücke mit hoher Empfindlichkeit zu messen und dabei den Einfluß der den Meßwert verfälschenden Zentrifugalbeschleunigung weitgehend auszuschließen.

Diese Aufgabe wird bei einem Differenzdruckaufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die mit dem vorgeschlagenen Differenzdruckaufnehmer erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Masse der im Feld hoher Zentrifugalbeschleunigungen angeordneten Membran sehr klein ist und deshalb eine durch Beschleunigungskräfte bewirkte Meßwertverfälschung praktisch ausgeschlossen ist und-deshalb auch bei kleinen Auslenkungen der Membran eine hohe Empfindlichkeit gesichert ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines Differenzdruckaufnehmers mit den Merkmalen der Ansprüche 1,2 und 6 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 Schnitt eines Differenzdruckaufnehmers mit einem als Hallsonde ausgebildeten Magnetfelddetektor.

F i g. 2 Membran mit supraleitender Beschichtung und durch diese bewirkte Ausbildung eines virtuellen Magneten.

Der Axialschnitt eine Differenzdruckaufnehmers für den Tieftemperaturbereich und zum Einsatz im Wirkungsbereich einer hohen Zentrifugalbeschleunigung ist in Fig. 1 vereinfacht dargestellt.

Ein zylindrischer axial magnetisierter Dauermagnet I ist in einer Sackbohrung 2 einer Grundplatte 3 so angeordnet, daß eine Stirnfläche 4 des Dauermagneten 1 aus der Oberfläche 5 der Grundplatte 3 herausragt.