JP2000275085A - 液面測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導応用装置が損傷を受けるのを確実に防
ぎ、しかも、極低温液体の液位がより正確に測定できる
こと。 【解決手段】 液面測定装置は液体ヘリウムを溜めてお
く容器１と、液体ヘリウムに臨ませた超電導線材を保護
する液面計外筒２と、液面計外筒２内に内蔵された超電
導線３と、超電導線３に電流を供給する定電流電源２０
と、電圧降下を測定する電圧計２１と、超電導線３近傍
の液体ヘリウムの温度を検出する温度センサ６ａ、６ｂ
…６ｆと、液面測定を統括制御する制御装置１５とを備
える。制御装置１５が定電流電源２０および温度センサ
６ａ、６ｂ…６ｆへの動作指令を与え、電圧計２１から
の電圧値に基づいて液体ヘリウムの液位を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超電導応用装置にお
ける液体ヘリウム等の極低温液体の液位あるいは上記低
温液体温度以上の任意の液体について容器内の液体液位
を測定するための液面測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の液体ヘリウム液面計は、図４に示
すように、液体ヘリウムを溜めておく容器３１と、超電
導線材を保護するＧＦＲＰ等の低温脆性に優れた材料か
らなる液面計外筒３２と、この液面計外筒３２内にエポ
キシ樹脂等を用いて周囲を固めて固定されている超電導
線３３と、この超電導線３３と接続しているヒータ３４
と、電流を供給する定電流電源３５と、電圧降下を測定
する電圧計３６とから構成されている。

【０００３】定電流電源３５から超電導線３３に与える
電流値は容器１内の上部空間を満たすヘリウムガスＧ中
では発熱により超電導線３３の超電導状態が破壊され、
かつ液体ヘリウム中では超電導線３３が超電導状態とな
るような、ある電流値に設定されている。また、ヒータ
３４は容器３１内の液体ヘリウムによる初期冷却時にヘ
リウムの蒸発ガスによる冷却で超電導線３３全体が超電
導状態になるのを防ぐために作動させる。

【０００４】ところで、定電流電源３５から超電導線３
３に上述した規定される電流を流すとき、液体ヘリウム
中ある超電導線３３の液体ヘリウムに没している部分、
すなわち超電導線３３が超電導状態にある部分と、液面
より上にあるヘリウムガスＧ雰囲気中にある部分、すな
わち超電導線３３が超電導状態を破壊された部分とでは
超電導線３３の抵抗値が異なることから、電圧値が変化
する。

【０００５】図５に超電導導体の電圧値と液位との関係
を示している。容器３１内の液体ヘリウムの液位が低下
したとき、超電導線３３の超電導化されている部分は減
少し、このとき超電導導体の抵抗値が増大するために超
電導導体の電圧は降下する。一方、容器３１内の液体ヘ
リウムの液位が上昇したとき、超電導線３３の超電導状
態にある部分は増大し、このとき、超電導導体の抵抗値
が下がるために超電導導体の電圧は上昇する。

【０００６】すなわち、電圧値と液位とは相関関係にあ
り、超電導導体の電圧値の変化からそのときの液体ヘリ
ウムの液位の変動を正確に予測することができる。通
常、超電導線３３は直線状であり、これが液面に対して
直角に配置されるので、この方法で得ることのできるグ
ラフ上のプロットした点は直線に近似している。この２
つのパラメータの相関関係に基づいて上述した液体ヘリ
ウム液面計による電圧測定値から液体ヘリウムの液位を
測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の液体ヘリウム液
面計による測定では人手を有する作業が多く、誤操作、
計器の読み取りミス等が入り込む余地がある。超電導応
用装置を損傷から保護し、より正確な液位測定を可能に
するにはこのような人手を介する作業を少なくする必要
がある。たとえば、液位を知るための液体ヘリウム液面
計での測定が行われる間、容器３１内に液体ヘリウムが
殆どないにもかかわらず、誤って検査員が超電導線３３
に規定値以上の温度となるような電流を流してしまう
と、ジュール熱が発生し、超電導線３３を焼損させてし
まう可能性がある。

【０００８】さらに、初期段階では容器３１の全体を低
温のヘリウムガスで満たして予冷するが、この操作が行
われたとき、超電導線３３に温度降下が生じることか
ら、液体ヘリウムによる抵抗変化と同様に作用し、棒状
温度計内の超電導線全体が超電導化してしまう。このと
き、電流を供給して液位測定を行うと、電圧降下が小さ
いために測定された電圧値が実際の液体ヘリウムの液位
と全く違う値を指示し、結果として、誤測定が発生する
ことになる。

【０００９】そこで、本発明の目的は超電導応用装置が
損傷を受けるのを確実に防ぎ、しかも極低温液体の液位
がより正確に測定できるようにした液面測定装置を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は液
面を保って極低温液体を貯留可能な容器と、この容器内
部の極低温液体内に直立して設けられた液面計外筒と、
この液面計外筒に内蔵された超電導状態を保持可能な導
線と、この導線に電流を供給する定電流電源と、電圧降
下を測定する電圧計と、導線近傍の極低温液体の温度を
検出する、少なくとも１個の温度検出手段と、液面測定
を統括制御する制御装置とを備え、制御装置は定電流電
源および温度センサへの動作指令を与え、かつ電圧計か
らの電圧値に基づいて極低温液体の液位を算出して表示
すると共に、温度検出手段からの温度信号に基づいて極
低温液体の温度を得るように構成したものである。

【００１１】上記構成からなる液面測定装置においては
容器内である液面を保っている極低温液体内に配置する
温度検出手段から得た検出温度に基づいて極低温液体が
一定量存在することを確認した後に、液位測定を始める
ことができる。これにより、液位測定中、誤って超電導
線を焼損させてしまうなどの重大な事故が発生するのを
確実に防ぐことが可能になる。

【００１２】また、液位測定と同時に実施する温度検出
により極低温液体の注入開始後、直ちに液位測定を始め
ても狂いのない正確な測定が可能になり、液位測定に入
るまでの待機時間を大きく短縮することができる。

【００１３】請求項２に係る発明は温度検出手段が導線
の軸方向に沿って一定の距離をおいて並ぶ複数個の温度
センサからなり、それぞれの温度センサで検出した極低
温液体の液相部と気相部との温度差に基づいて容器内の
極低温液体の有無を検出するようにしたことを特徴とす
るものである。

【００１４】上記構成からなる液面測定装置において
は、たとえば自動運転のための制御ロジックにおいて、
最下部検出温度が極低温液体の液相温度で、かつ最下部
より２番目以上の検出温度がその液体の気相温度である
ときに限り、液位測定を可能とすることで、より確実に
極低温液体が存在することを確認した後に、液位測定を
自動的に始めることが可能になる。

【００１５】さらに、請求項３に係る発明は超電導状態
を保持可能な導線に代えて、常電導線を備え、容器内に
ある超電導状態を実現できない低温液体について液位を
測定するものである。

【００１６】上記構成からなる液面測定装置においては
超電導状態を実現できない低温液体について液位を測定
することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して詳細に説明する。図１において、液面測定装置は液
体ヘリウムを溜めておく容器１を備えている。この容器
１内には上部開口から液体ヘリウムに臨ませた超電導線
材を保護する液面計外筒２が設けられている。この液面
計外筒２内には超電導線３が内蔵されている。この超電
導線３はヒータ４と接続されている。

【００１８】さらに、容器１内に液面計外筒２とほぼ平
行に後に詳述される温度センサを取り付けるためのセン
サプレート５が設けられている。このセンサプレート５
はＧＦＲＰ等の低温脆性に優れた材料で構成される。こ
のセンサプレート５に液面に垂直に向けられた超電導線
３の周囲を満たす液体ヘリウムまたはヘリウムガス温度
を検出するための温度センサ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、
６ｅ、６ｆが設けられている。

【００１９】温度センサ６ａからは他端をチャンネル切
り換え器７と結ぶ信号線８ａ、電源線９ａおよびコモン
線１０ａが引き出される。同様に、温度センサ６ｂから
チャンネル切り換え器７と結ぶ信号線８ｂ、電源線９ｂ
およびコモン線１０ｂが引き出される。残るすべての温
度センサ６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆからも個別に信号線８
ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、電源線９ｃ、９ｄ、９ｅ、９
ｆ、コモン線１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆが引き出
され、他端がチャンネル切り換え器７に結ばれている。

【００２０】さらに、チャンネル切り換え器７からは出
力信号線１１、出力電線１２および出力コモン線１３が
引き出され、他端が温度測定器１４に結ばれている。

【００２１】また、液面測定装置は自動制御のために制
御装置１５を備えている。この制御装置１５はチャンネ
ル切り換え器７とチャンネル切り換え器通信線１６によ
って結ばれ、さらに温度測定器１４と温度データ通信線
１７によって結ばれている。また、制御装置１５は警報
ブザー１８および警報表示器１９を備えている。

【００２２】さらに、液面測定装置は定電流電源２０、
電圧計２１および回路スイッチ２２を備えている。電圧
計２１は制御装置１４とデータ通信線２３によって結ば
れている。回路スイッチ２２は制御装置１４とスイッチ
制御線２４によって接続されている。

【００２３】本実施の形態は上記構成からなり、液面測
定装置の自動運転において、チャンネル切り換え器７に
対して制御装置１５から温度検出指令が与えられる。こ
の温度検出指令によりチャンネル切り換え器７が動作し
て初めに超電導線最下部の液体ヘリウム温度を検出する
温度センサ６ａが働き、検出した温度信号がチャンネル
切り換え器７を経由してアナログ信号として温度測定器
１４に入力される。温度測定器１４は与えられる温度信
号を増幅し、制御装置１５に伝送する。

【００２４】制御装置１５では内蔵の計算機で処理する
ために温度信号をディジタル信号に変換し、温度測定デ
ータとしてデータファイルに保存する。さらに、チャン
ネル切り換え器７にシーケンサから温度検出指令が順次
与えられ、温度センサ６ｂ、温度センサ６ｃ、温度セン
サ６ｄ、温度センサ６ｅ、温度センサ６ｆの順に動作す
る。そして、それぞれ得られた温度信号が温度測定器１
４に入力され、制御装置１５に伝送される。ここで、温
度信号はディジタル信号に変換され、温度測定データと
して保存される。また、これらのデータは制御装置１５
のディスプレイ上に表示される。

【００２５】一方、自動運転において、制御装置１５か
らの動作指令が回路スイッチ２２に与えられる。この動
作指令により回路スイッチ２２の接点が閉路し、定電流
電源２０が動作して直流電流が回路に流れる。回路内の
超電導線３には電圧降下が生じ、電圧計２１においてこ
の電圧が測定される。電圧計２１で測定された電圧値は
制御装置１５にアナログ信号として入力される。

【００２６】制御装置１５では与えられた電圧値を計算
機で処理するためにディジタル信号に変換し、これを電
圧測定データとしてデータファイルに保存する。さら
に、測定データに基づいて決められたアルゴリズム（た
とえば、図５に示すグラフ等から導く式による）に従い
液体ヘリウムの液位を算出する。ここで、得られた液体
ヘリウムの液位は液位測定データとしてデータファイル
に保存される。また、これらのデータは制御装置１５の
ディスプレイ上に表示される。

【００２７】上記手順により最初の液体ヘリウムの液位
自動測定を終了する。制御装置１５において後記の適当
なインターバル時間を設定して上記自動測定を繰り返
し、液体ヘリウムの液位をデータが得られる都度ディス
プレイ上に表示させることができる。インターバル時間
を零としたとき、連続した液位測定も可能である。

【００２８】より詳細な液位測定方法をフローチャート
を参照して説明する。液体ヘリウム用容器１の初期冷却
（予冷）段階では低温のヘリウムガスを容器１内に充満
させて容器１の全体の温度を液体ヘリウムに近い温度に
降温させるが、このときの各温度センサ６ａ、６ｂ、６
ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆによる測定温度はヘリウムガス温
度と見合う温度となる。液体ヘリウム温度およびヘリウ
ムガス温度は経験上、それぞれ４．２Ｋ以上および約７
Ｋの絶対温度を示す。そこで、予冷開始時に次の手順で
運転する。

【００２９】図２において、制御装置１５から温度測定
指令を出力し、チャンネル切り換え器７を始動する（ス
テップ１０１）。次に、各温度センサ６ａ、６ｂ、６
ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆで検出される温度信号を入力する
（ステップ１０２）。これは先に述べたように、最下部
から最上部に順にヘリウムガス温度を測定する。次に、
最下部検出温度が液体ヘリウム温度であり、かつ下部よ
り２番目以上の検出温度がヘリウムガス温度であるか、
否かを判定する（ステップ１０３）。

【００３０】たとえば、容器１内に液体ヘリウムの注入
開始後、内部の状態が安定してくると、徐々に液体ヘリ
ウムが底部に溜まる。このとき、底部に形成される液面
よりも上にあるヘリウムガスの温度は液体ヘリウムの温
度よりも約２．８Ｋだけ高くなる。この状態を判定の基
準として、温度センサ６ａの出力と、上部の温度センサ
６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆの出力とにより判定す
る。

【００３１】そして、条件が成立したとき、すなわち、
最下部検出温度が液体ヘリウム温度で、かつ最下部より
２番目以上の検出温度がヘリウムガス温度であるとき、
液位測定が可能と決定し、制御装置１５から動作指令を
出力し、回路スイッチ１２の接点を閉路する（ステップ
１０４）。一方、条件が不成立のとき、ステップ１０２
に戻って再び検出される温度信号を入力する。

【００３２】このように、容器１に一定量の液体ヘリウ
ムが存在するという、測定に不可欠な条件を満たした後
に、液位測定を始めることができる。これにより、液体
ヘリウムの存在が確認できないで測定を開始し、超電導
線３に規定値以上の温度となるような電流を流して超電
導線３を焼損させてしまうなどの重大な事故が発生する
のを防ぐことが可能になる。

【００３３】ところで、容器１内に注入された液体ヘリ
ウムは徐々に蒸発しつつ、液位が下がることから、急激
に液位が降下することはない。一方、液位測定のために
電流が回路中に流れると、ジュール熱が発生し、この入
熱のために液体ヘリウムの蒸発量が増す。こうした蒸発
量の増加を抑えるには測定する回数をある程度減少させ
ることが望ましい。そこで、次のようなインターバル時
間を含む液位測定方法を実施する。

【００３４】図３において、初めに、インターバル時間
を加算する（ステップ１１１）。次に、インターバル時
間に到達したか、否かを判定する（ステップ１１２）。
判定の結果、インターバル時間に到達していないとき、
再びステップ１１１に戻る。一方、インターバル時間に
到達したとき、次のステップに進み、インターバル時間
を取り消す（ステップ１１３）。

【００３５】次に、制御装置１５から回路スイッチ１２
に動作指令を出力し、電圧値を入力する（ステップ１１
４）。この動作指令が与えられたとき、定電流電源２０
から超電導源３に電流が流れ、電圧計２１で電圧値の測
定が始まる。第１回目の電圧値は制御装置１５に与えら
れ、データ処理を経て電圧測定データとしてそこに保存
される。次に、休止指令を出力し、回路スイッチ１２の
接点を開路する（ステップ１１５）。次に、得られた電
圧値に基づいてアルゴリズに従い液体ヘリウムの液位を
算出する（ステップ１１６）。

【００３６】次に、制御装置１５の計算機で算出した液
体ヘリウムの液位を保存する（ステップ１１７）。次
に、温度測定指令をチャンネル切り換え器７に出力し、
各温度センサ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆで検
出される温度信号を入力する（ステップ１１８）。

【００３７】温度信号は最下部から始め、最上部で終る
ように順次温度測定器１４を経由して制御装置１５に与
えられ、計算機に温度測定データとして保存される。次
に、各温度センサ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ
からの温度信号に基づいて検出が終了したか、否かを判
定し（ステップ１１９）、検出が終了したときは次のス
テップに進み、検出が終了してないとき、温度信号を入
力する前のステップに戻る（ステップ１１９）。

【００３８】次に、最下部検出温度がヘリウムガス温度
以上であるか、または液位測定値が超電導コイルの超電
導状態限界の危険液位以下であるか、否かを判定する
（ステップ１２０）。判定の結果、条件が成立したと
き、警報ブザー１８により異常を知らせる。同時に、警
報表示器１９を点灯させ、異常を知らせる（ステップ１
２１）。さらに、この警報と同時に超電導応用装置の運
転を停止させる（ステップ１２２）。

【００３９】一方、条件が不成立のとき、計算機に格納
した液位測定データおよび温度測定データを制御装置１
５のディスプレイ上に表示する（ステップ１２３）。こ
のディスプレイ上の表示内容は図示しないプリンタで出
力し、記録として残すことが可能である。

【００４０】以上のステップで１回目の液位自動測定を
終了し、インターバル時間を加算する最初のステップ１
１１に戻る。上記した液位測定を繰り返し、液位の上昇
をディスプレイ上の測定データで確認しつつ、超電導応
用装置の運転に入る。

【００４１】なお、本実施の形態は複数個の温度センサ
を使用するのに代えて、単一の温度センサで液体ヘリウ
ム温度を検出するようにしてもよい。単一の温度センサ
で液体ヘリウム温度を検出する場合、図１の温度センサ
６ａの位置にこの温度センサを配置する。

【００４２】また、本実施の形態は超電導線３に代え
て、常電導線を用い、その低温液体温度以上の超電導状
態を実現できない液体について容器１内の液位を測定す
るようにしてもよい。

【００４３】このように本実施の形態によれば、液体ヘ
リウムの液位測定において、たとえば最下部の温度セン
サ６ａで得た検出温度に基づいて液体ヘリウムが一定量
存在することを確認した後に、液位測定を始めることが
可能で、超電導線３を焼損させてしまうなどの重大な事
故が発生するのを防ぐことができる。

【００４４】さらに、液位測定と同時に実施する温度検
出により液体ヘリウムの注入開始後、直ちに液位測定を
始めても狂いのない正確な測定が可能で、液位測定に入
るまでの待機時間を大きく短縮することができる。

【００４５】また、インターバル時間を設定する間欠的
な自動測定を行うことにより容器１内への入熱が多量に
なるのを抑制することができ、液体ヘリウムの蒸発量を
低減することが可能になる。

【００４６】さらに、液体ヘリウムの液位が危険なレベ
ルに達したか、否かを高い精度をもって監視することが
可能になり、超電導応用装置を確実に停止させること
で、安全性を飛躍的に向上させることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明においては極低温液体内に配置す
る温度検出手段から得た検出温度に基づいて極低温液体
が一定量存在することを確認した後に、液位測定を始め
ることができ、誤って超電導線を焼損させてしまうなど
の重大な事故が発生するのを確実に防ぐことが可能にな
る。

【００４８】また、液位測定と同時に実施する温度検出
により極低温液体の注入開始後、直ちに測定を始めて
も、狂いのない正確な測定が可能で、液位測定に入るま
での待機時間を大きく短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液面測定装置の実施の形態を示す
構成図。

【図２】本発明による液面測定方法の初期段階の手順を
示すフローチャート。

【図３】本発明による液面測定方法の初期段階以降の手
順を示すフローチャート。

【図４】従来の液体ヘリウム液面計の構成図。

【図５】従来技術における電圧値と液体ヘリウムの液位
との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 容器 ２ 液面計外筒 ３ 超電導線 ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ 温度センサ ７ チャンネル切り換え器 １４ 温度測定器 １５ 制御装置 ２０ 定電流電源 ２１ 電圧計

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液面を保って極低温液体を貯留可能な容
   器と、この容器内部の極低温液体内に直立して設けられ
   た液面計外筒と、この液面計外筒に内蔵された超電導状
   態を保持可能な導線と、この導線に電流を供給する定電
   流電源と、電圧降下を測定する電圧計と、前記導線近傍
   の極低温液体の温度を検出する、少なくとも１個の温度
   検出手段と、液面測定を統括制御する制御装置とを備
   え、前記制御装置は前記定電流電源および前記温度セン
   サへの動作指令を与え、かつ前記電圧計からの電圧値に
   基づいて極低温液体の液位を算出して表示すると共に、
   前記温度検出手段からの温度信号に基づいて極低温液体
   の温度を得るように構成してなる液面測定装置。
2. 【請求項２】 前記温度検出手段が前記導線の軸方向に
   沿って一定の距離をおいて並ぶ複数個の温度センサから
   なり、それぞれの該温度センサで検出した極低温液体の
   液相部と気相部との温度差に基づいて該容器内の極低温
   液体の有無を検出するようにしたことを特徴とする請求
   項１記載の液面測定装置。
3. 【請求項３】 前記超電導状態を保持可能な導線に代え
   て、常電導線を備え、該容器内にある超電導状態を実現
   できない低温液体について液位を測定するようにしたこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の液面測定装置。