WO1991008449A1 - Liquid-level detector for cryogenic liquids - Google Patents

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WO1991008449A1
WO1991008449A1 PCT/CH1990/000166 CH9000166W WO9108449A1 WO 1991008449 A1 WO1991008449 A1 WO 1991008449A1 CH 9000166 W CH9000166 W CH 9000166W WO 9108449 A1 WO9108449 A1 WO 9108449A1
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level detector
superconducting layer
superconducting
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liquid
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PCT/CH1990/000166
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Inventor
Stefan Siegmann
Hans-Joachim GÜNTHERODT
Original Assignee
Institut Für Physik Der Universität Basel Experimentelle Physik Der Kondensierten Materie
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating 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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/24Indicating 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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
    • G01F23/246Indicating 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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid thermal devices

Definitions

  • the invention relates to a level detector for cryogenic liquids, the liquid level being detected with the aid of superconductivity.
  • the invention also relates to a method for producing such a detector.
  • the level in a cryostat with liquid helium can be measured with the aid of a superconducting wire which is immersed in the liquid.
  • a certain current flows, the part of the wire that is above the helium surface remains in the normal conducting state, while the immersed part becomes superconducting.
  • the voltage drop across the wire it is possible to determine how large the proportion of the normal-conducting resistance is in relation to the total length of the wire, from which the level of the liquid helium is inferred.
  • the fill level for liquid nitrogen has so far been determined primarily using capacitive methods or using carbon or semiconductor resistors.
  • the capacitive method takes advantage of the fact that the capacitance of a capacitor changes when there is liquid nitrogen instead of air between the capacitor plates. These level meters were but very prone to failure. Ice formation on the capacitor plates is particularly troublesome.
  • the resistance curve with these methods is subject to fluctuations in time, which must be compensated for by frequently calibrating the device.
  • the present invention is based on the task of creating a probe that can be produced with reasonable effort, is stable in the long term and exhibits resistance behavior that is as linear as possible, so that simple device arrangements are sufficient for processing measured values.
  • the probe should also be suitable for use as a continuously measuring probe. According to the invention, this object is achieved by the measures defined in the patent claims.
  • the main advantage of the new fill level detector is seen in the high measurement accuracy and in the stability and excellent reproducibility of the measured values. This even applies to continuous probes with a detection range of approx. 1 meter.
  • the measurement can take place in open systems.
  • the resistance behavior of the probe exhibits a sharp kink in the area of the transition temperature. This results in excellent discriminator properties that contribute to the high measurement accuracy.
  • 3 shows a typical evaluated measurement signal as a function of the actual fill level, to demonstrate the linear behavior of the probe
  • 4 shows a two-point transmitter in a schematic representation
  • FIG 5 shows the simplified circuit diagram of an evaluation circuit for the acquisition of resistance measurement values and their preparation for reliable measurement results.
  • a mechanical carrier 1 is coated with a substrate 2. Any body, ribbon, wire or the like can be selected as the carrier.
  • the carrier consists of a steel tube of approx. 3-8 mm in diameter.
  • the superconducting material 3 is located on the substrate 2.
  • the outside of the sensor is protected by a protective layer 4.
  • an electrical resistance heating element 5 which is separated by an electrical insulator 6, e.g. Made of magnesium or aluminum oxide, is supported on the inner wall of the support tube.
  • electrical connections 7 to 10 are led to the superconducting layer 3.
  • the heating element 5 serves to heat the sensor area directly above the liquid level to be detected.
  • the heating element ensures that the superconducting layer 3 does not become superconducting in the area of the cold liquid vapors directly above the liquid level and maintains its normal, finite resistance properties in this area. This ensures the good discriminator properties of the probe and thus the measurement accuracy and reliability of the measurement.
  • the arrangement of the heating element which extends over the extends the entire length of the active layer on the probe. This results in a short reaction time of the probe as soon as the liquid level changes.
  • Appropriate resistance values for the heating element 5 are between 100 and 1000 ohms.
  • the heating power can be between 10 mW and 100 mW.
  • a part of barium can be replaced by strontium, which makes the material completely superconducting at 81 K ( ⁇ 2 K).
  • the point of use of superconductivity is approximately 84 K.
  • the superconducting material is applied as a film of, for example, 20-80 ⁇ m to a suitable substrate 2.
  • the desired superconductor film is finally formed only after a subsequent heat treatment.
  • Suitable material for a substrate 2 applied as a layer is, for example, yttrium-stabilized ZrO 2.
  • the transition temperature T c of the above-mentioned superconducting material depends strongly on the substrate used and the tempering conditions.
  • layers with defined offset T c values in the range between 80 K and 85 K can be produced reproducibly.
  • the jump temperature in this example is thus approx. 4 K above the temperature of liquid nitrogen (77 K), so that probes with the jump temperature mentioned here as examples are excellent for both continuous and discrete detection or monitoring of the fill level in containers or tanks with liquid nitrogen.
  • a similarly suitable superconductor for use as a nitrogen probe is BiCaCuSrO ⁇ , whose transition temperature T c is 80 K.
  • the temperature dependence of the resistance profile of the new sensor using ⁇ is high-temperature superconductor as compared to known carbon resistors be ⁇ C shown a 7_ Y-lBa2Cu3 ⁇ .
  • the advantage of the new sensor lies in the sharply defined crunch in the resistance behavior, which results in excellent discriminator properties without the need for complex electronics for evaluating the measured values. Due to the sharp kink in the resistance curve, a particularly high measuring accuracy can be achieved.
  • suitable high-temperature superconductors and combinations with substrate material can be selected from the group of substances given above, the superconducting transition temperature of which is close to the temperature of the cryogenic liquid to be monitored.
  • the transition temperature it is expedient to choose the transition temperature at most 5 K above the boiling point of the liquid, since otherwise the sensor material would remain superconducting if the sensor is located directly above the liquid level in the area of the supercooled vapor which forms.
  • the reaction between the substrate layer 2 and the superconductor layer 1 also plays a decisive role in achieving the desired properties of the probe, in addition to other process parameters.
  • the desired superconductivity properties only form in the course of the heat treatment.
  • a yttrium-stabilized ZrO 2 coating 2 is applied to a carrier 1 made of steel, for example made of stainless steel, and then the actual superconductor layer 3 is sprayed on. These steps are followed by the heat treatment mentioned and described in more detail later.
  • Flame spraying has proven to be particularly advantageous for the production of longer-acting, longer probes.
  • the spray particles are heated and accelerated to the speed of sound. The particles then impact the substrate, and their rough surface mechanically adheres to them when they cool.
  • the spray particles are introduced into the spray device as powder and there with an inert carrier gas, for example with ? , whirled up and injected concentrically into a spray nozzle.
  • the hot combustion gases emerging from a combustion chamber take the powder mixture with it and melt it.
  • the particles reach a speed of 200 to 400 m / s. After a flight distance of approx. 20 to 40 cm, they hit the material to be coated.
  • the dwell time in the hot gas jet is therefore approximately 1 millisecond. After this short flight time, the melted powder particles hit the substrate surface. Upon impact, the particles cool instantly through heat transfer transfer to the cooler material. They are pushed wide by their kinetic energy; they shrink and freeze immediately.
  • the layer 3 applied with a constant thickness of between approximately 20 to 80 ⁇ m thus adheres predominantly by mechanical clamping and only locally by chemical binding forces with the carrier layer.
  • the preparation of the coating material described in more detail below also plays a decisive role in achieving the uniform layer thickness and the good adhesive properties.
  • the powder is sintered for about 5 times 100 hours at about 940 degrees C. with the addition of oxygen.
  • the material was ground to fine powder in an agate mill.
  • the powder was ground and sieved with two sieve fabrics to grain sizes between 80 and 30 / m.
  • the substrate 2 used was selected according to the criteria described below and, in the example, applied in a coating process. To avoid cracking, the thermal expansion coefficient of the substrate should be close to that of the superconductor used. Furthermore, the substrate should be as non-conductive as possible and should not react with the superconductor during annealing. To meet these complex requirements, 7% yttrium-stabilized ZrO 2 has proven to be particularly advantageous in the present example.
  • the subsequent heat treatment can in principle be carried out at different temperatures and residence times. Since Zr0 2 would react with the superconductor at too high temperatures, longer treatment times at lower temperatures have proven to be advantageous. Good results were obtained with a thermal aftertreatment which took place at 900 degrees C for 1/2 hour.
  • the decrease in resistance is linear up to the onset at approx. 93 K. Thereafter, the resistance drops rapidly to zero, and it reaches this value at approx. 82 K.
  • the probes had resistance values in the order of 10 to 100 Ohm up. These values depend on the length of the film and its layer thickness.
  • the probe structure thus obtained was covered with a protective layer for stabilization.
  • a protective layer for stabilization For this purpose, polytetra-fluorethylene-containing lacquer was sprayed onto the surface of the probe. A heat treatment was then carried out at approx. 150 degrees C for 3/4 hours.
  • AL is suitable as a paint the commercial product "GREBLON" No. 05-1215-700.9440.
  • the resistance behavior of the probe has the desired linearity, as can be seen in Fig. 3.
  • each probe zone comprises a superconducting Layer 3 and an electrical heating resistor 5, which is separated from the superconducting layer 3 by an insulating layer 6.
  • the upper sensor zone 13 in the area of the highest permissible liquid level and the second sensor zone 15 in the area of the lowest level in a container 11 results in a combined minimum / maximum display for the liquid level to be monitored.
  • connections I and I_ are used for applying a measuring current I and connections U + and U_ for voltage tapping over the superconducting layer.
  • the voltage drop across the connections U + and U_ is evaluated in a subsequent detector circuit.
  • a detector circuit according to FIG. 5 is particularly advantageous for detecting and evaluating the changes in resistance on the superconducting material of the sensor. It is able to detect the smallest resistance values in the range of milli-ohms as well as resistance changes in this order of magnitude safely and without being influenced by external disturbances and drift.
  • the resistance values of the above-mentioned strontium-doped superconducting material are approx. 50 milli-ohms for room temperature and approx. 15 milli-ohms directly above the jump.
  • the voltage drop to be recorded in the middle of the transition range was approx. 75 ⁇ V.
  • the circuit 5 consists of a circuit I to which the sensor, consisting of the superconducting layer 3 and the resistor 5, is connected is.
  • the circuit contains a switch A controlled by a clock generator T.
  • the measuring circuit consists of an amplifier 20, a decoupling capacitor 21, a second amplifier 22 and an RC element with a downstream output amplifier 23. Between the second amplifier 22 and the RC element is a second switch B, controlled in clock T and in synchronism with switch A, between the decoupling capacitor 21 and the second amplifier 22 there is a normalizing resistor 24, which is controlled via a third switch N controlled in clock T. leads to mass. However, this third switch is switched in push-pull to the first two switches A and B, that is, switch N remains open when switches A and B are closed, and vice versa.
  • a value between 400 and 500 per second has proven to be an advantageous clock frequency in the example.
  • switches A and B are switched on, the voltage drop across superconducting layer 3 is measured, amplified, and stored in capacitor C. If switches A and B are open, the third switch N closes instead, as a result of which a zero point correction is carried out to eliminate interferences, such as thermal instabilities.
  • the voltage building up on the capacitor C is thus directly proportional to the resistance value measured on the superconductor 3.
  • the output amplifier delivers, for example, a signal voltage between 0V and 5V DC voltage. This can be used, for example, to control subsequent digital monitoring units which display the liquid level, operate control circuits for opening and closing refill devices, or read out the level of the liquid and the status of the measuring instrument via a serial or parallel interface for further processing, for example in a computer.
  • the detector device In order to reduce heat losses of the liquid to be monitored by the action of the heating resistor 5, it can be expedient to specify certain measuring intervals in which one or more measuring processes are triggered. In between, the detector device remains switched off. The intervals between such intervals can be a few minutes or, in other applications, a few hours. This on / off switching can be controlled with the aid of an autonomously controlled or manually operated switch 25 according to FIG. 5.

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Abstract

The liquid-level detector of the invention makes use of the superconducting effect obtained with a metal oxide ceramic superconductor. A superconducting film (3) is applied over an intermediate substrate layer (2), made of e.g. yttrium-stabilized ZrO2, on a support (1). Flame-spraying is suitable for this and is the preferred process. Both continuously and discontinuously measuring probes can be made. The variation in electrical resistance of the superconducting material is monitored, using a low-frequency-sampling method, and processed in a detection circuit. The superconducting layer (3) carries out pulse-clocked control of a measurement current, calibration pulses for the measurement circuit being inserted between the measurement pulses.

Description

Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten Level detector for cryogenic liquids
Die Erfindung betrifft einen Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten, wobei die Detektierung des Flüssigkeitsstandes mit Hilfe der Supraleitung erfolgt. Ferner betrifft die Erfin¬ dung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Detektors.The invention relates to a level detector for cryogenic liquids, the liquid level being detected with the aid of superconductivity. The invention also relates to a method for producing such a detector.
Bekannt ist, dass in einem Kryostaten mit flüssigem Helium der Füllstand mit Hilfe eines supraleitenden Drahtes, der in die Flüssigkeit eingetaucht wird, gemessen werden kann. Wenn ein bestimmter Strom fliesst, bleibt der Teil des Drahtes, der sich oberhalb der Heliumoberfläche befindet, im normalleiten¬ den Zustand, während der eingetauchte Teil supraleitend wird. Durch Messung des Spannungsabfalls am Draht lässt sich fest¬ stellen, wie gross der Anteil des normal-leitenden Wider¬ standes bezogen auf die Gesamtlänge des Drahtes ist, woraus auf das Niveau des flüssigen Heliums geschlossen wird.It is known that the level in a cryostat with liquid helium can be measured with the aid of a superconducting wire which is immersed in the liquid. When a certain current flows, the part of the wire that is above the helium surface remains in the normal conducting state, while the immersed part becomes superconducting. By measuring the voltage drop across the wire, it is possible to determine how large the proportion of the normal-conducting resistance is in relation to the total length of the wire, from which the level of the liquid helium is inferred.
Für flüssigen Stickstoff wurde der Füllstand bisher vorwiegend mit kapazitiven Methoden oder unter Verwendung von Kohle- bzw. Halbleiterwiderständen bestimmt. Bei der kapazitiven Methode wird ausgenutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators ändert, wenn sich flüssiger Stickstoff statt Luft zwischen den Kondensatorplatten befindet. Diese Füllstandsmesser waren je- doch sehr störanfällig. Störend ist insbesondere Eisbildung an den Kondensatorplatten. Bei Messgeräten auf der Basis von Kohle¬ bzw. Halbleiterwiderständen wurde die Tatsache ausgenutzt, dass diese Materialien eine Erhöhung des Widerstands mit abnehmender Temperatur aufweisen, welche bei Kohlewiderständen klein ist und linear verläuft, während der Widerstand bei Halbleitern exponentiell ansteigt. Da weder Kohle- noch Halbleiterwider¬ stände bei der für Stickstoff wichtigen Temperatur von 77 K eine markanteÄnderung im Widerstandverlauf aufweisen, ist man gezwungen, den Absolutwert des Sensorwiderstandes sehr genau zu erfassen. Dies bedingt aufwendige Eichungsvorgänge. Ausserdem ist der Widerstandsverlauf bei diesen Methoden zeitlichen Schwankungen unterworfen, die durch häufiges Eichen des Gerätes kompensiert werden müssen.The fill level for liquid nitrogen has so far been determined primarily using capacitive methods or using carbon or semiconductor resistors. The capacitive method takes advantage of the fact that the capacitance of a capacitor changes when there is liquid nitrogen instead of air between the capacitor plates. These level meters were but very prone to failure. Ice formation on the capacitor plates is particularly troublesome. In the case of measuring devices based on carbon or semiconductor resistances, the fact that these materials have an increase in resistance with decreasing temperature, which is small with carbon resistors and runs linearly, while the resistance in semiconductors increases exponentially, was exploited. Since neither carbon nor semiconductor resistors show a marked change in the resistance curve at the temperature of 77 K which is important for nitrogen, one is forced to record the absolute value of the sensor resistance very precisely. This requires complex calibration procedures. In addition, the resistance curve with these methods is subject to fluctuations in time, which must be compensated for by frequently calibrating the device.
Für viele Applikationen genügt eine Maximum- oder höchstens eine Mehrpunkt-Messung, z.B. Maximum/Minimum. Andererseits wird in der Praxis in vielen Fällen eine kontinuierliche Füllstands¬ messung gewünscht, im Extremfall mit Sondenlängen in der Grös- senordnung von 1 Meter. Die Realisierung solcher Sonden, die genügend hohe Langzeitstabilität aufweisen und resistent gegen¬ über diversen Umwelteinflüssen sind, war bisher mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden.For many applications, a maximum or at most a multi-point measurement is sufficient, e.g. Maximum / minimum. On the other hand, in practice a continuous level measurement is desired in many cases, in extreme cases with probe lengths in the order of 1 meter. The realization of such probes, which have sufficiently high long-term stability and are resistant to various environmental influences, has hitherto been associated with considerable technical difficulties.
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Sonde zu schaffen, welche sich mit vertretbarem Aufwand herstellen lässt, langzeitstabil ist und ein möglichst lineares Wider¬ standsverhalten zeigt, so dass einfache Geräteanordnungen zur Messwertverarbeitung genügen. In einer bevorzugten Ausbildung soll sich die Sonde auch zum Einsatz als kontinuierlich mes¬ sende Sonde eignen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patent¬ ansprüchen definierten Massnahmen erreicht.The present invention is based on the task of creating a probe that can be produced with reasonable effort, is stable in the long term and exhibits resistance behavior that is as linear as possible, so that simple device arrangements are sufficient for processing measured values. In a preferred embodiment, the probe should also be suitable for use as a continuously measuring probe. According to the invention, this object is achieved by the measures defined in the patent claims.
Der hauptsächliche Vorteil des neuen Füllstandsdetektors wird in der hohen Messgenauigkeit und in der Stabilität und hervor¬ ragenden Reproduzierbarkeit der Messwerte gesehen. Dies gilt sogar für kontinuierliche Sonden mit einem Erfassungsbereich von ca. 1 Meter. Die Messung kann in offenen Systemen erfolgen. Durch geeignete Kombination von Substrat- und Supraleitungs¬ material sowie durch zweckmässige Wahl der HerStellungspara¬ meter weist das Widerstandsverhalten der Sonde im Bereich der Sprungtemperatur einen scharf ausgeprägten Knick auf. Dadurch ergeben sich vorzügliche Diskriminator-Eigenschaften, die zur hohen Messgenauigkeit beitragen.The main advantage of the new fill level detector is seen in the high measurement accuracy and in the stability and excellent reproducibility of the measured values. This even applies to continuous probes with a detection range of approx. 1 meter. The measurement can take place in open systems. By means of a suitable combination of substrate and superconducting material and by appropriate selection of the manufacturing parameters, the resistance behavior of the probe exhibits a sharp kink in the area of the transition temperature. This results in excellent discriminator properties that contribute to the high measurement accuracy.
Durch geeignete Wahl der Parameter innerhalb des Herstellungs¬ verfahrens für die Sonde lassen sich bestimmte Schichtdicken nach Wunsch präzis einhalten. Dadurch ist ein gleichmässiges Verhalten der Sonde über ihre gesamte aktive Länge gewähr¬ leistet. Durch geeignete Wahl des Supraleitungsmaterials lassen sich kontinuierliche Sonden zur Messung des Füllstandes z.B. von Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Argon realisieren.By suitable selection of the parameters within the manufacturing process for the probe, certain layer thicknesses can be precisely maintained as desired. This ensures uniform behavior of the probe over its entire active length. With a suitable choice of the superconducting material, continuous probes for measuring the fill level, e.g. of nitrogen, oxygen, hydrogen or argon.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben. Die Figuren zeigen:Details of the invention are described below with reference to exemplary embodiments and with the aid of the drawings. The figures show:
Fig.1 den Schichtaufbau der Sonde in schematischer Darstellung,1 shows the layer structure of the probe in a schematic representation,
Fig.2 den Vergleich des temperaturabhängigen Widerstands- verhaltens der Sonde mit einem Kohlewiderstand,2 shows the comparison of the temperature-dependent resistance behavior of the probe with a carbon resistance,
Fig.3 ein typisches ausgewertetes Mess-Signal als Funktion der tatsächlichen Füllstandshöhe, zum Nachweis des linearen Verhaltens der Sonde, Fig.4 einen Zweipunktgeber in schematischer Darstellung, und3 shows a typical evaluated measurement signal as a function of the actual fill level, to demonstrate the linear behavior of the probe, 4 shows a two-point transmitter in a schematic representation, and
Fig.5 das vereinfachte Schaltbild einer Auswerteschaltung für die Erfassung von Widerstandsmesswerten und deren Aufbereitung zu zuverlässigen Messergebnissen.5 shows the simplified circuit diagram of an evaluation circuit for the acquisition of resistance measurement values and their preparation for reliable measurement results.
Der grundsätzliche Aufbau eines als bevorzugtes Beispiel ge¬ wählten Füllstands-Sensors wird zunächst anhand von Fig. 1 er¬ läutert. Ein mechanischer Träger 1 ist mit einem Substrat 2 beschichtet. Als Träger können beliebige Körper, Bänder, Drähte oder dergl. gewählt werden. Im Beispiel besteht der Träger aus einem Stahlrohr von ca. 3-8 mm Durchmesser. Auf dem Substrat 2 befindet sich das supraleitende Material 3. Nach aussen ist der Sensor durch eine Schutzschicht 4 geschützt. Im Innern des Träger-Rohres befindet sich ein elektrisches Widerstands-Heiz¬ element 5, welches durch einen elektrischen Isolator 6, z.B. aus Magnesium- oder Aluminiumoxid, an der Innenwand des Träger- Rohres abgestützt ist. Im Bereich der beiden Rohrenden sind elektrische Anschlüsse 7 bis 10 auf die supraleitende Schicht 3 geführt.The basic structure of a fill level sensor selected as a preferred example is first explained with reference to FIG. 1. A mechanical carrier 1 is coated with a substrate 2. Any body, ribbon, wire or the like can be selected as the carrier. In the example, the carrier consists of a steel tube of approx. 3-8 mm in diameter. The superconducting material 3 is located on the substrate 2. The outside of the sensor is protected by a protective layer 4. In the interior of the support tube there is an electrical resistance heating element 5, which is separated by an electrical insulator 6, e.g. Made of magnesium or aluminum oxide, is supported on the inner wall of the support tube. In the area of the two pipe ends, electrical connections 7 to 10 are led to the superconducting layer 3.
Das Heizelement 5 dient zur Erwärmung des Sensorbereiches direkt über dem zu erfassenden FlüssigkeitsSpiegel. Das Heiz¬ element stellt sicher, dass die supraleitende Schicht 3 im Bereich der kalten Flüssigkeitsdämpfe unmittelbar über dem Flüssigkeitsspiegel gerade nicht supraleitend wird und seine normalen, endlichen Widerstandseigenschaften in diesem Bereich beibehält. Dadurch werden die guten Diskriminatoreigenschaften der Sonde und somit die Messgenauigkeit und die Zuverlässigkeit der Messung sichergestellt. Bemerkenswert ist im Beispiel nach Fig.1 die Anordnung des Heizelementes, welches sich über die gesamte Länge der wirksamen Schicht auf der Sonde erstreckt. Daduch ergibt sich eine kurze Reaktionszeit der Sonde, sobald sich der Flüssigkeitsstand verändert. Zweckmässige Widerstands¬ werte für das Heizelement 5 liegen zwischen 100 und 1000 Ohm. Die Heizleistung kann zwischen 10 mW und 100 mW liegen.The heating element 5 serves to heat the sensor area directly above the liquid level to be detected. The heating element ensures that the superconducting layer 3 does not become superconducting in the area of the cold liquid vapors directly above the liquid level and maintains its normal, finite resistance properties in this area. This ensures the good discriminator properties of the probe and thus the measurement accuracy and reliability of the measurement. The arrangement of the heating element, which extends over the extends the entire length of the active layer on the probe. This results in a short reaction time of the probe as soon as the liquid level changes. Appropriate resistance values for the heating element 5 are between 100 and 1000 ohms. The heating power can be between 10 mW and 100 mW.
Durch Messung des Spannungsabfalls, z.B. durch eine Vierpunkt¬ messung, lässt sich derjenige Teil des Sensors ermitteln, welcher sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet und dessen elektrischer Widerstand nicht auf Null abgesunken ist, wie dies im eingetauchten Teil des Sensors der Fall ist. Aus dieser Messung ergibt sich unmittelbar der Flüssigkeitsstand im Behälter.By measuring the voltage drop, e.g. that part of the sensor which is above the liquid level and whose electrical resistance has not dropped to zero can be determined by a four-point measurement, as is the case in the immersed part of the sensor. The liquid level in the container is directly derived from this measurement.
Das supraleitende Material der Schicht 3 wurde z.B. aus der Gruppe der metallischen Oxide Y-Ba-Cu-0 ausgewählt, mit dem Verhältnis Y:Ba:Cu = 1:2:3, z.B. mit der Struktur YιBa2Cu3θ7_χ. Dabei kann ein Teil Barium durch Strontium ersetzt werden, wodurch das Material bei 81 K (±2 K) vollständig supraleitend ist. Der Einsatzpunkt der Supraleitung liegt bei ca. 84 K. Das supraleitende Material wird als Film von z.B. 20 -80 um auf ein geeignetes Substrat 2 aufgebracht. Erst bei einer nach¬ folgenden Wärmebehandlung bildet sich der gewünschte Supra¬ leiterfilm endgültig aus. Als Material für ein als Schicht aufgebrachtes Substrat 2 eignet sich z.B. Yttrium-stabilisier- tes Zrθ2- Dabei hat es sich gezeigt, dass die Sprungtemperatur Tc des oben erwähnten Supraleitungsmaterials stark von dem ver¬ wendeten Substrat und den Temperbedingungen abhängt. Im hier dargestellten Beispiel lassen sich je nach Einstellung der im folgenden näher beschriebenen Verfahrensparameter Schichten mit definierten Offset-Tc-Werten im Bereich zwischen 80 K und 85 K reproduzierbar herstellen. Die Sprungtemperatur liegt in diesem Beispiel somit ca. 4 K oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) , so dass sich Sonden mit der hier als Beispiel erwähnten Sprung¬ temperatur hervorragend zur kontinuerlichen wie auch zur dis¬ kreten Erfassung bzw. üeberwachung des Füllstandes in Behältern oder Tanks mit flüssigem Stickstoff eignen.The superconducting material of layer 3 was selected, for example, from the group of the metallic oxides Y-Ba-Cu-0, with the ratio Y: Ba: Cu = 1: 2: 3, for example with the structure YιBa 2 Cu3θ 7 _ χ . A part of barium can be replaced by strontium, which makes the material completely superconducting at 81 K (± 2 K). The point of use of superconductivity is approximately 84 K. The superconducting material is applied as a film of, for example, 20-80 μm to a suitable substrate 2. The desired superconductor film is finally formed only after a subsequent heat treatment. Suitable material for a substrate 2 applied as a layer is, for example, yttrium-stabilized ZrO 2. It has been shown that the transition temperature T c of the above-mentioned superconducting material depends strongly on the substrate used and the tempering conditions. In the example shown here, depending on the setting of the process parameters described in more detail below, layers with defined offset T c values in the range between 80 K and 85 K can be produced reproducibly. The jump temperature in this example is thus approx. 4 K above the temperature of liquid nitrogen (77 K), so that probes with the jump temperature mentioned here as examples are excellent for both continuous and discrete detection or monitoring of the fill level in containers or tanks with liquid nitrogen.
Ein ähnlich gut geeigneter Supraleiter für die Verwendung als Stickstoff-Sonde ist BiCaCuSrOχ, dessen Sprungtemperatur Tc bei 80 K liegt.A similarly suitable superconductor for use as a nitrogen probe is BiCaCuSrO χ , whose transition temperature T c is 80 K.
In Fig. 2 ist zum Vergleich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandverlaufs des neuen Sensors unter Verwendung eines Y-lBa2Cu3θ-7_χ Hochtemperatur-Supraleiters im Vergleich zu be¬ kannten Kohlewiderständen C gezeigt. Der Vorteil des neuen Sensors liegt in dem scharf definierten Kriick im Widerstands¬ verhalten, wodurch sich hervorragende Diskriminatoreigen- schaften ergeben, ohne dass eine aufwendige Elektronik für die Auswertung der Messwerte erforderlich ist. Durch den scharfen Knick in der Widerstandskurve lässt sich eine besonders hohe Messgenauigkeit realisieren.In FIG. 2, for comparison, the temperature dependence of the resistance profile of the new sensor using χ is high-temperature superconductor as compared to known carbon resistors be¬ C shown a 7_ Y-lBa2Cu3θ. The advantage of the new sensor lies in the sharply defined crunch in the resistance behavior, which results in excellent discriminator properties without the need for complex electronics for evaluating the measured values. Due to the sharp kink in the resistance curve, a particularly high measuring accuracy can be achieved.
Zur Üeberwachung anderer kryogener Flüssigkeiten lassen sich aus der oben angegebenen Stoffgruppe ähnliche geeignete Hoch¬ temperatur-Supraleiter sowie Kombinationen mit Substratmaterial auswählen, deren Supraleitungs-Sprungtemperatur nahe der Tem¬ peratur der zu überwachenden kryogenen Flüssigkeit liegt. Es ist jedoch zweckmässig, die Sprungtemperatur höchstens 5 K über dem Siedepunkt der Flüssigkeit zu wählen, da andernfalls das Sensormaterial supraleitend bleiben würde, wenn sich der Sensor unmittelbar über dem Flüssigkeitsspiegel im Bereich des sich bildenden unterkühlten Dampfes befindet. Wie bereits erwähnt, spielt für die Erzielung der gewünschten Eigenschaften der Sonde neben anderen Verfahrensparametern auch die Reaktion zwischen der Substratschicht 2 und der Supraleiter¬ schicht 1 eine bestimmende Rolle. Erst im Verlauf der Wärmebe¬ handlung bilden sich die gewünschten Supraleitungseigenschaften definitiv aus. Gemäss einem bevorzugten Beispiel wird auf einen Träger 1 aus Stahl, z.B. aus rostfreiem Stahl, eine Yttrium¬ stabilisierte Zrθ2-Beschichtung 2 aufgebracht und anschliessend die eigentliche Supraleiterschicht 3 aufgespritzt. Diesen Schritten folgt die erwähnte und später näher beschriebene Wärmebehandlung nach.For monitoring other cryogenic liquids, similar suitable high-temperature superconductors and combinations with substrate material can be selected from the group of substances given above, the superconducting transition temperature of which is close to the temperature of the cryogenic liquid to be monitored. However, it is expedient to choose the transition temperature at most 5 K above the boiling point of the liquid, since otherwise the sensor material would remain superconducting if the sensor is located directly above the liquid level in the area of the supercooled vapor which forms. As already mentioned, the reaction between the substrate layer 2 and the superconductor layer 1 also plays a decisive role in achieving the desired properties of the probe, in addition to other process parameters. The desired superconductivity properties only form in the course of the heat treatment. According to a preferred example, a yttrium-stabilized ZrO 2 coating 2 is applied to a carrier 1 made of steel, for example made of stainless steel, and then the actual superconductor layer 3 is sprayed on. These steps are followed by the heat treatment mentioned and described in more detail later.
Zur Dünn- bzw. Dickschichtpräparation kommen grundsätzlich ver¬ schiedene Verfahren, wie Laseraufdampfen, Elektronenstrahlauf- dampfen, Schockspritzen, Plasmaspritzen oder Flammenspritzen in Frage. Für die Herstellung kontinuierlich wirkender längerer Sonden hat sich das Flammenspritzen als besonders vorteilhaft erwiesen. Dabei werden die Spritzpartikel erhitzt und auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Anschliessend prallen die Partikel auf das Substrat auf, an dessen rauher Oberfläche sie beim Abkühlen mechanisch haften bleiben.Various methods, such as laser vapor deposition, electron beam vapor deposition, shock spraying, plasma spraying or flame spraying, are fundamentally possible for thin or thick film preparation. Flame spraying has proven to be particularly advantageous for the production of longer-acting, longer probes. The spray particles are heated and accelerated to the speed of sound. The particles then impact the substrate, and their rough surface mechanically adheres to them when they cool.
Die Spritzpartikel werden der Spritzvorrichtung als Pulver ein¬ gegeben und dort mit einem inerten Trägergas, z.B. mit ?, aufgewirbelt und konzentrisch in eine Spritzdüse injiziert. Die aus einem Brennraum austretenden heissen Verbrennungsgase reis- sen das Pulvergemisch mit und schmelzen es auf. Dabei erreichen die Partikel eine Geschwindigkeit von 200 bis 400 m/s. Nach ca. 20 bis 40 cm Flugdistanz schlagen sie auf das zu beschichtende Material. Die Verweildauer im heissen Gasstrahl beträgt damit ca. 1 Millisekunde. Nach dieser kurzen Flugzeit treffen die angeschmolzenen Pulverteilchen auf die Substratoberfläche. Beim Aufprall kühlen die Teilchen augenblicklich durch Wärmeüber- tragung an den kühleren Werkstoff ab. Durch ihre kinetische Energie werden sie breitgedrückt; sie schrumpfen und erstarren sofort.The spray particles are introduced into the spray device as powder and there with an inert carrier gas, for example with ? , whirled up and injected concentrically into a spray nozzle. The hot combustion gases emerging from a combustion chamber take the powder mixture with it and melt it. The particles reach a speed of 200 to 400 m / s. After a flight distance of approx. 20 to 40 cm, they hit the material to be coated. The dwell time in the hot gas jet is therefore approximately 1 millisecond. After this short flight time, the melted powder particles hit the substrate surface. Upon impact, the particles cool instantly through heat transfer transfer to the cooler material. They are pushed wide by their kinetic energy; they shrink and freeze immediately.
Die in einer konstanten Stärke zwischen ca. 20 bis 80 um auf¬ gebrachte Schicht 3 haftet damit vorwiegend durch mechanische Verklammerung und nur lokal durch chemische Bindungskräfte mit der Trägerschicht.The layer 3 applied with a constant thickness of between approximately 20 to 80 μm thus adheres predominantly by mechanical clamping and only locally by chemical binding forces with the carrier layer.
Zur Erzielung der gleichmässigen Schichtstärke und der guten Hafteigenschaften spielt auch die im folgenden näher beschrie¬ bene Zubereitung des Beschichtungsmaterials eine mitentschei¬ dende Rolle. Nach dem Zusammenmischen der pulverfδrmigen Grundsubstanzen wird das Pulver während ca. 5 mal 100 Stunden bei ca. 940 Grad C unter Sauerstoffzufuhr gesintert. Nach dem Abkühlen wurde das Material in einer Achatmühle zu feinem Pulver gemahlen. Nach einem weiteren Sintervorgang wurde das Pulver gemδrsert und mit zwei Siebgeweben auf Korngrössen zwischen 80 und 30 /m ausgesiebt. Bei Anwendung des oben be¬ schriebenen Beschichtungsverfahrens wird mit der so präparier¬ ten Substanz ein besonders gleichmässiges Anschmelzen der Pulverkörner erreicht.The preparation of the coating material described in more detail below also plays a decisive role in achieving the uniform layer thickness and the good adhesive properties. After the powdery basic substances have been mixed together, the powder is sintered for about 5 times 100 hours at about 940 degrees C. with the addition of oxygen. After cooling, the material was ground to fine powder in an agate mill. After a further sintering process, the powder was ground and sieved with two sieve fabrics to grain sizes between 80 and 30 / m. When the coating method described above is used, the substance thus prepared results in a particularly uniform melting of the powder grains.
Das verwendete Substrat 2 wurde nach den im folgenden beschrie¬ benen Kriterien ausgewählt und im Beispiel in einem Beschich- tungsverfahren aufgebracht. Zur Vermeidung von Rissbildungen soll der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats nahe demjenigen des verwendeten Supraleiters liegen. Ferner soll das Substrat möglichst nichtleitend sein und beim Tempern nicht mit dem Supraleiter reagieren. Zur Erfüllung dieser komplexen An¬ forderungen hat sich im vorliegenden Beispiel 7 % Yttrium¬ stabilisiertes Zrθ2 als besonders vorteilhaft erwiesen. Die nachfolgende Wärmebehandlung kann grundsätzlich mit ver¬ schiedenen Temperaturen und Verweilzeiten durchgeführt werden. Da bei zu hohen Temperaturen Zr02 mit dem Supraleiter reagieren würde, haben sich eher längere Behandlungszeiten bei tieferen Temperaturen als vorteilhaft erwiesen. Gute Resultate ergaben sich bei einer thermischen Nachbehandlung, die während 1/2 Stunde bei 900 Grad C stattfand. Mit sinkender Temperatur ver¬ läuft die Widerstandsabnahme linear bis zum Onset bei ca. 93 K. Danach fällt der Widerstand rapide gegen Null, und er erreicht diesen Wert bei ca. 82 K. Bei Raumtemperatur wiesen die Sonden Widerstandswerte in der Grössenordnung von 10 bis 100 Ohm auf. Diese Werte sind von der Länge des Films und seiner Schicht¬ dicke abhängig.The substrate 2 used was selected according to the criteria described below and, in the example, applied in a coating process. To avoid cracking, the thermal expansion coefficient of the substrate should be close to that of the superconductor used. Furthermore, the substrate should be as non-conductive as possible and should not react with the superconductor during annealing. To meet these complex requirements, 7% yttrium-stabilized ZrO 2 has proven to be particularly advantageous in the present example. The subsequent heat treatment can in principle be carried out at different temperatures and residence times. Since Zr0 2 would react with the superconductor at too high temperatures, longer treatment times at lower temperatures have proven to be advantageous. Good results were obtained with a thermal aftertreatment which took place at 900 degrees C for 1/2 hour. With decreasing temperature, the decrease in resistance is linear up to the onset at approx. 93 K. Thereafter, the resistance drops rapidly to zero, and it reaches this value at approx. 82 K. At room temperature, the probes had resistance values in the order of 10 to 100 Ohm up. These values depend on the length of the film and its layer thickness.
Die so erhaltene Sondenstruktur wurde zur Stabilisierung mit einer Schutzschicht überzogen. Zu diesem Zweck wurde Polytetra- Fluoräthylen-haltiger Lack auf die Oberfläche der Sonde ge¬ spritzt. Anschliessend wurde eine Wärmebehandlung bei ca. 150 Grad C über 3/4 Stunden vorgenommen. ALs Lack eignet sich z.B. das Handelsprodukt "GREBLON" Nr. 05-1215-700.9440.The probe structure thus obtained was covered with a protective layer for stabilization. For this purpose, polytetra-fluorethylene-containing lacquer was sprayed onto the surface of the probe. A heat treatment was then carried out at approx. 150 degrees C for 3/4 hours. AL is suitable as a paint the commercial product "GREBLON" No. 05-1215-700.9440.
Insgesamt ergaben sich hervorragende Werte für das Haftvermögen und die Rissbeständigkeit der aufgebrachten Schicht. Das Wider- standsverhalten der Sonde weist die gewünschte Linearität auf, wie sich aus Fig.3 ergibt.Overall, the adhesive properties and crack resistance of the applied layer were excellent. The resistance behavior of the probe has the desired linearity, as can be seen in Fig. 3.
Für Minimum-Maximum-Sonden oder für Grenzwertanzeigen oder ein¬ fache Sicherheitschalter ist das im folgenden beschriebene abgewandelte Beispiel geeignet. Wie Fig.4 zeigt, lassen sich auf einem gemeinsamen Träger 1 an bestimmten Bereichen diskrete Sonden-Zonen 13, 15 festlegen, welche jeweils mit eigenen elek¬ trischen Anschlüssen zur Messwerterfassung versehen sind. Jede Sonden-Zone umfasst in diesem Beispiel eine Supraleitungs- Schicht 3 sowie einen elektrischen Heizwiderstand 5, welcher durch eine isolierende Schicht 6 von der supraleitenden Schicht 3 getrennt ist.The modified example described below is suitable for minimum-maximum probes or for limit value displays or simple safety switches. As shown in FIG. 4, discrete probe zones 13, 15 can be defined on certain areas on a common carrier 1, each of which is provided with its own electrical connections for recording measured values. In this example, each probe zone comprises a superconducting Layer 3 and an electrical heating resistor 5, which is separated from the superconducting layer 3 by an insulating layer 6.
Wird z.B. die obere Sensor-Zone 13 im Bereich des höchsten zulässigen Flüssigkeitsspiegels und die zweite Sensor-Zone 15 im Bereich des niedrigsten Pegels in einem Behälter 11 ange¬ bracht, ergibt sich eine kombinierte Minimum-/Maximum-Anzeige für den zu überwachenden Flüssigkeitsspiegel.E.g. the upper sensor zone 13 in the area of the highest permissible liquid level and the second sensor zone 15 in the area of the lowest level in a container 11 results in a combined minimum / maximum display for the liquid level to be monitored.
Für jede Sensor-Zone sind im Beispiel vier externe elektrische Anschlüsse vorgesehen, von denen Anschlüsse I und I_ für die Aufschaltung eines Mess-Stromes I und Anschlüsse U+ und U_ für den Spannungsabgriff über der supraleitendem Schicht verwendet werden. Der Spannungsabfall über den Anschlüssen U+ und U_ wird in einer nachfolgenden Detektorschaltung ausgewertet.In the example, four external electrical connections are provided for each sensor zone, of which connections I and I_ are used for applying a measuring current I and connections U + and U_ for voltage tapping over the superconducting layer. The voltage drop across the connections U + and U_ is evaluated in a subsequent detector circuit.
Zur Erfassung und Auswertung der Widerstandsänderungen am supraleitenden Material des Sensors ist eine Detektorschaltung gemäss Fig. 5 besonders vorteilhaft. Sie ist in der Lage, kleinste Widerstandswerte im Bereich von Milli-Ohm sowie Wider¬ standsänderungen in diesen Grössenordnungen sicher und un- beeinflusst von äusseren Störungen und Drift zu erfassen. Z.B. liegen die Widerstandswerte des oben angegebenen Strontium¬ dotierten Supraleitungsmaterials bei ca. 50 Milli-Ohm für Raum¬ temperatur und bei ca. 15 Milli-Ohm direkt oberhalb des Sprungs. Bei einem im Beispiel verwendeten Messstrom von ca. 10 mA lag der zu erfassende Spannungsabfall in der Mitte des Übergangsbereiches bei ca. 75 μV.A detector circuit according to FIG. 5 is particularly advantageous for detecting and evaluating the changes in resistance on the superconducting material of the sensor. It is able to detect the smallest resistance values in the range of milli-ohms as well as resistance changes in this order of magnitude safely and without being influenced by external disturbances and drift. For example, the resistance values of the above-mentioned strontium-doped superconducting material are approx. 50 milli-ohms for room temperature and approx. 15 milli-ohms directly above the jump. With a measuring current of approx. 10 mA used in the example, the voltage drop to be recorded in the middle of the transition range was approx. 75 μV.
Im einzelnen besteht die Detektoreinrichtung gemäss Fig. 5 aus einem Stromkreis I, an welchen der Sensor, bestehend aus der supraleitenden Schicht 3 und dem Widerstand 5, angeschlossen ist. Der Stromkreis enthält einen von einem Taktgeber T ge¬ steuerten Schalter A. Der Messkreis besteht aus einem Ver¬ stärker 20, einem Entkopplungskondensator 21, einem zweiten Verstärker 22 sowie aus einem RC-Glied mit nachgeschaltetem Ausgangsverstärker 23. Zwischen dem zweiten Verstärker 22 und dem RC-Glied befindet sich ein zweiter im Takt T und im Gleich¬ takt zum Schalter A gesteuerter zweiter Schalter B. Zwischen dem Entkopplungskondensator 21 und dem zweiten Verstärker 22 befindet sich ein Normier-Widerstand 24, der über einen im Takt T gesteuerten dritten Schalter N auf Masse führt. Dieser dritte Schalter wird jedoch im Gegentakt zu den beiden ersten Schal¬ tern A und B geschaltet, das heisst, Schalter N bleibt geöff¬ net, wenn die Schalter A und B geschlossen sind, und umgekehrt. Als vorteilhafte Taktfrequenz hat sich im Beispiel ein Wert zwischen 400 und 500 pro Sekunde erwiesen.5 consists of a circuit I to which the sensor, consisting of the superconducting layer 3 and the resistor 5, is connected is. The circuit contains a switch A controlled by a clock generator T. The measuring circuit consists of an amplifier 20, a decoupling capacitor 21, a second amplifier 22 and an RC element with a downstream output amplifier 23. Between the second amplifier 22 and the RC element is a second switch B, controlled in clock T and in synchronism with switch A, between the decoupling capacitor 21 and the second amplifier 22 there is a normalizing resistor 24, which is controlled via a third switch N controlled in clock T. leads to mass. However, this third switch is switched in push-pull to the first two switches A and B, that is, switch N remains open when switches A and B are closed, and vice versa. A value between 400 and 500 per second has proven to be an advantageous clock frequency in the example.
Sind die Schalter A und B eingeschaltet, wird der Spannungs¬ abfall über der supraleitenden Schicht 3 gemessen, verstärkt, und im Kondensator C gespeichert. Sind die Schalter A und B offen, schliesst statt dessen der dritte Schalter N, wodurch eine Nullpunktkorrektur zur Ausschaltung von Störeinflüssen, wie thermische Instabilitäten, vorgenommen wird. Die sich am Kondensator C aufbauende Spannung ist damit dem am Supraleiter 3 gemessenen Widerstandwert direkt proportional. Der Ausgangs¬ verstärker liefert z.B. eine Signalspannung zwischen 0V und 5V Gleichspannung. Damit lassen sich z.B. nachfolgende digitale Ueberwachungseinheiten steuern, welche den Flüssigkeitsstand anzeigen, Steuerschaltungen zum Oeffnen und Schliessen von Nachfülleinrichtungen betätigen oder den Füllstand der Flüssig¬ keit sowie den Status des Messinstruments über eine serielle oder parallele Schnittstelle zur Weiterverarbeitung z.B. in einem Computer auslesen können. Zur Verminderung von Wärmeverlusten der zu überwachenden Flüssigkeit durch die Wirkung des Heizwiderstandes 5 kann es zweckmässig sein, bestimmte Messintervalle vorzugeben, in denen ein oder mehrere Messvorgänge ausgelöst werden. Da¬ zwischen bleibt die Detektoreinrichtung abgeschaltet. Die Ab¬ stände zwischen solchen Intervallen können einige Minuten oder in anderen Anwendungsfällen einige Stunden betragen. Die Steu¬ erung dieser Ein/Ausschaltung kann mit Hilfe eines autonom gesteuerten oder manuell betätigbaren Umschalters 25 gemäss Fig. 5 erfolgen. If switches A and B are switched on, the voltage drop across superconducting layer 3 is measured, amplified, and stored in capacitor C. If switches A and B are open, the third switch N closes instead, as a result of which a zero point correction is carried out to eliminate interferences, such as thermal instabilities. The voltage building up on the capacitor C is thus directly proportional to the resistance value measured on the superconductor 3. The output amplifier delivers, for example, a signal voltage between 0V and 5V DC voltage. This can be used, for example, to control subsequent digital monitoring units which display the liquid level, operate control circuits for opening and closing refill devices, or read out the level of the liquid and the status of the measuring instrument via a serial or parallel interface for further processing, for example in a computer. In order to reduce heat losses of the liquid to be monitored by the action of the heating resistor 5, it can be expedient to specify certain measuring intervals in which one or more measuring processes are triggered. In between, the detector device remains switched off. The intervals between such intervals can be a few minutes or, in other applications, a few hours. This on / off switching can be controlled with the aid of an autonomously controlled or manually operated switch 25 according to FIG. 5.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: PATENT CLAIMS:
1. Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten, zur Detek- tierung des Flüssigkeitsstandes mit Hilfe der Supraleitung durch eine in die kryogene Flüssigkeit einzuführende Sonde, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde aus einem Träger (1) mit einem darauf befindlichen Substrat (2) und einer auf dem Substrat befindlichen supraleitenden Schicht (3) aus einem aus der Gruppe der Metalloxid-Keramik ausgewählten Hochtemperatur- Supraleiter besteht und dass die supraleitende Schicht (3) mit elektrischen Anschlüssen (7 - 10) zur Messung ihres elek¬ trischen Widerstandes in einer Detektionseinrichtung versehen ist.1. Level detector for cryogenic liquids, for detecting the liquid level with the help of superconductivity by a probe to be introduced into the cryogenic liquid, characterized in that the probe consists of a carrier (1) with a substrate (2) thereon and one on the Superconducting layer (3) located on the substrate consists of a high-temperature superconductor selected from the group of metal oxide ceramics and that the superconducting layer (3) is provided with electrical connections (7-10) for measuring its electrical resistance in a detection device.
2. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der für den Sensor ausgewählte Supraleiter eine Sprungtemperatur aufweist, die einige K, vorzugsweise etwa 5 K, oberhalb der Temperatur der zu überwachenden kryogenen Flüssigkeit liegt.2. Level detector according to claim 1, characterized in that the superconductor selected for the sensor has a transition temperature which is a few K, preferably about 5 K, above the temperature of the cryogenic liquid to be monitored.
3. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (3) Material aus der Gruppe Y- Ba-Cu-0 im Verhältnis Y:Ba:Cu = 1:2:3 enthält, wobei zur An¬ passung der Sprungtemperatur an die gewünschten anwendungs¬ spezifischen Werte ein Teil Barium durch ein anderes, die Sprungtemperatur beeinflussendes Element mindestens teilweise ersetzt ist.3. Level detector according to claim 1, characterized in that the superconducting layer (3) contains material from the group Y-Ba-Cu-0 in the ratio Y: Ba: Cu = 1: 2: 3, with the adaptation of the transition temperature to the desired application-specific values, a part of barium is at least partially replaced by another element that influences the transition temperature.
4. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass die supraleitende Schicht (3) Material der Zusammen¬ setzung BiCaCuSrOχ enthält. 4. Level detector according to claim 1, characterized in that the superconducting layer (3) contains material of the composition BiCaCuSrO χ .
5. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) aus Stahl besteht.5. Level detector according to claim 1, characterized in that the carrier (1) consists of steel.
6. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (3) über den zu erfassenden Füllstandsbereich diskontinuierlich längs des Trägerkörpers (1) verteilt ist, wodurch diskrete Sensor-Einzelbereiche (13, 15) definiert sind.6. level detector according to claim 1, characterized in that the superconducting layer (3) over the level area to be detected is distributed discontinuously along the support body (1), whereby discrete individual sensor areas (13, 15) are defined.
7. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem bestimmten, gleichmässigen Abstand zur supra¬ leitenden Schicht (3) eine Heizvorrichtung (5) vorgesehen ist, durch welche diejenigen Bereiche der supraleitenden Schicht7. Level detector according to claim 1, characterized in that a heating device (5) is provided at a certain, uniform distance from the superconducting layer (3), through which those areas of the superconducting layer
(3) , welche im Bereich von Flüssigkeitsdämpfen unmittelbar über dem FlüssigkeitsSpiegel liegen, im Bereich der elek¬ trischen Normalleitung gehalten werden.(3), which are located directly above the liquid level in the area of liquid vapors, are held in the area of the electrical normal line.
8. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung einen Niederfrequenz-Taktgeber (T) zur AufSchaltung von Strom-Messimpulsen (I) durch die supraleitende Schicht (3) und zum Eichen des Messkreises auf eine Referenz aufweist, wobei die Eichtakte zwischen den Mess¬ takten liegen.8. Level detector according to claim 1, characterized in that the detection device has a low-frequency clock (T) for switching current measuring pulses (I) through the superconducting layer (3) and for calibrating the measuring circuit for a reference, the calibration clocks between the measuring cycles lie.
9. Füllstandsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Taktgeber (T) auf eine Taktfrequenz im Bereich zwischen 400 und 500 pro Sekunde eingestellt ist.9. level detector according to claim 8, characterized gekennzeich¬ net that the clock (T) is set to a clock frequency in the range between 400 and 500 per second.
10. Verfahren zur Herstellung eines Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Träger (1) eine Yttrium-stabilisierte ZrC^-Beschichtung als Substrat (2) aufgebracht und anschliessend die supraleitende Schicht (3) im Flammenspritzverfahren aufgespritzt wird, und dass diesen Schritten eine Wärmebehandlung nachfolgt.10. A method for producing a level detector according to claim 1, characterized in that an yttrium-stabilized ZrC ^ coating is applied to a carrier (1) as the substrate (2) and then the superconducting layer (3) in the Flame spraying process is sprayed on, and that these steps are followed by a heat treatment.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Ver¬ wendung von 7 % Yttrium-stabilisiertem Zr02 als Substrat (2).11. The method according to claim 10, characterized by the use of 7% yttrium-stabilized Zr0 2 as the substrate (2).
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Material als pulverfδr ige Partikel während des Flammenspritzens mit ca. 200 bis 400 m/s aus einer Distanz von 20 bis 40 cm auf die Oberfläche des Substrats (2) aufge¬ bracht wird.12. The method according to claim 10, characterized in that the superconducting material is applied as powdery particles during flame spraying at approximately 200 to 400 m / s from a distance of 20 to 40 cm to the surface of the substrate (2) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der pulverförmigen Partikel die pulverförmigen Grundsubstanzen zusammengemischt, während ca. 5 mal 10 Stunden bei ca. 940 Grad C unter Sauerstoffzufuhr gesintert und nach dem Abkühlen zu feinem Pulver gemahlen werden.13. The method according to claim 12, characterized in that to obtain the powdery particles, the powdery basic substances are mixed together, sintered for about 5 times 10 hours at about 940 degrees C with the addition of oxygen and, after cooling, ground to a fine powder.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Material in einer gleichbleibenden Schicht¬ dicke im Bereich zwischen ca. 20 und ca. 80 /Um aufgebracht wird.14. The method according to claim 10, characterized in that the superconducting material is applied in a constant layer thickness in the range between approximately 20 and approximately 80 / um.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgende Wärmebehandlung bei ca. 900 Grad C über ca. 1/2 Stunde vorgenommen wird.15. The method according to claim 10, characterized in that the subsequent heat treatment is carried out at about 900 degrees C for about 1/2 hour.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung ein Polytetra-Fluoräthylen-haltiger Lack auf die Oberfläche der supraleitenden Schicht (3) aufge¬ spritzt und in einer zusätzlichen Wärmebehandlung eingebrannt wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that after the heat treatment, a polytetra-fluorethylene-containing lacquer is sprayed onto the surface of the superconducting layer (3) and baked in an additional heat treatment.
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