DE4226441A1 - Arrangement for measuring vaporisation rate of liquefied gases - has evaporation opening flow measurement device, press. sensors, level measurement device and computer unit - Google Patents

Arrangement for measuring vaporisation rate of liquefied gases - has evaporation opening flow measurement device, press. sensors, level measurement device and computer unit

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Abstract

The arrangement contains a flow measurement device (5) in the evaporation opening (10) of a container (1) for measuring the vol. flow of vaporised gas, a level measurement device (6) for the liquefied gas, a press. sensor (7) for measuring the barometric press. in the container above the liquid and a computer unit (12) for computing the corrected vol. flow from the measured vol. flow, level and press. The level can be determined via a wt. measurement. The press. sensor is mounted directly above the liquefied gas. The flow measurement device is connected to the evaporation opening via a short connecting line of large cross-section. USE/ADVANTAGE - E.g. for use with cryostats in nuclear spin tomography. Enables vaporisation rates to be measured rapidly.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung ei­ ner Abdampfrate von verflüssigten Gasen aus einem Gefäß mit einer Abdampföffnung. Bei Geräten, die mit verflüssigten Gasen gekühlt werden, ist stets ein Kryostat mit hochwerti­ ger Isolierung vorgesehen, um die Abdampfrate gering zu halten. Eine niedrige Abdampfrate ist z. B. bei supraleiten­ den Spulen, die mit Helium gekühlt werden, besonders wich­ tig. Flüssiges Helium ist verhältnismäßig teuer, eine Rück­ verflüssigung vor Ort ist aufwendig und das Erfordernis ei­ ner häufigeren Nachfüllung stört den Betriebsablauf. Ferner ist in manchen Ländern flüssiges Helium nur mit großem Auf­ wand zu bekommen.The invention relates to a device for determining egg with a vaporization rate of liquefied gases from a vessel an evaporation opening. For devices with liquefied Cooling gases is always a high quality cryostat ger insulation provided to reduce the evaporation rate low hold. A low evaporation rate is e.g. B. with superconductors the coils that are cooled with helium tig. Liquid helium is relatively expensive, a back Liquefaction on site is complex and the requirement A more frequent refill disrupts the operational process. Further is liquid helium in some countries only with great opening get wall.

Im heutigen kommerziellen Einsatz werden supraleitende Ma­ gnete mit Heliumkühlung hauptsächlich für die Kernspintomo­ graphie eingesetzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird daher im folgenden anhand eines Kryostaten für ein Kern­ spintomographiegerät erklärt. Ein derartiger Kryostat ist in der Figur stark schematisiert dargestellt. Der Kryostat weist im wesentlichen die Form eines Hohlzylindern auf, wo­ bei der Innenraum 9 des Hohlzylinders zur Aufnahme des Un­ tersuchungsobjekts, im allgemeinen also eines Patienten, dient. Ein Ringraum 2 des Kryostaten ist mit flüssigem He­ lium gefüllt. In diesem Ringraum liegt eine der Übersicht­ lichkeit wegen nicht dargestellte Wicklung, die das Grund­ magnetfeld des Kernspintomographen erzeugt. Dieser Ringraum ist thermisch aufwendig isoliert, um eine Verdampfung des flüssigen Heliums weitestgehend zu verhindert. Die Vielzahl der zur thermischen Isolierung vorgesehenen Maßnahmen sind in der Figur ebenfalls nicht dargestellt, da sie nicht Ge­ genstand der Erfindung sind. In today's commercial use, superconducting magnets with helium cooling are mainly used for magnetic resonance imaging. The device according to the invention is therefore explained below using a cryostat for a nuclear spin tomography device. Such a cryostat is shown in a highly schematic manner in the figure. The cryostat essentially has the shape of a hollow cylinder, where in the interior 9 of the hollow cylinder for receiving the un-examination object, generally a patient. An annular space 2 of the cryostat is filled with liquid He lium. In this annulus is one of the overview because of a winding, not shown, which generates the basic magnetic field of the magnetic resonance scanner. This annulus is thermally complex insulated in order to largely prevent evaporation of the liquid helium. The large number of measures provided for thermal insulation are also not shown in the figure, since they are not the subject of the invention.

Trotz aufwendigster thermischer Isoliermaßnahmen ist eine gewisse Abdampfrate des Heliums nicht zu verhindern. Die Abdampfung erfolgt im allgemeinen über einen auf den zylin­ derförmigen Kryostaten aufgeschweißten Zylinder 4. Um die Abdampfrate als wichtigen Parameter für die Qualität des Kryostaten zu bestimmen, wild in eine Helium-Abdampfleitung 8 eine Durchflußmeßeinrichtung 5 eingefügt. Aus folgendem Grund ist eine Messung der Abdampfrate in kürzerer Zeit, z. B. im Prüffeld, nicht exakt möglich: Der Verdampfungs­ punkt von Helium ist u. a. vom Luftdruck abhängig, d. h., er nimmt mit steigendem Luftdruck zu. Bei modernen Kryostaten liegt die designbedingte Abdampfrate unter 0,1 1/Std., wäh­ rend das Reservoir an flüssigem Helium etwa 1.000 1 be­ trägt. Wenn also beispielsweise der Luftdruck ansteigt, dauert es eine erhebliche Zeit, bis sich der Kryostat mit dem flüssigen Helium auf den neuen Helium-Verdampfungspunkt aufgewärmt hat. Bei fallendem Luftdruck erfolgt die "Abkühlung" auf die niedrigere Verdampfungstemperatur über eine erhöhte Abdampfrate. Die Halbwertszeit dieses thermo­ dynamischen Prozesses kann unter ungünstigen Umständen ei­ nige Stunden betragen. Der Einfluß der Luftdruckänderung übersteigt oft den eigentlich zu messenden Wert.Despite the most complex thermal insulation measures, a certain evaporation rate of the helium cannot be prevented. The evaporation generally takes place via a cylinder 4 welded onto the cylindrical cryostat. In order to determine the evaporation rate as an important parameter for the quality of the cryostat, a flow measuring device 5 is wildly inserted into a helium evaporation line 8 . A measurement of the evaporation rate in a shorter time, e.g. B. in the test field, not exactly possible: the evaporation point of helium is dependent, among other things, on the air pressure, ie it increases with increasing air pressure. In modern cryostats, the design-related evaporation rate is less than 0.1 l / h, while the liquid helium reservoir is around 1,000 l. If, for example, the air pressure rises, it takes a considerable time for the cryostat to warm up with the liquid helium to the new helium evaporation point. When the air pressure drops, the "cooling" to the lower evaporation temperature takes place via an increased evaporation rate. Under unfavorable circumstances, the half-life of this thermodynamic process can be a few hours. The influence of the change in air pressure often exceeds the value actually to be measured.

Die Möglichkeiten einer verläßlichen Messung der Abdampf­ rate innerhalb eines vertretbaren Zeitraums sind daher stark eingeschränkt. Bisher blieb jedoch keine andere Mög­ lichkeit, die Abdampfrate als wichtiges Merkmal für alle Kryostaten und die Einhaltung von spezifizierten Werten zu überprüfen, außer über einen hinreichend langen Zeitraum (z. B. mehrere Tage) zu messen. Damit können barometrische Einflüsse gemittelt werden.The possibilities of a reliable measurement of the exhaust steam rates within a reasonable period are therefore highly limited. So far, however, there was no other option evaporation rate as an important characteristic for everyone Cryostat and compliance with specified values check, except for a sufficiently long period of time (e.g. several days). It can be used for barometric Influences are averaged.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung der Abdampfrate so auszugestalten, daß die Messung in wesentlich kürzerer Zeit durchgeführt werden kann. The object of the invention is therefore to provide a device for Measurement of the evaporation rate so that the measurement can be done in a much shorter time.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Vor­ richtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with a front Direction according to claim 1. Advantageous embodiments of the Invention are specified in the subclaims.

Entsprechend der Erfindung wird nicht nur der aktuelle Vo­ lumenstrom mit der Durchflußmeßeinrichtung 5, sondern auch der Füllstand des flüssigen Heliums im Kryostaten und der barometrische Druck erfaßt. Die Durchflußmeßeinrichtung 5 wird mit Hilfe einer kurzen Leitung 10 oder eines kurzen Schlauches mit vergleichsweise großem Querschnitt an die Abdampföffnung des Kryostaten angeschlossen. Damit wird ein Staudruck verhindert und die Halbwertszeit des Meßsystems nicht unnötig erhöht. Die Füllstandsmeßeinrichtung 6 zur Messung des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Heliums kann z. B. in bekannter Weise mit einem supraleitenden Leiter er­ folgen, dessen Widerstand gemessen wird. Soweit dieser Lei­ ter von flüssigen Helium überdeckt wird, geht er in den su­ praleitenden Zustand, während der nicht in flüssigem Helium liegende Teil des Leiters normal leitend ist. Mit zunehmen­ dem Heliumspiegel nimmt daher der Widerstand dieses Leiters ab, so daß durch eine Widerstandsmessung der Füllstand be­ stimmt werden kann. Der barometrische Drucksensor 7 ist di­ rekt im Gasraum über dem flüssigen Helium angebracht. Damit wird eine Verfälschung der Meßergebnisse aufgrund von Druckverlusten durch das ausströmende verdampfte Gas ver­ mieden. Als Drucksensor kann z. B. ein Silizium-Drucksensor verwendet werden.According to the invention, not only the current volume flow Vo is measured with the flow measuring device 5 , but also the fill level of the liquid helium in the cryostat and the barometric pressure. The flow measuring device 5 is connected to the evaporation opening of the cryostat using a short line 10 or a short hose with a comparatively large cross section. This prevents back pressure and does not unnecessarily increase the half-life of the measuring system. The level measuring device 6 for measuring the liquid level of the liquid helium can, for. B. he follow in a known manner with a superconducting conductor, the resistance of which is measured. To the extent that this conductor is covered by liquid helium, it goes into the su-conducting state, while the part of the conductor which is not in liquid helium is normally conductive. With increasing the helium level, the resistance of this conductor decreases, so that the level can be determined by a resistance measurement. The barometric pressure sensor 7 is mounted di rectly in the gas space above the liquid helium. This avoids a falsification of the measurement results due to pressure losses caused by the escaping evaporated gas. As a pressure sensor z. B. a silicon pressure sensor can be used.

Alle Sensoren liefern ein analoges Spannungssignal, das proportional zum interessierenden Meßwert (aktueller Volu­ menstrom, Füllstand, barometrischer Druck) ist. Die Meßwer­ te werden über einen Analog-Digitalwandler 11 in Digital­ werte umgeformt und diese einer Rechenschaltung 12 zuge­ führt. Diese berechnet den korrigierten Volumenstrom dVk/dt nach folgender Gleichung: All sensors deliver an analog voltage signal that is proportional to the measured value of interest (current volume flow, level, barometric pressure). The measured values are converted into digital values via an analog-digital converter 11 and this leads to a computing circuit 12 . This calculates the corrected volume flow dV k / dt according to the following equation:

dVk/dt = dV/dt + V/r · dH/dp · dp/dt.dV k / dt = dV / dt + V / rdH / dpdp / dt.

Dabei bedeutet:
dV/dt der von der Durchflußmeßeinrichtung gemessene aktu­ elle Volumenstrom;
V das mittels Füllstandsmessung bestimmte Volumen des flüssigen Heliums;
dp/dt die zeitliche Ableitung des vom Drucksensor 7 fort­ laufend bestimmten barometrischen Drucks im Gasraum über dem Heliumbad des Kryostaten;
r spezifische Verdampfungswärme von Helium (r = 2,04 × 104 J/kg);
dH/dp Ableitung der Verdampfungsenthalpie nach dem Druck, bei nicht zu großen Änderungen um den Normaldruck gilt: dH/dp = 5,26 × 10-2 J/(kg × pa).
Here means:
dV / dt the current volume flow measured by the flow measuring device;
V is the volume of liquid helium determined by means of level measurement;
dp / dt the time derivative of the barometric pressure continuously determined by the pressure sensor 7 in the gas space above the helium bath of the cryostat;
r specific heat of vaporization of helium (r = 2.04 × 10 4 J / kg);
dH / dp Derivation of the enthalpy of vaporization according to the pressure, if the changes around normal pressure are not too great, the following applies: dH / dp = 5.26 × 10 -2 J / (kg × pa).

Der für die Ermittlung der Abdampfrate des Kryostaten er­ forderliche Füllstand kann z. B. auch durch Wiegen des Kryostaten ermittelt werden, wenn im Kryostaten kein Füll­ standanzeiger vorhanden ist.The one for determining the evaporation rate of the cryostat required level can e.g. B. also by weighing the Cryostats are determined if there is no fill in the cryostat level indicator is present.

Besonders günstig wäre der Einsatz von Differenzdruckmes­ sern mit hinreichend kleiner Auflösung, die jeweils nach erfolgter Messung referenzdruckseitig auf den aktuellen Meßdruck angepaßt werden. Dies könnte z. B. durch ein elek­ tromagnetisches Ausgleichsventil erfolgen.The use of differential pressure measurement would be particularly favorable with sufficiently small resolution, each after measurement done on the reference pressure side to the current one Measuring pressure can be adjusted. This could e.g. B. by an elek tromagnetic compensation valve.

Claims (6)

  1. l. Vorrichtung zur Bestimmung einer Abdampfrate von ver­ flüssigten Gasen aus einem Gefäß mit einer Abdampföffnung, bestehend aus:
    • - einer Durchflußmeßeinrichtung (5) in der Abdampföffnung (10) zur Bestimmung des Volumenstroms das abdampfenden Gases,
    • - einer Füllstandsmeßeinrichtung (6) für das verflüssigte Gas,
    • - einem Drucksensor (7) zur Bestimmung des barometrischen Drucks im Gefäß (1) oberhalb des verflüssigten Gases,
    • - einer Recheneinheit (12), die aus den Größen Volumen­ strom, Füllstand und Druck im Gefäß den korrigierten Vo­ lumenstrom berechnet.
    l. Device for determining an evaporation rate of liquefied gases from a vessel with an evaporation opening, consisting of:
    • - A flow measuring device ( 5 ) in the evaporation opening ( 10 ) for determining the volume flow of the evaporating gas,
    • - a level measuring device ( 6 ) for the liquefied gas,
    • a pressure sensor ( 7 ) for determining the barometric pressure in the vessel ( 1 ) above the liquefied gas,
    • - A computing unit ( 12 ) that calculates the corrected volume flow from the quantities volume flow, level and pressure in the vessel.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Füllstand durch Gewichtsmessung bestimmt wird.2. Device according to claim 1, characterized ge indicates that the fill level by Weight measurement is determined.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drucksensor (7) unmittelbar über dem verflüssigten Gas angebracht wird.3. Apparatus according to claim 3, characterized in that the pressure sensor ( 7 ) is attached directly above the liquefied gas.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchflußmeßeinrichtung (5) über eine kurze Verbindungslei­ tung (10) großen Querschnitts an die Abdampföffnung (10) angeschlossen ist.4. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flow measuring device ( 5 ) via a short connection line ( 10 ) large cross-section is connected to the evaporation opening ( 10 ).
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß alle Meßwerte analog erfaßt, digitalisiert und in der Rechenein­ heit digital verarbeitet werden.5. Device according to one of claims 1 to 4, there characterized by that all Measured values recorded, digitized and in the arithmetic be processed digitally.
  6. 6. Vorrichtung zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Recheneinheit den korrigierten Volumenstrom dVk/dt aufgrund folgender Beziehung berechnet: dVk/dt = dV/dt + V/r · dH/dp · dp/dt, wobei
    • - dV/dt = der von der Durchflußmeßeinrichtung aktuell ge­ messene Massenfluß,
    • - V = das mittels des Füllstands (6) bestimmte Volumen des verflüssigten Gases,
    • - dp/dt = zeitliche Ableitung des vom Drucksensor (7) be­ stimmten barometrischen Drucks im Gasraum über dem ver­ flüssigten Gas,
    • - r spezifische Verdampfungswärme des betrachteten Gases,
    • - dH/dp = Ableitung der Verdampfungsenthalpie nach dem Druck.
    6. Device for operating a device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the computing unit calculates the corrected volume flow dV k / dt based on the following relationship: dV k / dt = dV / dt + V / r · dH / dp · Dp / dt, where
    • - dV / dt = the mass flow currently measured by the flow measuring device,
    • V = the volume of the liquefied gas determined by means of the fill level ( 6 ),
    • - dp / dt = time derivative of the barometric pressure in the gas space determined by the pressure sensor ( 7 ) above the liquefied gas,
    • - r specific heat of vaporization of the gas under consideration,
    • - dH / dp = derivation of the evaporation enthalpy after the pressure.
DE19924226441 1992-08-10 1992-08-10 Arrangement for measuring vaporisation rate of liquefied gases - has evaporation opening flow measurement device, press. sensors, level measurement device and computer unit Withdrawn DE4226441A1 (en)

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