RU2187078C2

RU2187078C2 - Device for measuring level of cryogenic fluid on base of discrete monolithic high-temperature superconductors

Info

Publication number: RU2187078C2
Application number: RU2000126574/28A
Authority: RU
Inventors: И.А. Архаров; нов В.Ю. Емель; В.Ю. Емельянов; О.Л. Полущенко
Original assignee: Емельянов Василий Юрьевич
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: proposed device includes sensor and secondary recording unit. Sensor includes set of sensitive high-temperature superconducting elements made from yttrium ceramics. Sensitive high-temperature superconducting elements are connected in series forming single circuit; they are located in staggered order in length of sensor inside or above dielectric base. Chip-resistors or conductor made from high-resistance alloy are used as heating elements which are switched on by sections or over entire length of sensor. EFFECT: enhanced accuracy; extended field of application. 3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к областям криогенной техники и криогенного машиностроения. The present invention relates to the fields of cryogenic engineering and cryogenic engineering.

Данное устройство может быть также использовано там, где применяются сжиженные азот, кислород, аргон:
1) в промышленности, при осуществлении определенных технологических операции;
2) современных магнитных ВТСП (Высокотемпературных сверхпроводящих) системах, обеспечивая промежуточную ступень охлаждения для резервуаров Не;
3) в медицине: в криоаппаратах для гинекологии, онкологии, проктологии, ЛОР и др., а также в криоаппаратах для косметологи и дерматологии, в оборудовании для общей и локальной криотерапии, в оборудовании для замораживания/размораживания и длительного хранения биопродуктов (крови, костного мозга, и др. биоматериалов);
4) в сельском хозяйстве для хранения биологических веществ;
5) в метрологии - охлаждение узла электронной пушки электронного микроскопа;
6) в радиоастрономии, при охлаждении высокочувствительных входных каскадов радиоприемников мм.диапазона волн;
7) в шоу-бизнесе, для получения спецэффектов.This device can also be used where liquefied nitrogen, oxygen, argon are used:
1) in industry, in the implementation of certain technological operations;
2) modern magnetic HTSC (High Temperature Superconducting) systems, providing an intermediate cooling stage for He tanks;
3) in medicine: in cryo-devices for gynecology, oncology, proctology, ENT, etc., as well as in cryo-devices for cosmetologists and dermatology, in equipment for general and local cryotherapy, in equipment for freezing / thawing and long-term storage of biological products (blood, bone brain, and other biomaterials);
4) in agriculture for the storage of biological substances;
5) in metrology - cooling of the electron gun assembly of an electron microscope;
6) in radio astronomy, when cooling highly sensitive input stages of radio receivers of mm wave range;
7) in show business, for special effects.

Также возникает потребность определять уровень хладагента при его транспортировке в сосудах Дюара, таких как: 50LD,35LD, 25LD и в кислород/азотдобывающих станциях АКДС-70, МКДС-70. There is also a need to determine the level of refrigerant during its transportation in Dewar vessels, such as: 50LD, 35LD, 25LD and in oxygen / nitrogen producing stations AKDS-70, MKDS-70.

Аналогом изобретения является следующий патент:
S. Siegmann, N.J. Guntherodt "Fullstandsdetector fur Kryogene Flussigkeiten", Int. Patent PCT/CH90/00166, основной недостаток которого состоит в способе реализации протяженного чувствительного элемента на базе ВТСП (Высокотемпературный сверхпроводник) проводника, в отличие от него, данное устройство выполнено в виде последовательности миниатюрных ВТСП-элементов, соединенных в цепь, что позволяет задавать произвольную пространственную конфигурацию датчику. Кроме этого, данное устройство отличается повышенной чувствительностьюк резким перепадам уровня и более широким диапазоном измерения. Погрешность измерения уровня определяется шагом расположения ВТСП-элементов и ограничивается как их минимальными размерами, так и шириной диэлектрического основания, на котором они расположены. Следовательно, возможно создавать датчики на длины более 1.5 метров. Кроме этого, наличие дискретных элементов разрешения позволяет осуществлять локальный, секционный нагрев, что делает данный тип датчика выигрышным по сравнению с аналогом, в котором идет нагрев по всей длине чувствительного элемента.An analogue of the invention is the following patent:
S. Siegmann, NJ Guntherodt "Fullstandsdetector fur Kryogene Flussigkeiten", Int. Patent PCT / CH90 / 00166, the main disadvantage of which is the method for implementing an extended sensitive element based on a HTSC (High Temperature Superconductor) conductor, in contrast to this device is made in the form of a sequence of miniature HTSC elements connected in a circuit, which allows you to specify an arbitrary spatial configuration of the sensor. In addition, this device is characterized by increased sensitivity to sharp level drops and a wider measuring range. The error in level measurement is determined by the location of the HTSC elements and is limited both by their minimum size and the width of the dielectric base on which they are located. Therefore, it is possible to create sensors for lengths greater than 1.5 meters. In addition, the presence of discrete resolution elements allows for local, sectional heating, which makes this type of sensor advantageous in comparison with an analogue in which heating occurs along the entire length of the sensitive element.

Указанные в отличительной части формулы признаки позволяют считать предложенное техническое решение соответствующим критерию "новизна". Поскольку совокупность признаков отличительной и ограничительной частей неизвестна из научно-технической и патентной литературы, то устройство соответствует критерию "изобретательский уровень". The features indicated in the characterizing part of the formula allow us to consider the proposed technical solution as meeting the “novelty” criterion. Since the totality of the features of the distinctive and restrictive parts is unknown from the scientific, technical and patent literature, the device meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг. 1-3, где
фиг. 1 - вид датчика сверху;
фиг. 2 - изображение среза датчика с нагревателями на основе резисторов;
фиг. 3 - изображение среза датчика с нагревателями на основе сплава высокого сопротивления;
На фигуре 1:
1 - ВТСП-датчик - чувствительный элемент (Y-123);
2 - печатный проводник, осуществляющий межэлементную коммутацию;
3 - основание датчика из стеклотекстолита, керамики или другого стойкого к хладагенту диэлектрика.The invention is illustrated in FIG. 1-3 where
FIG. 1 is a plan view of the sensor;
FIG. 2 is a cutaway image of a sensor with resistor-based heaters;
FIG. 3 is a cutaway image of a sensor with heaters based on a high-resistance alloy;
In the figure 1:
1 - HTSC sensor - sensitive element (Y-123);
2 - printed conductor performing inter-element switching;
3 - the base of the sensor is made of fiberglass, ceramic or other dielectric-resistant dielectric.

На фигуре 2:
1 - ВТСП-датчик - чувствительный элемент (Y-123);
2 - нагревательный элемент: ЧИП-резистор;
3 - основание, на котором размещены чувствительные ВТСП-датчики;
4 - теплоизолятор, для уменьшения влияния нагревательного элемента на измеряемую среду;
5 - диэлектрическая, теплоизоляционная прокладка;
6 - припой (ПОС-61), осуществляющий механическое и электрическое соединение;
7 - заливочный компаунд.In figure 2:
1 - HTSC sensor - sensitive element (Y-123);
2 - heating element: CHIP resistor;
3 - the base on which the sensitive HTSC sensors are placed;
4 - heat insulator, to reduce the influence of the heating element on the measured medium;
5 - dielectric, insulating gasket;
6 - solder (POS-61), performing a mechanical and electrical connection;
7 - casting compound.

На фигуре 3:
1 - основание, на котором размещены чувствительные ВТСП-элементы;
2 - нагреватель;
3 - чувствительный ВТСП-элемент.In figure 3:
1 - the base on which the sensitive HTSC elements are placed;
2 - heater;
3 - sensitive HTSC element.

Устройство измерения криогенной жидкости состоит из 2-х частей: датчика уровня и вторичного блока. The cryogenic liquid measuring device consists of 2 parts: a level sensor and a secondary unit.

Датчик уровня представляет собой набор миниатюрных элементов, выполненных из монолитного куска иттриевой керамики (Y₁Ba₂Cu₃О₇), ВТСП-материала (Y-123). Размеры элементов выбираются, исходя из требуемой разрешающей способности и технологических ограничений на их изготовление. Рекомендуется использовать размеры, соответствующие ЧИП-резисторам (1.55•0.8 мм; 2.0•1.25 мм; 3.2•1.6 мм). Торцы датчиков снабжены контактами, посредством которых осуществляется соединение с печатной платой. Печатная плата является основанием для размещения ВТСП-элементов, печатные проводники осуществляют межэлементную коммутацию (по ним происходит передача измерительного тока от датчика к датчику) и съем показаний. Порядок размещения ВТСП-элементов по основанию может быть различным (шахматный, через интервалы, и т.д.), например U-образным. Такой способ размещения чувствительных элементов позволяет минимизировать погрешность измерения, вызванную градиентом температуры по длине основания уровнемера.The level sensor is a set of miniature elements made of a monolithic piece of yttrium ceramic (Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O ₇ ), HTSC material (Y-123). The sizes of the elements are selected based on the required resolution and technological limitations on their manufacture. It is recommended to use the sizes corresponding to the chip resistors (1.55 • 0.8 mm; 2.0 • 1.25 mm; 3.2 • 1.6 mm). The ends of the sensors are provided with contacts, through which they are connected to the printed circuit board. The printed circuit board is the basis for the placement of HTSC elements, the printed conductors carry out inter-element switching (they transmit the measuring current from the sensor to the sensor) and take readings. The order of placement of HTSC elements at the base can be different (staggered, at intervals, etc.), for example, U-shaped. This method of placement of sensitive elements minimizes the measurement error caused by the temperature gradient along the length of the base of the level gauge.

Рабочая плоскость ВТСП-элементов контактирует со средой как непосредственно, так и через теплопроводящую пластину. К противоположной стороне чувствительных элементов прилегает нагреватель. Нагреватель необходим для того, чтобы ускорить переход элементов, находящихся в парах, в нормальное (не сверхпроводящее состояние). Реализация нагревателя либо в виде набора стандартных ЧИП-резисторов (фиг. 1), либо в виде зигзагообразного проводника, расположенного в толщине основания (фиг. 3). The working plane of the HTSC elements is in contact with the medium both directly and through a heat-conducting plate. A heater is adjacent to the opposite side of the sensing elements. A heater is necessary in order to accelerate the transition of elements in pairs to normal (not superconducting state). The implementation of the heater is either in the form of a set of standard CHIP resistors (Fig. 1), or in the form of a zigzag conductor located in the thickness of the base (Fig. 3).

К внешним контактам ВТСП уровнемера подключается вторичный регистрирующий блок. Одна пара внешних контактов - токовые. Вторая пара - потенциальные. Кроме измерительных проводов к датчику присоединяются нагревательные проводники, которые производят нагрев секции чувствительных элементов, затем через токовые контакты (I⁺, I^-) датчика пропускается измерительный ток, по которому определяют какая часть ВТСП уровнемера, находится в паре. Другая часть ВТСП-элементов, останется в сверхпроводящем состоянии. Поскольку уровень сверхпроводимости вдоль датчика меняется в соответствии с изменением уровня хладагента, то при этом меняется и напряжение, снимаемое с потенциальных концов (U⁺, U^-) (пропускаемый ток - константа). Величина фиксируемого вторичным блоком напряжения обратно пропорциональна уровню хладагента в сосуде. Регистрирующий блок обеспечивает постоянство протекающего тока, измерение через интервалы времени не больше интервала разрешения (для уменьшения внесения возмущения в измеряемую среду) и нагрев подогревателя либо по всей длине датчика, либо секционно. При секционном нагреве уровень хладагента определяется по номеру секции и ее конечному сопротивлению. Секционный нагрев является более предпочтительным, поскольку обладает минимальным вносимым возмущением в измеряемую среду, однако требует более сложной системы управления и анализа местоположения поверхности криожидкости. При этом реализация регистрирующего блока отлична от типовой (источник постоянного тока и индуцирующий прибор), поскольку требует наличие адаптивной системы съема показаний.A secondary recording unit is connected to the external contacts of the HTSC level gauge. One pair of external contacts is current. The second pair is potential. In addition to the measuring wires, heating conductors are connected to the sensor, which heat the section of sensitive elements, then the measuring current is passed through the current contacts (I ⁺ , I ^- ) of the sensor, which determines which part of the HTSC level meter is in pair. The other part of the HTSC elements will remain in the superconducting state. Since the level of superconductivity along the sensor changes in accordance with the change in the level of the refrigerant, the voltage removed from the potential ends (U ⁺ , U ^- ) also changes (the transmitted current is constant). The voltage recorded by the secondary unit is inversely proportional to the level of refrigerant in the vessel. The recording unit ensures the constancy of the flowing current, measurement at intervals of no more than the resolution interval (to reduce the disturbance in the medium being measured) and heating the heater either along the entire length of the sensor or in sections. With sectional heating, the refrigerant level is determined by the section number and its final resistance. Sectional heating is more preferable because it has a minimum introduced disturbance in the medium being measured, but it requires a more complex control system and analysis of the location of the surface of the cryoliquid. Moreover, the implementation of the recording unit is different from the typical one (direct current source and induction device), since it requires an adaptive readout system.

Устройство осуществляет измерение уровня криогенной жидкости с максимально возможной точностью при малом внесении возмущения в измеряемую среду. Возможно осуществлять измерения в условиях частичного доступа воздуха, и как следствие выпадения кристаллов инея на рабочей поверхности датчика, что выгодно отличает такой тип устройства от других датчиков уровня (емкостной, ультразвуковой и т. д. ). Инвариантность физических характеристик чувствительных ВТСП-элементов отличает данный уровнемер от резистивного. Возможность осуществлять секционный нагрев является преимуществом данного устройства над теми типами уровнемеров, где нагрев осуществляется по всей длине датчика - измерителя уровня. Вышеупомянутый технический результат приводит к расширению арсенала технических средств - измерителей уровня криогенной жидкости (уровнемеров). The device measures the level of the cryogenic liquid with the highest possible accuracy with a small disturbance introduced into the medium being measured. It is possible to carry out measurements in conditions of partial air access, and as a result of frost crystals falling out on the working surface of the sensor, which distinguishes this type of device from other level sensors (capacitive, ultrasonic, etc.). The invariance of the physical characteristics of sensitive HTSC elements distinguishes this level gauge from a resistive one. The ability to carry out sectional heating is an advantage of this device over those types of level gauges where heating is carried out along the entire length of the sensor - level meter. The aforementioned technical result leads to the expansion of the arsenal of technical means - measuring the level of cryogenic liquid (level gauges).

Указанное устройство может быть изготовлено на предприятиях Р.Ф., что соответствует критерию "промышленная применимость". The specified device can be manufactured at the enterprises of RF, which meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. A device for measuring the level of cryogenic liquids, consisting of a sensor that includes sensitive and heating elements, and a secondary recording unit, characterized in that the level sensor is a combination of sensitive high-temperature superconducting (HTSC) elements made of yttrium ceramics connected in series in a single circuit and located in a checkerboard pattern along the length of the sensor inside the dielectric base or on top of it, chip heater resistors or ovodnik of the high resistance of the alloy.

2. The device according to claim 1, characterized in that the heating elements can be switched on sectionally or along the entire length of the sensor.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the HTSC elements are made of yttrium ceramic Y-123 (Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O ₇ ).