DE3309672C1 - Device for level monitoring of a double-walled container for cryogenic liquids - Google Patents

Device for level monitoring of a double-walled container for cryogenic liquids

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DE3309672C1
DE3309672C1 DE19833309672 DE3309672A DE3309672C1 DE 3309672 C1 DE3309672 C1 DE 3309672C1 DE 19833309672 DE19833309672 DE 19833309672 DE 3309672 A DE3309672 A DE 3309672A DE 3309672 C1 DE3309672 C1 DE 3309672C1
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DE19833309672
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Hans-Dieter 6980 Wertheim Bürger
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CIT Alcatel GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/20—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measurement of weight, e.g. to determine the level of stored liquefied gas

Abstract

The device for level monitoring uses means for contactless measurement of the distance between the floor of the inner and the floor of the outer container, in particular a sensor (11) which is sensitive to magnetic fields and is mounted outside on the floor of the outer container (2), and a permanent magnet (10) which is mounted outside on the inner container (1). The continuous variations in level of the liquid lead to a likewise continuous variation in length of the inner container. The variation in level of the liquid can be derived from these variations in length.

Description

Die Erfindung nutzt also einen Effekt, der bisher zur Niveaumessung noch nie herangezogen wurde, nämlich die Längenänderung des Kühlmittelbehälters abhängig von der Temperatur, aus. Ein etwa 30 cm langer Kühlmittelbehälter aus dünnwandigem Edelstahl beispielsweise zieht sich beim Füllen mit flüssigem Stickstoff durch die Abkühlung von Umgebungstemperatur auf - 1960 C um ca. 1,6 mm zusammen. Diese Längenänderung ist sehr gut reproduzierbar und verläuft bei einem geraden zylindrischen Behälter weitgehend linear. Man kann also mit einem einzigen Sensor sowohl ein oberes Grenzniveau als auch ein unteres Grenzniveau ermitteln und zur Anzeige bringen. The invention thus uses an effect that was previously used for level measurement has never been used, namely the change in length of the coolant tank depending on the temperature. An approximately 30 cm long coolant container made of thin-walled Stainless steel, for example, pulls itself through the when it is filled with liquid nitrogen Cooling from ambient temperature to - 1960 C by approx. 1.6 mm together. This change in length is very reproducible and runs in a straight cylindrical container largely linear. So you can set both an upper limit level with a single sensor as well as a lower limit level and display it.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der einzigen Figur näher erläutert, die die grundsätzliche Struktur einer Tieftemperatur-Kühlfalle mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. The invention is described below on the basis of a preferred exemplary embodiment explained in more detail with the help of the single figure that shows the basic structure of a Shows low-temperature cold trap with a device according to the invention.

Eine bekannte Tieftemperatur-Kühlfalle besteht aus zwei ineinandergesteckten Behältern, nämlich einem inneren Kühlmittelbehälter 1 und einem diesen umgebenden Isolierbehälter 2. Der Kühlmittelbehälter 1 besitzt oben eine Öffnung 3 und ist mit seinem oberen Rand 4 dicht auf den Rand 5 des Isolierbehälters 2 aufgesetzt Der Isolierbehälter besitzt im oberen Bereich einen Anschlußstutzen 6 für den Anschluß an ein gegen aggressive Dämpfe zu schützendes Vakuumgerät und im untere Bereich einen Anschlußstutzen 7 für den Anschluß an eine Pumpe. Das Kühlmittel, flüssiger Stickstoff, muß mindestens bis zu einem unteren Grenzniveau 8 reichen, von dem ab keine wirksame Kühlung mehr gewährleistet ist, und höchstens bis zu einem oberen Grenzniveau 9, um ein Überlaufen des Behälters zu vermeiden. A known low-temperature cold trap consists of two nested Containers, namely an inner coolant container 1 and one surrounding it Insulated container 2. The coolant container 1 has an opening 3 at the top and is placed with its upper edge 4 tightly on the edge 5 of the insulating container 2 The insulating container has a connection piece 6 for the connection in the upper area to a vacuum device to be protected against aggressive vapors and in the lower area a connection piece 7 for connection to a pump. The coolant, more liquid Nitrogen must extend at least to a lower limit level 8 from which effective cooling is no longer guaranteed, and at most up to an upper one Limit level 9 to prevent the container from overflowing.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Füllstandskontrolle besteht im wesentlichen aus einem Dauermagneten 10, der von außen an den Boden des Kühlmittelbehälters i angeklebt ist, und aus einem Hallsensor 11, der von außen an den Boden des Isolierbehälters gegenüber dem Dauermagneten 10 angeschlossen ist. Der Dauermagnet 10 besteht z. B. aus einem Kobalt-Samarium-Magnet hoher Flußdichte. The device according to the invention for level control exists essentially from a permanent magnet 10, which is attached from the outside to the bottom of the coolant container i is glued, and from a Hall sensor 11, which is attached from the outside to the bottom of the insulating container opposite the permanent magnet 10 is connected. The permanent magnet 10 consists, for. B. from a cobalt samarium magnet of high flux density.

Es ist bekannt, daß solche magnetfeldempfindliche Sensoren eine hohe Auflösung erreichen, so daß das augenblickliche Kühlmittelniveau jederzeit angezeigt werden kann. Man kann also z. B. auch die Zeit anzeigen, für die der augenblickliche Kühlmittelstand noch ohne Nachfüllen ausreicht. Die Justierung der Vorrichtung bereitet keine Schwierigkeiten und erfolgt jeweils durch zwei Messungen bei warmem, d. h. leerem Behälter und bei vollgefülltem Kühlmittelbehälter. It is known that such magnetic field sensitive sensors have a high Achieve resolution so that the instantaneous coolant level is displayed at all times can be. So you can z. B. also show the time for which the current Coolant level is still sufficient without topping up. The adjustment of the device prepares no difficulties and is carried out by two measurements in a warm, i.e. H. empty container and when the coolant container is full.

Zum Reinigen des Kühlmittelbehälters braucht kein Sensor demontiert zu werden. Außerdem bildet die erfindungsgemäße Vorrichtung keine zusätzliche Wärmebrücke, die die Verdampfungsrate erhöhen würde. No sensor needs to be dismantled to clean the coolant tank to become. In addition, the device according to the invention does not form an additional thermal bridge, which would increase the rate of evaporation.

Im Rahmen der Erfindung können auch andere magnetfeldempfindliche Sensoren anstatt des Hallsensors verwendet werden. Hier ist z. B. an ein Reedrelais zu denken, das bei einem bestimmten Wert des Magnetfeldes seinen Schaltzustand ändert. Dieser Wert entspricht einem bestimmten Füllstand der tiefgekühlten Flüssigkeit im Behälter. Auch andere berührungslose Meßmethoden als die magnetische sind im Rahmen der Erfindung anwendbar, so z. B. die kapazitive, induktive oder die Ultraschall-Meßmethode. Schließlich ist es auch möglich, andere Materialien als Edelstahl für die Kühlmittelbehälter zu verwenden, sofern diese Materialien zu einer meßbaren Längenänderung bei den gegebenen Temperaturdifferenzen von etwa 216"C führen. In the context of the invention, other magnetic field-sensitive Sensors can be used instead of the Hall sensor. Here is z. B. to a reed relay to think that changes its switching state at a certain value of the magnetic field. This value corresponds to a certain level of the frozen liquid in the container. Non-contact measuring methods other than magnetic are also available in Applicable within the scope of the invention, e.g. B. the capacitive, inductive or ultrasonic measuring method. Finally, it is also possible to use materials other than stainless steel for the coolant tank to be used if these materials lead to a measurable change in length in the given temperature differences of about 216 "C.

Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung nicht nur auf Kühlfallen anwendbar, sondern überall dort sinnvoll, wo tiefgekühlte Flüssigkeiten wie Helium oder Stickstoff gelagert werden sollen. Die doppelwandigen Behälter, die im industriellen Bereich hierfür verwendet werden, weisen oft eine Bauhöhe von einem Meter und mehr auf. As already mentioned, the invention is not only applicable to cold traps, It makes sense wherever deep-frozen liquids such as helium or nitrogen are used should be stored. The double-walled containers used in the industrial field are used for this, often have a height of one meter and more.

Die Längenänderungen bei den Temperaturunterschieden von über 200"C sind also erheblich.The changes in length with the temperature differences of over 200 "C are therefore considerable.

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Claims (5)

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Füllstandskontrolle eines doppelwandigen Behälters für tiefgekühlte Flüssigkeiten, wobei der Zwischenwandbereich unter Vakuum steht und der innere, die Flüssigkeit enthaltende Behälter im äußeren Behälter hängt, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß Mittel zur berührungsfreien Messung des Abstands zwischen dem Boden des die Flüssigkeit enthaltenden Behälters (1) und dem Boden des äußeren Behälters (2) vorgesehen sind und daß dieser Abstand als Maß für den Füllstand ausgewertet wird. Claims: 1. Device for level control of a double-walled Container for frozen liquids, the partition area under vacuum stands and the inner container containing the liquid hangs in the outer container, d a d u r c h g e -k e n n n z e i c h n e t that means for non-contact measurement the distance between the bottom of the container (1) containing the liquid and the bottom of the outer container (2) are provided and that this distance as a measure is evaluated for the level. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einerseits aus einem außen am Boden des inneren Behälters (1) angebrachten Dauermagneten (10) und andererseits aus einem magnetfeldempfindlichen Sensor (11) bestehen, der am Boden des äußeren Behälters angebracht ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the means on the one hand from a permanent magnet attached to the outside of the bottom of the inner container (1) (10) and, on the other hand, consist of a magnetic field-sensitive sensor (11) which is attached to the bottom of the outer container. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (11) ein Hallsensor ist und an der Außenwand des Isolierbehälters (2) befestigt ist. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the sensor (11) is a Hall sensor and is attached to the outer wall of the insulating container (2) is. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (11) ein Reedrelais ist, das an der Außenwand des äußeren Behälters angebracht ist und bei einem vorbestimmten Abstand des Dauermagneten anspricht 4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the sensor (11) is a reed relay attached to the outer wall of the outer container and responds at a predetermined distance from the permanent magnet 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zwei Kondensatorplatten aufweisen, die am Boden des inneren bzw. äußeren Behälters angebracht sind, wobei der Kapazitätswert dieses Kondensators als Maß für den Füllstand der Flüssigkeit ausgewertet wird.5. Device according to Claim 1, characterized in that the means have two capacitor plates, which are attached to the bottom of the inner or outer container, where the capacitance value this capacitor is evaluated as a measure of the level of the liquid. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Füllstandskontrolle eines doppelwandigen Behälters für tiefgekühlte Flüssigkeiten, wobei der Zwischenwandbereich unter Vakuum steht und der innere, die Flüssigkeit enthaltende Behälter im äußeren Behälter hängt. The invention relates to a device for level control a double-walled container for deep-frozen liquids, with the partition area is under vacuum and the inner, the liquid containing container in the outer Container hangs. Die Erfindung ist beispielsweise auf Vorratsbehälter für tiefgekühlte Flüssigkeiten oder auf Kühlfallen anwendbar. The invention applies, for example, to storage containers for frozen foods Liquids or cold traps. Kühlfallen werden zur Kondensation von Dämpfen eingesetzt. In der Hochvakuumtechnik dient als Kühlmittel oft flüssiger Stickstoff, der bei 77 K (-196"C) verdampft. Die Kühlfalle besteht aus einem doppelwandigen Behälter. Der innere Behälter dient als Kühlmittelbehälter und ist meist aus dünnem Edelstahl. Er hängt mit seiner Einfüllöffnung an einem Deckel, der sich auf dem Rand des äußeren Behälters abstützt Dieser äußere Behälter ist thermisch gegen die Umgebung isoliert und besitzt Stutzen für den Einlaß und den Auslaß des zu reinigenden Gases. Cold traps are used to condense vapors. In the High vacuum technology often uses liquid nitrogen as the coolant, which is at 77 K (-196 "C) evaporates. The cold trap consists of a double-walled container. The inner container serves as a coolant container and is usually made of thin stainless steel. He's hanging on with his Filling opening on a lid that rests on the edge of the outer container This outer container is thermally insulated from the environment and has nozzles for the inlet and outlet of the gas to be purified. In der Praxis ist es wichtig, daß stets ein Mindestvorrat von Kühlmittel vorhanden ist, da sonst die Kühlfalle ihre Wirksamkeit plötzlich verliert. Ist der gesamte Inhalt der Kühlfalle verdampft oder sind auch nur die Wandbereiche des Kühlmittelbehälters, an denen die zu reinigenden Gase vorbeistreichen, nicht mehr gekühlt, dann werden plötzlich die vorher durch Kondensation gebundenen Schadstoffe wieder als Dämpfe freigesetzt und können die übrige Anlage verschmutzen. Sie gelangen in massiver Konzentration in die angeschlossenen Pumpen oder Reaktionsräume. Deshalb ist es bei besonders empfindlichen Prozessen erforderlich, den Füllstand des flüssigen Stickstoffs laufend zu kontrollieren und bei Unterschreiten eines Grenzniveaus einen Alarm auszulösen oder eine automatische Nachfüllmaßnahme in Gang zu setzen. In practice it is important that there is always a minimum supply of coolant is present, otherwise the cold trap suddenly loses its effectiveness. Is the the entire contents of the cold trap evaporate or are only the wall areas of the coolant container, where the gases to be cleaned pass by, are no longer cooled, then suddenly the pollutants previously bound by condensation again as vapors released and can contaminate the rest of the system. You get in massive Concentration in the connected Pumps or reaction rooms. That's why it's at particularly sensitive processes require the level of liquid nitrogen to be monitored continuously and to trigger an alarm if the level falls below a certain limit or to initiate an automatic refill measure. Normalerweise werden die Kühlfallen manuell nachgefüllt, wobei man sich auf die Sorgfalt des Bedienungspersonals verläßt Es ist auch bekannt, den Füllstand einer Tiefsttemperaturkühlfalle automatisch zu überwachen mit Hilfe von Temperaturmeßsonden oder Thermoelementen, die eine plötzliche Temperaturänderung erfahren, wenn ihr Sensorkopf aus dem flüssigen Kühlmittel auftaucht. Da bei der automatischen Nachfüllung zwei Temperaturmeßsonden vorzusehen sind, eine um das Mindestniveau zu ermitteln und das Nachfüllen von Kühlmittel einzuleiten, und eine andere, um ein Überlaufen des Behälters beim Nachfüllen zu verhindern, ergibt-sich nicht nur ein komplizierter Aufbau, der die Montage der Kühlfalle erschwert, sondern auch eine störende Wärmebrücke über die Zuleitungsdrähte der Sonden. Usually the cold traps are refilled manually, whereby one relies on the care of the operator. The level is also known a cryogenic cold trap to be monitored automatically with the help of temperature measuring probes or thermocouples that experience a sudden change in temperature when your Sensor head emerges from the liquid coolant. As with the automatic refill two temperature probes are to be provided, one to determine the minimum level and another to initiate coolant replenishment, and another to prevent overflow Preventing the container during refilling is not just a complicated one Structure that complicates the installation of the cold trap, but also creates an annoying thermal bridge via the lead wires of the probes. Diese Nachteile können an sich durch andere klassische Niveaumeßverfahren umgangen werden, zu denen die Ultraschallmessung, außenliegende Temperatursensoren, strahlungsempfindliche Temperatursensoren oder Mikrowellenmessungen gehören. Bei diesen Verfahren ist der apparative Aufwand groß und die Zugänglichkeit zur Kühlfalle wird behindert. Außerdem wird durch auf den Kühlmittelbehälter außen aufgebrachte Sensoren und deren Zuleitungen Wärme in das Kühlmittel eingeführt, so daß die Verdampfungsrate steigt. Auch die Durchführung von Meßleitungen durch den hochvakuumdichten Isolierbehälter bereitet Schwierigkeiten. These disadvantages can be avoided by other classic level measurement methods bypassed, which include ultrasonic measurement, external temperature sensors, radiation-sensitive temperature sensors or microwave measurements. at These methods require a great deal of equipment and access to the cold trap becomes disabled. In addition, it is applied externally to the coolant tank Sensors and their leads introduced heat into the coolant, so that the rate of evaporation increases. Also the implementation of measuring lines through the high vacuum-tight insulating container causes difficulties. Schließlich ist auch eine optische Überwachung der Kühlmittelniveaus schon vorgeschlagen worden, jedoch müssen dann die beiden Behälter aus Glas hergestellt sein. Finally, there is also an optical monitoring of the coolant level has already been proposed, but then the two containers must be made of glass be. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Füllstandskontrolle eines doppelwandigen Behälters für tiefgekühlte Flüssigkeiten anzugeben, die einfach aufgebaut ist, keine Wärmebrücke bildet und keine durch den Isolierbehälter hindurchzuleitenden Meßleitungen benötigt und auch bei optisch nicht transparenten Behältern anwendbar ist. The object of the invention is to provide a device for level control of a double-walled container for frozen liquids to indicate that simple is built up, does not form a thermal bridge and does not have to pass through the insulating container Measuring lines required and can also be used with optically non-transparent containers is. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zur berührungsfreien Messung des Abstands zwischen dem Boden des die Flüssigkeit enthaltenden Behälters und dem Boden des äußeren Behälters vorgesehen sind und daß dieser Abstand als Maß für den Füllstand ausgewertet wird. This object is achieved in that means for non-contact measurement of the distance between the bottom of the liquid containing Container and the bottom of the outer container are provided and that this distance is evaluated as a measure of the level. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen. With regard to features of preferred embodiments of the invention reference is made to the subclaims.
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Cited By (3)

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FR2653877A1 (en) * 1989-10-31 1991-05-03 Coursnes Dina Device for reading the level of a substance in an opaque container
US7739909B2 (en) 2006-11-08 2010-06-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Acoustic fluid level monitoring
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