Измеритель уровня сжиженного гелия

Авторы патента:

G01F23/24 - путем измерения сопротивления резистора, изменяющегося за счет контакта с проводящей жидкостью

Владельцы патента RU 2505789:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ (RU)

Изобретение относится к устройствам для определения уровня криогенной жидкости и может быть применено как в криогенерирующих установках, так и в системах, потребляющих криопродукцию. Измеритель включает в себя следующие компоненты: зонд из ниобий-титанового или ниобий-циркониевого сплава, присоединенный к контроллеру по четырехпроводной схеме, подогреватель зонда, три точечных резистивных датчика температуры и уровня жидкого гелия, присоединенных к контроллеру по четырехпроводной схеме, контроллер, ЭВМ. Технический результат - повышение достоверности измерений уровня СП зондом. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для определения уровня жидкого и может быть применено как в криогенерирующих установках, так и в системах, потребляющих криопродукцию.

Известны сверхпроводящие (СП) уровнемеры, широко представленные на рынке, например:

1. Каталог продукции ООО «Криовакуумные Технологии» www.cryosvstems.ru

2. Каталог продукции ООО «Криотрейд» http: www.crvotrade.ru

3. Каталог продукции инновационной компании РТИ http://cryo.su/

В таком уровнемере в качестве вертикального зонда используется, как правило, СП проволока из ниобий-титанового сплава NbTi - сверхпроводника (СП) второго рода. Для этого сплава характерно, что при снижении его температуры от комнатной до критической (Ткр≈9.5 К) его сопротивление снижается примерно на 10-15%, а при Т<Ткр сопротивление резко снижается до нуля - сплав переходит в сверхпроводящее состояние. Подобная зависимость характерна и для зонда из ниобий-циркониевого сплава.

Эти особенности изменения сверхпроводников 2-го рода и использованы в разнообразных конструкциях прототипов - сверхпроводящих уровнемеров жидкого гелия. Все они основаны на том, что часть СП зонда уровнемера, погруженная в жидкий гелий, обладает нулевым сопротивлением, а находящаяся выше - сопротивлением критической точки в предположении, что наличие жидкого гелия в сосуде гарантирует температуру не выше критической по всей высоте зонда. Нормальная фаза в части зонда вне жидкого гелия инициируется некоторым подогревом зонда специальным нагревателем, подключенным по той или иной схеме, ток подогревателя подбирается экспериментально.

При таких предположениях зависимость между уровнем жидкого гелия и сопротивлением СП зонда может быть представлена в виде прямой 1-2-3 на рис.1.

Недостатком прототипа является неполная достоверность показания, так как такой способ измерения уровня не исключает две серьезные погрешности. Первая связана с тем, что верхняя часть зонда не обязательно находится в условиях критической температуры, например, при использовании СП уровнемера в сосуде Дьюара для хранения жидкого гелия. При длительном хранении жидкого гелия и его небольшом количестве температура в верхней части сосуда может быть гораздо выше критической за счет теплопритоков, и зависимость сопротивления зонда от уровня гелия примет вид кривой 1-2-4. Если этого не учитывать, то показание уровня будет занижаться и может стать даже отрицательным - точка 5.

Вторым источником погрешности является неопределенность величины тока подогрева, при котором граница между сверхпроводящей и резистивной фазами сверхпроводящего зонда точно совпадает с уровнем жидкого гелия. На эту величину влияют как минимум два фактора. Во-первых, при калибровке СП уровнемеров устанавливают ток нагревателя, исходя из предположения, что температура жидкого гелия лежит в пределах 4.2-4.3 К, в действительности в ряде случаев рабочая температура может значительно отличаться как в в меньшую, так и в большую сторону. Второй фактор это теплоприток к зонду уровнемера от слоев гелия, находящихся при температуре, выше критической.

Задача, решаемая изобретением - повышение достоверности данных измерений уровня СП зондом.

Поставленная задача решается за счет размещения на нескольких уровнях точечных датчиков температуры/уровня жидкого гелия, реализованных в виде объемных малогабаритных резисторов ТВО или Аллен-Брэдли порядка 1 кОм. При запитке такого резистора током порядка 1 мА его сопротивление при пересечении границы жидкость-газ меняется скачком примерно на 10%, что легко может быть зафиксировано, и положение границы при этом определяется с погрешностью не хуже 5 мм. При токах порядка мкА резистор может служить точным датчиком температуры, позволяя контролировать, например, процесс захолаживания сосуда и температурное поле по высоте сосуда.

На рис.2 представлена схема такого измерителя. Он включает в себя следующие компоненты.

1 - зонд из ниобий-титанового или ниобий-циркониевого сплава, присоединенный к контроллеру по четырехпроводной схеме.

2 - подогреватель зонда.

3, 4, 5 - точечные резистивные датчики температуры и уровня жидкого гелия присоединенные к контроллеру по четырехпроводной схеме. Величина сопротивления порядка 1 кОм.

6 - контроллер.

7 - ЭВМ.

Контроллер 6 реализует следующие функции: измерения температуры жидкого гелия или его паров точечными резистивными датчиками; измерения уровня жидкого гелия теми же точечными датчиками; запитку нагревателя зонда регулируемым током; запитку нагревателя зонда микроамперным током и измерение сопротивления зонда; хранение таблиц зависимости уровня жидкого гелия для ряда температур в средней и верхней части зонда; выбор соответствующей таблицы и вычисление уровня жидкого гелия по величине сопротивления зонда и температуры в средней и верхней точках зонда; связь с ЭВМ.

ЭВМ 7 обеспечивает визуализацию данных.

Процесс настройки прибора производится следующим образом.

Вначале по мере заполнения сосуда жидким гелием измеряется уровень скачка сопротивления точечных датчиков уровня при запитке их током около 2 мА, т.е. определяется действительный уровень жидкого гелия в сосуде. Далее подбирается такой ток нагревателя сверхпроводящего зонда, при котором уровень, показанный зондом, соответствовал высоте, на которой закреплен точечный датчик (середина его).

Выбирается и фиксируется среднее значение тока подогрева. Понижается до значения порядка 1 мкА ток точечных датчиков. Тем самым они переводятся в режим измерения температуры.

Выбирается полином (от 2 до 5 степени), интерпретирующий кривую 1-2-5 на рис.2. Точка 5 в нем переменная, она определяется температурой верхнего датчика.

При наличии жидкого гелия по данным нижнего точечного уровнемера измеряется температура в средней точке зонда. Если она выше критической температуры, эта температура учитывается в полиноме. На этом процесс подготовки уровнемера к работе заканчивается.

Контроллер присоединен к ЭВМ последовательным интерфейсом, например, RS-232/485, или USB или другие. Визуализация данных осуществляется с помощью пакета LabView или другого. На экран выводятся значения температуры трех точечных уровнемеров, что позволяет контролировать процесс захолаживания, а также уровень жидкого гелия.

Измеритель уровня жидкого гелия, содержащий зонд из сверхпроводящего сплава с подогревателем и контроллер управления процессом измерения, отличающийся тем, что сверхпроводящий зонд дополнен тремя точечными датчиками температуры и уровня жидкого гелия, присоединенными к контроллеру по четырехпроводной схеме.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к дискретным датчикам контроля уровня, и может быть использовано в системах и приборах для контроля уровня топлива при хранении, заправке, а также в процессе работы двигателей на криогенном топливе при жестких механических воздействиях.

Емкостный способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления // 2407993

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей, например в резервуарах с нефтью или нефтепродуктами.

Измерительное устройство и устройство измерения проводимости для определения количества протекающей электрически проводящей жидкости, измерительный элемент и способ // 2381460

Изобретение относится к измерительному устройству для определения количества d(V(z)) электрически проводящей жидкости с проводимостью LF с помощью емкости при изменяющихся в вертикальном направлении (z-направлении) уровнях заполнения.

Способ определения уровня жидкости и устройство для его осуществления // 2336502

Изобретение относится к области средств для автоматизации контроля уровня различных жидкостей в промышленных и бытовых резервуарах, а также для контроля наличия и протока жидкостей в трубопроводах.

Датчик контроля и сигнализации границы раздела сред нефтепродукт-вода // 2321831

Емкостной измеритель уровня жидкости (варианты) // 2300742

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для контроля уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в гидравлических системах (топливных, охлаждающих, накопительных и др.), например, уровня масла, топлива или тосола на транспортных средствах.

Датчик уровнемера // 2276333

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к средствам контроля и измерения уровня жидких и сыпучих сред в замкнутых объемах. .

Вибрационный сигнализатор уровня // 2269099

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня сыпучих и жидких материалов. .

Способ изготовления датчика критического уровня // 2267093

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для контроля уровня токопроводящих заполняющих (жидких и сыпучих) материалов. .

Устройство для измерения уровня // 2249185

Изобретение относится к области контроля уровня жидкости и может быть использовано для контроля уровня топлива в топливном баке автомобиля. .

Способ определения уровня раздела фаз в каналах // 2506544

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении раздела фаз в парогенерирующих установках. Способ заключается в том, что устанавливают датчик, выполненный, например, в виде электропроводной проволоки, в канале по направлению силы тяжести нагревают датчик путем пропускания тока через датчик, измеряют электрическое сопротивление датчика R, отличающийся тем, что измеряют ток I, проходящий через датчик, определяют приращение температуры датчика на участках датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами Δtп=I2R/πdLαп, Δtж=I2R/πdLαж, определяют удельное электрическое сопротивление датчика, контактирующего с паровой и жидкой фазами ρп=ρ0(1+βΔtп), ρж=ρ0(1+βΔtж), определяют толщину парового hп и жидкостного слоя hж:hп=(RS-ρжL)/(ρп-ρж), hж=L-hп, где ρж и ρп - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρж и паровой фазе соответственно; R - электрическое сопротивление датчика; I - ток через датчик; L - длина датчика; S - поперечное сечение датчика, β - термический коэффициент сопротивления, d - диаметр датчика, ρ0 - удельное электрическое сопротивление материала датчика при t=20°C, αп, αж - коэффициенты теплоотдачи на поверхности датчика при взаимодействии с паровой и жидкой фазами. В случае наличия в канале двухфазного слоя, дополнительно устанавливается дополнительный датчик в виде электропроводной проволоки в сечении канала, где отсутствует двухфазный слой. Технический результат - повышение точности определения уровней раздела паровой, жидкой фаз и двухфазного слоя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для измерения электропроводности и устройство для обработки жидкости // 2507485

Описывается устройство (1) для измерения электропроводности, по меньшей мере, для определения уровня наполнения электропроводных жидкостей. Предусмотрен измерительный элемент (10), по меньшей мере, с одним несущим корпусом (12) и, по меньшей мере, двумя, имеющими первый (42) и второй (44) концы и проходящими в вертикальном направлении электродами (40а, b), причем электроды (40а, b) в зоне первого конца (42) имеют, по меньшей мере, одну экранированную зону (22), и каждый электрод (40а, b) имеет, по меньшей мере, одну первую и одну вторую соответственно граничащую с экранированной зоной (22) свободную контактную поверхность (46, 52). Причем вертикальная протяженность экранированной зоны (22) меньше, чем вертикальная протяженность второй свободной контактной поверхности (52), и больше, чем вертикальная протяженность первой свободной контактной поверхности (46). Описывается также устройство (70) для обработки жидкости с таким устройством (1) для измерения электропроводности. Технический результат - усовершенствование устройства обработки жидкости, а также возможность определения, по меньшей мере, одного параметра жидкости без искажения данных этого измерения вследствие увеличения уровня наполнения во время измерения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Датчик границы сред (дгс) для нефтеводяной фильтрующей установки (нвфу) // 2509985

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля и сигнализации границы раздела сред нефтепродукт-вода в установках для очистки воды от нефтепродуктов или обводненных нефтепродуктов от воды. Сущность: датчик границы сред (ДГС) для нефтеводяной фильтрующей установки (НВФУ) содержит бронзовый фланец с отверстиями и приспособлениями для герметичного крепления к крышке или днищу резервуара; на фланце закреплен водонепроницаемый электронный блок, стойки измерительного канала. С электронным блоком соединены герметично проложенными проводниками ультразвуковые приемники и ультразвуковые излучатели в виде пьезокерамических шайб диаметром ~15÷18 мм и толщиной ~1.5÷3 мм. Для герметизации пьезокерамики применяются силкаст или полиуретан. Электронный блок постоянно контролирует скорость прохождения и амплитуду ультразвуковых импульсов в контролируемой среде. Датчик не содержит резьбовых соединений. Технический результат - упрощение в обслуживании, повышение надежности и безопасности работы датчика. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Сигнализатор уровня жидкого азота // 2523085

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости и может быть использовано в автоматических системах автоматики и аварийной сигнализации для измерения уровня жидкого азота. Сигнализатор уровня жидкого азота включает терморезисторы, расположенные на контролируемых уровнях в дьюаре и через которые проходит ток подогрева. Измерительный узел каждого из терморезисторов, выполняющий функцию определения изменения сопротивления терморезистора, функцию сравнения измеренного сопротивления с эталонным и функцию индикации, выполнен в виде микроконтроллера, подключенного токовыми выходом и входом для измерения напряжения к терморезистору. Микроконтроллер на токовом выходе формирует ток подогрева. Микроконтроллер дополнительно имеет функцию обновления эталонного значения сопротивления терморезистора при формировании сигнала о достижении жидким азотом контролируемого уровня. Технический результат - повышение быстродействия сигнализатора жидкого азота при опорожнении и заполнении дьюара, а также уменьшение непроизводственных потерь жидкого азота, вызванных кипением и испарением жидкого азота на нагретом термочувствительном элементе и исключение влияния на результат контроля изменения характеристик терморезистора из-за эффекта «старения». 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Способ определения уровня жидкого гелия дискретным уровнемером // 2548579

Изобретение относится к области криогенной техники. Способ измерения уровня жидкого гелия дискретным уровнемером с точечным резистивным датчиком температуры марки ТВО и контроллером управления процессом измерения отличается тем, что датчик устанавливается на разных уровнях и определяется разброс показаний значений сопротивления датчика: стабильный и малый разброс указанных значений характеризует расположение датчика в жидкой среде гелия, несколько худший разброс указанных значений характеризует расположение датчика в газообразной среде, наибольший разброс указанных значений соответствует положению датчика у поверхности жидкого гелия, и по итогу анализа разброса показаний сопротивления определяют уровень жидкого гелия. Задача, решаемая изобретением, заключается в нахождении способа определения уровня жидкого гелия точечным датчиком, не требующим его предварительной калибровки. 2 ил.

Кондуктометрический способ измерения уровня жидкости // 2559117

Изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред, преимущественно жидких металлов в атомно-энергетической промышленности. Кондуктометрический способ позволяет измерять уровень жидкого металла без введения каких-либо элементов конструкции уровнемера внутрь резервуара, где находится жидкий металл. Способ состоит в том, что в зоне возможного положения или перемещения уровня жидкого натрия в резервуаре на внешней поверхности стенки резервуара создается электрическое поле. Затем на выбранной локальной области, расположенной на внешней стенке резервуара с помощью двух электродов и измерительного устройства измеряется напряженность электрического поля, по которой вычисляется присутствие на данном участке за стенкой резервуара одной из сред, электропроводность которой соответствует либо жидкому натрию, либо воздуху. Электроды через определенные промежутки устанавливаются на всей зоне возможного положения уровня. Последовательным или одновременным зондированием стенки на различных участках резервуара дискретно-аналоговым способом определяется место, где находится граница раздела между воздухом и жидким натрием, т.е. определяется положение уровня жидкого металла в резервуаре. Электрическое поле образуется с помощью тока, подводимого к двум электродам, контактирующим с внешней стороной стенки резервуара, причем один из электродов находится на самой верхней части резервуара, куда может подняться уровень жидкого натрия, а другой электрод находится на самой нижней части резервуара. Напряженность электрического поля на внешней поверхности стенки резервуара определяется путем измерения отношения разности потенциалов между двумя зондирующими электродами, расположенными по вертикали на некоторой выбранной локальной области внешней поверхности резервуара, к расстоянию между этими электродами. Технический результат: надежный контроль уровня жидкого металла при обеспечении заданных метрологических характеристик в широком диапазоне температур, а также непрерывность контроля и умеренная стоимость. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для измерения уровня потока жидкости в открытом канале // 2570431

Изобретение относится к технике измерения уровня потока жидкости, протекающего по открытому каналу. Техническим результатом является повышение надежности измерения уровня. Устройство состоит из первичного преобразователя, имеющего участок канала, по которому протекает поток жидкости, и измерительного блока, имеющего источник переменного напряжения низкой частоты, причем первичный преобразователь имеет кран, выполненный из электропроводного материала и подключенный к водопроводной сети, и два электрода, из которых один расположен по линии траектории струи, приблизительно на ее середине, а другой расположен в потоке на дне канала, причем кран и электрод, расположенный на дне канала, подключены к источнику переменного напряжения низкой частоты, а электрод, расположенный приблизительно на середине струи, и электрод, расположенный на дне канала, подключены ко входу измерительного блока, и отличается тем, что первичный преобразователь имеет лоток, выполненный из неэлектропроводного материала и расположенный между краном и электродом, находящимся на дне канала, под углом α<π/2 к поверхности раздела сред «воздух - жидкость», а электрод, расположенный по линии траектории струи приблизительно на ее середине, закреплен в полости лотка. 1 ил.

Измеритель уровня жидкости // 2579542

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня жидкостей при заполнении и опорожнении резервуаров, в частности уровня компонентов жидкого криогенного топлива в емкостях и баках при жестких механических воздействиях. Технический результат - повышение механической прочности и надежности измерителя уровня жидкости, точности его измерений, а также возможность его расположения с наклоном к вертикали, что повышает его универсальность применения для баков (емкостей) различных геометрических конфигураций. Дополнительно повышение технологичности изготовления устройства и снижение его стоимости. Измеритель уровня жидкости, содержащий корпус измерителя с размещенными по его высоте в каждой контрольной точке измеряемых уровней одним или несколькими терморезисторами «точечного» исполнения, отличающийся тем, что корпус измерителя выполнен полым трубчатым с посадочными местами для терморезисторных датчиков, выходы которых проводными линиями связи соединены с внешним измерительным прибором, при этом в контрольных точках измеряемых уровней точечные терморезисторы, установленные в нескольких датчиках, находятся в плоскости, параллельной поверхности жидкости, корпус измерителя при установке расположен вертикально или под углом к вертикали, при этом посадочные места нескольких терморезисторных датчиков установлены под соответствующими углами, зависящими от угла наклона корпуса к вертикали так, что их точечные терморезисторы расположены в контрольных точках измеряемых уровней, а в плане в каждой точке измерения терморезисторные датчики равномерно разнесены относительно друг друга. 8 ил., 2 табл.

Способ определения уровня жидкого гелия дискретным уровнемером // 2579774

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано в различного рода накопительных сосудах. Предложен способ измерения уровня жидкого гелия дискретным уровнемером с точечным датчиком, содержащим резистивный датчик температуры марки ТВО и контроллер управления процессом измерения. Новым является то, что анализируют изменение значений сопротивления датчика при запитке его поочередно током 0,1 и 3 мА и по величине скачка сопротивления судят о фазе вещества. Технический результат - определение уровня жидкого гелия точечным датчиком без предварительной калибровки. 2 ил.

Динамический датчик уровня жидкости // 2615910

Изобретение может быть использовано для контроля уровня жидкости в различных сосудах. Динамический датчик уровня жидкости, содержащий мостовую схему с включенным в ее плечо измерительным резистором, выполненным по длине контролируемого столба жидкости, с последовательно подключенными операционным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, бортовым компьютером, в котором имеется пластмассовый корпус трубчатого сечения, на внешней поверхности которого выполнена резьба для крепления, на всей внутренней поверхности напыление оксидным порошком, с нижнего торца закрыто пластмассовым диском с отверстиями, покрытым снизу сеткой, а сверху корпус закрыт навинчивающейся пластмассовой крышкой, имеющей контакты на внешней поверхности, со сквозными отверстиями и пластмассовым стержнем, равным по длине с корпусом и установленным соосно с зазором от внутренней поверхности корпуса, имеющим снаружи по всей длине напыление оксидным порошком. Техническим результатом является постоянный контроль уровня жидкости, в любой емкости проводящей и непроводящей, повышение точности показания прибора. 2 ил.