Устройство измерения уровня криогенной жидкости на базе дискретных монолитных высокотемпературных сверхпроводников

 

Изобретение относится к криогенному машиностроению. Устройство для измерения уровня криогенной жидкости состоит из датчика и вторичного регистрирующего блока. Датчик представляет собой совокупность чувствительных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов из иттриевой керамики. ВТСП элементы соединены последовательно в единую цепь и расположены в шахматном порядке по длине датчика внутри диэлектрического основания или сверху него. В качестве нагревателя используются ЧИП-резисторы или проводник из сплава высокого сопротивления. Нагревательные элементы включаются секционно или по всей длине датчика. Технический результат состоит в повышении точности, возможности широкого диапазона применения, в универсальности использования. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к областям криогенной техники и криогенного машиностроения.

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.

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.

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.

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".

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.

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.

На фигуре 3:
1 - основание, на котором размещены чувствительные ВТСП-элементы;
2 - нагреватель;
3 - чувствительный ВТСП-элемент.

Устройство измерения криогенной жидкости состоит из 2-х частей: датчика уровня и вторичного блока.

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.

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).

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.

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).

Указанное устройство может быть изготовлено на предприятиях Р.Ф., что соответствует критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Устройство измерения уровня криогенных жидкостей, состоящее из датчика, включающего в себя чувствительный и нагревательный элементы, и вторичного регистрирующего блока, отличающееся тем, что датчик уровнемера представляет собой совокупность чувствительных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов из иттриевой керамики, соединенных последовательно в единую цепь и расположенных в шахматном порядке по длине датчика внутри диэлектрического основания или сверху него, в качестве нагревателя используются ЧИП-резисторы или проводник из сплава высокого сопротивления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагревательные элементы могут включаться секционно или по всей длине датчика.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что ВТСП элементы выполнены из иттриевой керамики Y-123 (Y₁Ba₂Сu₃О₇).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3