RU1208899C

RU1208899C - Method of measuring level of cryogenic liquid

Info

Publication number: RU1208899C
Authority: RU
Inventors: А.И. Осецкий
Original assignee: Осецкий Александр Иванович
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1995-07-09

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня криогенных жидкостей в транспортных дьюарах, различных непрозрачных сосудах, а также в измерительных прецизионных устройствах, в частности в жидкостных калориметрах. The invention relates to the field of instrumentation and can be used to measure the level of cryogenic liquids in transport dewar, various opaque vessels, as well as in measuring precision devices, in particular in liquid calorimeters.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня. The aim of the invention is to improve the accuracy of level measurement.

Способ заключается в измерении величины растяжения частично погруженной в криогенную жидкость полимерной нити, имеющей температуру стеклования более высокую, чем температура жидкости. При этом предварительно к полимерной нити прикладывают растягивающее усилие и термостатируют ее в точке, расположенной выше уровня жидкости, а об изменении уровня судят по перемещению участка полимерной нити, расположенного выше точки, имеющей температуру стеклования. The method consists in measuring the tensile value of a polymer thread partially immersed in a cryogenic liquid having a glass transition temperature higher than the temperature of the liquid. In this case, a tensile force is first applied to the polymer thread and thermostated at a point located above the liquid level, and the level change is judged by the movement of the polymer thread section located above the point having a glass transition temperature.

На чертеже схематически изображено устройство для реализации предлагаемого способа. The drawing schematically shows a device for implementing the proposed method.

Устройство содержит расположенный в опорной трубке термочувствительный элемент, выполненный в виде упруго натянутой полимерной нити, а также приспособления для нагружения, термостатирования и измерения удлинения этой нити. The device comprises a thermosensitive element located in the support tube, made in the form of an elastically stretched polymer thread, as well as devices for loading, thermostating and measuring the elongation of this thread.

В сосуде 1 с криогенной жидкостью 2 размещена опорная трубка 3 с натянутой внутри нее полимерной нитью 4. Нижний конец трубки 3 с помощью специального прижимного механизма 5 подпружинен к дну сосуда 1. Верхний конец этой трубки запрессован в металлический блок 6, температура которого в процессе работы устройства поддерживается строго постоянной с помощью термометра 7, нагревателя 8 и автоматического регулятора температуры 9. Для сообщения внутреннего объема трубки 3 с объемом сосуда 1 в трубке предусмотрена система отверстий 10. In the vessel 1 with cryogenic liquid 2 there is a support tube 3 with polymer thread stretched inside it 4. The lower end of the tube 3 is spring-loaded to the bottom of the vessel 1 by means of a special clamping mechanism 5. The upper end of this tube is pressed into a metal block 6, the temperature of which during operation The device is kept strictly constant with the help of a thermometer 7, a heater 8, and an automatic temperature regulator 9. To communicate the internal volume of the tube 3 with the volume of the vessel 1, a system of holes 10 is provided in the tube.

Полимерная нить 4 размещена так, что один ее конец закреплен у нижнего края трубки 3, а второй через плунжерный шток 11 связан с механизмом нагружения. Механизм нагружения выполнен в виде вращающегося на кронштейне 12 блока 13, через который перекинут тонкий стальной тросик 14. К одному концу тросика подвешены грузы 15, а второй его конец закреплен на штоке 11. Шток 11 с помощью толкателя 16 связан с сердечником прецизионного измерителя 17 малых перемещений, показания которого регистрируются электронным самописцем 18. Более грубо удлинение нити 4 можно регистрировать с помощью отградуированной шкалы 19 и указательной стрелки 20. Вся описанная система смонтирована на опорной плите 21. The polymer thread 4 is placed so that one of its ends is fixed at the lower edge of the tube 3, and the second through the plunger rod 11 is connected with the loading mechanism. The loading mechanism is made in the form of a block 13 rotating on an arm 12 through which a thin steel cable is thrown 14. Weights 15 are suspended at one end of the cable and its second end is fixed to the rod 11. The rod 11 is connected to the core of a precision meter 17 by means of a pusher 16 movements, the readings of which are recorded by the electronic recorder 18. More roughly, the elongation of the thread 4 can be recorded using a graduated scale 19 and the index arrow 20. The entire system described is mounted on a base plate 21.

Устройство работает следующим образом. В сосуд 1 заливают криогенную жидкость, после чего к нити 4 с помощью грузов 15 прикладывают постоянную во времени нагрузку F, вызывающую упругое растяжение этой нити, и включают автоматический регулятор 9, задающий некоторое значение температуры блока 6, равное Т_о. После выдержки прибора в течение 15-20 мин, необходимой для установления вдоль нити 4 стабильного градиента температур, можно начинать измерения уровня жидкости.The device operates as follows. A cryogenic liquid is poured into the vessel 1, after which a constant load F is applied to the filament 4 using weights 15, causing elastic stretching of this filament, and an automatic regulator 9 is set, setting a certain temperature value of block 6 equal to T _o . After holding the device for 15-20 minutes, necessary to establish a stable temperature gradient along thread 4, it is possible to start measuring the liquid level.

Если в некоторый момент времени уровень криогенной жидкости в сосуде, например жидкого азота, находится на высоте h₁, то на не погруженном в азот отрезке натянутой нити 4 (отрезке длиной l) устанавливается некоторый градиент температур, соответствующий изменению температуры нити от 77,3 К (точка а) до температуры Т_о, сравнимой с температурой блока 6 (точка б). В случае, если
Т_о > Т_д > Т_кип, где Т_кип температура кипения криогенной жидкости,
Т_д температура стеклования нити, то на отрезке l точка, имеющая температуру Т Т_д, будет находиться на расстоянии h* от поверхности азота. Значения h* изменяются в зависимости от теплопроводности нити и значений Т_д, Т_о и Т_кип, а также зависят от размеров устройства.If at some point in time the level of cryogenic liquid in a vessel, for example liquid nitrogen, is at a height h ₁ , then a certain temperature gradient is established on the stretch of thread 4 not immersed in nitrogen (length 1), corresponding to a change in the temperature of the thread from 77.3 K (point a) to a temperature T _o comparable with the temperature of block 6 (point b). If
T _about > T _d > T _bales , where T _bales boiling point of cryogenic liquid,
T _d the glass transition temperature of the thread, then on the segment l the point having a temperature T T _d will be at a distance h * from the surface of nitrogen. The values of h * vary depending on the thermal conductivity of the thread and the values of T _d , T _about and T _bales , and also depend on the size of the device.

Если уровень жидкости в сосуде понижается до h₂ на величину Δh h₁ h₂, то при этом точка, имеющая температуру Т_д на отрезке l упруго растянутой нити 4, также понижается на величину δh= Δh/K, где К коэффициент пропорциональности, зависящий от значений температуры Т_д применяемых нитей и температуры кипения жидкостей, уровень которых измеряется, и лежащий в реальных случаях в реальных случаях в пределах от 1 до 3. Это означает, что средняя температура участка нити, имеющего длину δh и находящегося вне жидкости на отрезке l, становится выше Т_д. Это приводит к резкому уменьшению среднего модуля упругости нити на этом участке на величину < ΔЕ > <Е₁> <Е₂>, где <Е₁> и <Е₂> средние значения модулей упругости нити при температурах Т₁ < Т_д и Т₂ > Т_д, соответственно.If the liquid level in the vessel decreases to h ₂ by Δh h ₁ h ₂ , then the point having the temperature T _d on the segment l of the elastically stretched thread 4 also decreases by the value δh = Δh / K, where K is the proportionality coefficient, which depends from the temperature values T _{d of the} applied filaments and the boiling point of liquids, the level of which is measured, and lying in real cases in real cases, from 1 to 3. This means that the average temperature of the section of the filament having a length δh and located outside the liquid on the segment l , becomes higher than T _d . This leads to a sharp decrease in the average modulus of elasticity of the thread in this section by <ΔE><E ₁ ><E ₂ >, where <E ₁ > and <E ₂ > are the average values of the modulus of elasticity of the thread at temperatures T ₁ <T _d and T ₂ > T _d , respectively.

Поскольку вся нить находится под нагрузкой F, уменьшение ее модуля упругости на отрезке δh приводит к удлинению ее на величину
(δh)_F=

где F нагрузка на нити;
S площадь ее поперечного сечения, то есть F/S δ растягивающие напряжения, приложенные к нити.Since the whole thread is under load F, a decrease in its elastic modulus on the segment δh leads to its elongation by
(δh) _F =

where F is the load on the threads;
S is its cross-sectional area, that is, F / S δ tensile stresses applied to the filament.

Удлинение нити регистрируют датчиком 17 малых перемещений. Если чувствительность датчика (δh), то точность измерения уровня криогенной жидкости в сосуде равна
(Δh)_ур=

Материалом для применяемых нитей может служить целый ряд полимеров.The elongation of the filament is recorded by a sensor 17 of small displacements. If the sensor sensitivity (δh), then the accuracy of measuring the level of cryogenic liquid in the vessel is
(Δh) _ur =

The material for the threads used can be a number of polymers.

В частности, при работе с азотом можно применять резиновые нити на основе натурального, бутилового, и силиконового каучуков, обладающие высокой стойкостью к термоциклированию. Модуль упругости этих нитей при переходе через температуру Т_д изменяется от ≈ 10³ кг/мм² до 0,1 кг/мм² (в зависимости от наполнителя), то есть в среднем на 4 порядка.In particular, when working with nitrogen, rubber threads based on natural, butyl, and silicone rubbers can be used, which are highly resistant to thermal cycling. The elastic modulus of these threads when passing through the temperature T _d varies from ≈ 10 ³ kg / mm ² to 0.1 kg / mm ² (depending on the filler), that is, on average by 4 orders of magnitude.

Внешние напряжения, прикладываемые к полимерной нити 4, не должны превышать предела текучести материала. Это условие особенно важно для высокоточных калориметров, поскольку при его выполнении удлинение нити не сопровождается тепловыми эффектами. External stresses applied to the polymer thread 4 should not exceed the yield strength of the material. This condition is especially important for high-precision calorimeters, since when it is performed, the elongation of the thread is not accompanied by thermal effects.

При использовании индуктивных, емкостных или механотропных датчиков удлинение рабочей нити можно измерять с точностью до 10^-5 мм, при этом точность определения уровня криогенной жидкости составляет теоретически ( Δh)_ур 5˙ 10^-6 мм.When using inductive, capacitive or mechanotropic sensors, the elongation of the working thread can be measured with an accuracy of 10 ^-5 mm, while the accuracy of determining the level of cryogenic liquid is theoretically (Δh) _ur 5˙ 10 ^-6 mm.

Таким образом, данный способ позволяет повысить точность измерения уровня криогенной жидкости в сосудах до 10^-5 мм.Thus, this method allows to increase the accuracy of measuring the level of cryogenic liquid in the vessels up to 10 ^-5 mm

Способ может быть использован также для измерения уровня криогенных жидкостей, испаряющихся с малыми скоростями (менее 10^-4 л/ч).The method can also be used to measure the level of cryogenic liquids evaporating at low speeds (less than 10 ^-4 l / h).

Claims

METHOD FOR MEASURING THE CRYOGENIC LIQUID LEVEL, which consists in measuring the parameters of a thermally sensitive element partially immersed in a liquid, characterized in that, in order to increase the accuracy of the measurements, a polymer thread is used as a heat-sensitive element, the glass transition temperature of which is higher than the temperature of the controlled liquid, and then to the polymer thread apply a tensile force and thermostat it at a point located above the liquid level, and the change in level is judged by the displacement ASTK yarn upstream point having a glass transition temperature.