用于液氦的液位计及其标定方法、液氦容器与流程

本发明涉及低温超导液位测量领域，尤其涉及一种用于液氦的液位计及其标定方法、液氦容器。

背景技术：

超导电性是指一些金属或合金在一定温度条件下电阻突然降为零的性质。而失去这一温度条件时，金属或合金电阻又突然增大成为非超导态或常导体，这一过程称为失超。所述的温度条件一般为较低的温度，而低温需要通过低温介质获得，比如对于高温超导体，用于获得这一低温环境的冷介质通常为77k的液氮；而对于低温超导体，用于获得这一低温环境的冷介质通常为4.2k的液氦。

目前，用于测量液氦的液位计结构均将加热丝作为加热装置，且加热丝与超导丝在同一回路中串联使用，通过两者的电流相互受到限制，可能造成加热功率不足，在较低液位时难以准确测量；加热丝和超导丝都十分细，两者之间的良好接触不太容易，受接触点多少、换热效率影响加热丝容易与超导丝脱离或烧损。

技术实现要素：

本发明提供一种用于液氦的液位计及其标定方法、液氦容器。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种用于液氦的液位计，所述液位计包括：

套管，具有一腔体；

加热器，设于所述腔体靠近所述套管顶部的一侧，所述加热器呈片状或块状；以及

测量模块，包括超导丝、电流进线、电流出线、电压进线和电压出线，所述超导丝收容在所述腔体内，且所述超导丝由所述腔体靠近所述套管底部的一延伸至所述腔体靠近所述套管顶部的一端；

所述超导丝的两端分别连接所述电流进线和所述电流出线，并分别连接所述电压进线和所述电压出线，所述电流进线、所述电流出线、所述电压进线和所述电压出线穿设所述套管并露在所述套管外；

其中，所述超导丝的一部分与所述加热器的表面接触，且所述超导丝与所述加热器之间绝缘。

根据本发明的第二方面，提供一种液氦容器，包括：

容器本体，具有用于存储液氦的储液腔；

如本发明的第一方面所述的用于液氦的液位计，所述液位计安装在所述储液腔内，且所述液位计的底部伸入液氦中。

根据本发明的第三方面，提供一种液位计的标定方法，用于标定如本发明的第一方面所述的液位计，所述方法包括：

获取所述超导丝整体处于失超状态下的全电阻；

在利用所述液位计测试当前容器内的液面位置时，根据所述液位计安装在所述当前容器中的安装形状，确定所述液位计的形状系数；

根据所述超导丝的长度、所述全电阻、所述超导丝的当前电流以及所述形状系数，建立所述超导丝的当前电压与所述液面位置的对应关系。

由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明采用片状或块状的加热器，加热器和超导丝接触导热，实现加热部分与测量部分的相互独立，避免了加热器和超导丝串联时电流相互限制的情况，可保证加热部分的加热功率，并保证了在低液位时也能测量准确。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一示例性实施例示出的一种用于液氦的液位计的结构示意图；

图2是本发明一示例性实施例示出的一种用于液氦的液位计的结构框图；

图3是本发明一示例性实施例示出的一种液氦容器的结构示意图；

图4是本发明一示例性实施例示出的一种液位计的标定方法的方法流程图；

图5是本发明一示例性实施例示出的一种液位计的安装方式示意图。

附图标记：

100：容器本体；200：液位计；1：套管；11：金属管；12：绝缘管；2：加热器；21：电源进线；22：电源出线；3：测量模块；31：超导丝；32：电流进线；33：电流出线；34：电压进线；35：电压出线；4：监控单元。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

当前用来检测液氦液位的技术主要集中在利用超导体在超导状态下电阻为零，而在非超导状态(或称失超状态)下电阻突然增大的物理特性，将超导体作为氦液位传感器。

将超导丝一部分置于液氦液面以下，一部分置于液氦液面之上，用加热装置对液氦液面之上部分的超导丝加热，使液氦液面之上部分的超导丝处于非超导状态，而氦液面之下部分的超导丝由于浸泡在液氦之中而处于超导状态，此时通一恒定电流，测量超导丝两端的电压，这个电压会随着液面的高低变化，从而估测液面的高度(如果不对超导丝进行加热，则整个超导丝都会处于超导状态，没有电阻无法测出超导丝两端的电压，液位计无法工作)。目前，加热装置一般为加热丝或加热线圈，加热装置与超导丝一端相接，通过同一电流，加热装置和超导丝两端引出导线用来通电流和测电压。现有的液位计，通过加热丝(或加热线圈)和超导丝的电流相互受到限制，可能造成加热功率不足，在较低液位时难以准确测量；加热丝(或加热线圈)和超导丝都十分细，两者之间的良好接触不太容易，受接触点多少、换热效率影响加热丝容易与超导丝脱离或烧损。

对于此，本发明的用于液氦的液位计，采用片状或块状的加热器，加热器和超导丝接触导热，实现加热部分与测量部分的相互独立，避免了加热器和超导丝串联时电流相互限制的情况，可保证加热部分的加热功率，并保证了在低液位时也能测量准确。

下面结合附图，对本发明的用于液氦的液位计及其标定方法、液氦容器进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明实施例所涉及的主要是低温超导领域，液位指的是液氦的液面位置。处于低温容器中的液氦，温度以液面为界，液面以下约为4.2k，液面以上充满冷氦气，温度大于4.2k，并且离液面越远，温度越高。由于液氦的液面高度决定着低温容器中液氦的体积、重量并且与超导体的性能、设备的运行状态密切相关，所以实时监控液氦的液位是十分必要的。

图1是本发明一示例性实施例示出的一种用于液氦的液位计的结构示意图。请参见图1，本发明实施例的液位计200可以包括套管1、加热器2以及测量模块3。其中套管1具有一腔体，本实施例的套管1的内壁绝缘。加热器2设于腔体靠近套管1顶部的一侧，本实施例的加热器2呈片状或块状。测量模块3包括超导丝31、电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35，超导丝31收容在腔体内，且超导丝31由腔体靠近套管1底部的一延伸至腔体靠近套管1顶部的一端，超导丝31的一端固定在套管1顶部，超导丝31的另一端固定在套管1底部或者与套管1底部间隔设置，可以理解的是，超导丝31的另一端也可以与套管1底部接触。超导丝31的一端固定在套管1顶部，超导丝31的另一端固定在套管1底部或与套管1底部接触的实施例中，超导丝31贯穿整个套管1。

超导丝31的两端分别连接电流进线32和电流出线33，并分别连接电压进线34和电压出线35，例如，可选地，电流进线32与电压进线34与超导丝31靠近套管1顶部的一端连接，电流出线33与电压出线35与超导丝31靠近套管1底部的一端连接；可选地，电流出线33与电压出线35与超导丝31靠近套管1顶部的一端连接，电流进线32与电压进线34与超导丝31靠近套管1底部的一端连接；可以理解地，还可以采用其他连接方式来实现超导丝31的两端分别连接电流进线32和电流出线33，并分别连接电压进线34和电压出线35。进一步地，本实施例的电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35穿设套管1并露在套管1外，可选地，电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35穿设套管1顶部并露在套管1外；当然，电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35穿设套管1靠近顶部一端的侧壁并露在套管1外。

在本实施例中，超导丝31的一部分与加热器2的表面接触，且超导丝31与加热器2之间绝缘。由于采用了片状或块状的加热器2，加热器2和超导丝31接触导热，实现加热部分与测量部分的相互独立，避免了加热器2和超导丝31串联时电流相互限制的情况，可保证加热部分的加热功率，并保证了在低液位时也能测量准确。

套管1可以包括底壳和上盖，腔体设于底壳，底壳顶部设有开口，开口与腔体连通，上盖与开口配合。本实施例中，电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35穿设上盖而露在套管1外。

在一些实施例中，请参见图1，套管1可以包括金属管11和套设在金属管11内的绝缘管12，金属管11便于维持液位计200的形状。绝缘管12可以选择柔性材质制作，如橡胶，可以防止腔体内的结构晃动。本实施例中，绝缘管12固定在金属管11的内侧壁上。应当理解地，在另外一些实施例中，套管1包括一层管体，如管体可以选择硬度较大的绝缘材质制作。

本实施例的套管1为可弯曲套管1，在使用液位计200测量液氦容器中液氦的液面位置时，可以将套管1弯折成不同的形状，以适配液氦容器的结构，从而可以适应复杂形状的液氦容器和路径的液位测量。例如，在使用液位计200时，可以将套管1弯折成圆弧、椭圆弧、梯形等特殊形状；当然，若液氦容器的结构允许，也可以非弯折状态(即正常状态，此时，套管1呈直线状)下使用液位计200来测量液氦容器中液氦的液面位置。

套管1可以为封闭套管1，也可以为非封闭套管1。其中，封闭套管1是指套管1底部和侧壁封闭；非封闭套管1是指套管1底部或侧壁非封闭，可选地，套管1的侧壁设有通孔，在使用液位计200时，液氦可以从通孔进入腔体内，也不会影响液位计200的使用。

加热器2可以为自发热结构，也可以为由外部供电实现加热。

请再次参见图1，本实施例的液位计200还可以包括电源进线21和电源出线22，电源进线21与电源出线22分别连接在加热器2的两端，从而通过外部供电实现加热器2的加热功能。

可选地，加热器2的表面设有第一绝缘层，确保加热器2和超导丝31之间不存在电气连接，从而确保了加热部分与测量部分的相互独立。

当液位计200处于非弯折状态时，套管1呈直线状，超导丝31也呈一条直线。下述实施例以液位计200处于非弯折状态为例进行说明。

可选地，超导丝31大致垂直于套管1底部；当然，超导丝31也可以非垂直于套管1底部。

可选地，超导丝31大致平行于套管1的侧壁；当然，超导丝31也可以相对套管1的侧壁呈一定角度。

超导丝31的材质可以为nbti或nb3sn或其他超导材料。考虑到性价比和成本，本实施例的超导丝31的材质为nbti。

为使得超导丝31和加热器2具有良好的物理接触，超导丝31的一部分粘接在加热器2的表面，例如，可以通过胶将超导丝31的一部分粘接在加热器2的表面。可以理解的是，也可以利于其他方式将超导丝31固定在加热器2的表面。

可选地，测量模块3包括多个，实现了测量模块3的备份。可选地，测量模块3包括两个，两个测量模块3共用同一个加热器2，当其中有个测量模块3损坏时，通过另外一个测量模块3，使得液位计200仍能正常使用。

为适用于低温环境，本实施例的电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35为表面包裹有第二绝缘层的铜线。电源进线21和电源出线22也可以为表面包裹有第二绝缘层的铜线。可选地，第二绝缘层为特氟龙层；第二绝缘层也可以为其他低温下适用的绝缘材质。

请参见图2，液位计200还可以包括监控单元4，该监控单元4设于套管1外，且该监控单元4与电流进线32、电流出线33、电压进线34和电压出线35分别电连接，从而可以通过监控单元4为超导丝31输入电流，并可以通过监控单元4监控超导丝31中位于液氦液面上的部分的电压。进一步地，监控单元4与电源进线21、电源出线22也分别电连接，从而通过监控单元4控制加热器2工作与否。

本实施例的液位计200工作于液氦温区，具体地，当加热器2未加热时超导丝31由于充分受冷而处于超导状态，电阻为0，即便向超导丝31输入电流，超导丝31的两端也不会有电压。当加热器2加热时，如果加热功率大于散热功率，与加热器2接触的一部分超导丝31就会处于非超导态而具有电阻，此时如果向超导丝31通入一定电流，由于焦耳热作用，非超导态就会逐步扩大，传播直至加热功率≤散热功率的位置，该位置通常为液氦和氦气的交界面，即液面，液面位置即液位。液位变化则为处于非超导态的超导丝31的长度变化，即电阻变化，而电阻变化，超导丝31上面的电压也就会变化。因此，可以通过测量超导丝31两端的电压来确定液面位置。

请参见图3，本发明实施例还提供一种液氦容器，该液氦容器可以包括容器本体100以及上述实施例的用于液氦的液位计200。其中，容器本体100具有用于存储液氦的储液腔，液位计200安装在储液腔内，且液位计200的底部伸入液氦中，以通过液位计200检测储液腔内的液氦的液位变化。

在预制完液位计200后，需要标定超导丝31的当前电压与液面位置的对应关系。对此，本发明实施例还提供一种液位计200的标定方法，用于标定上述实施例的液位计200。请参见图4，本实施例的液位计200的标定方法可以包括步骤s401～s403。

其中，在s401中，获取超导丝31整体处于失超状态下的全电阻。

在实现s401时，具体地，在液位计200整体置于冷氦气中时，开启液位计200的加热器2，并通过液位计200的电流进线32和电流出线33输入预设大小的电流，再通过液位计200的电压进线34和电压出线35，测量超导丝31整体处于失超状态下的全电阻。可选地，将液位计200置于液氦杜瓦中，使整个液位计200处于冷氦气中。

本实施例中，通过电流进线32和电流出线33输入预设大小的电流i1，待稳定后通过电压进线34和电压出线35测量得电压值v1，计算得到冷氦气下超导丝31失超时的全电阻r1＝v1/i1。

在s402中，在利用液位计200测试当前容器内的液面位置时，根据液位计200安装在当前容器中的安装形状，确定液位计200的形状系数。

本实施例中，预制的液位计200的超导丝31的长度为l1，超导丝31工作时，部分浸于液氦的液面之下，液面之上的超导丝31的长度为lx，根据电阻计算公式(ρ为超导丝31的材质的密度，s为超导丝31的截面积，l为超导丝31的长度)，得到：

其中，lx为液氦的液面以上部分的超导丝31的长度，rx为液氦的液面以上部分的超导丝31对应的失超电阻，vx为恒定电流下液氦的液面以上部分的超导丝31的电阻对应的电压，即液面变化时超导丝31两端的实时电压，据此可知：

可进一步推出，位于液面之下的超导丝31的长度：

但是多数情况下ly并不等同于液面高度，因为液氦容器的形状和结构，液位计200往往不能竖直安装(即非弯折安装)，而需要以特殊的形状安装在液氦容器中。液位计200的套管1可以以规则形状(如竖直形状、弧形)或不规则形状安装在当前液氦容器中，超导丝31的长度和液面高度的关系将受液位计200安装形状的影响，本实施例称为形状系数s，液面高度h与lys存在对应关系。

当液位计200的套管1竖直安装在液氦容器中时，s＝1，h＝ly。

当液位计200的套管1非竖直安装在液氦容器中时，s的计算方法通过液位计200的安装方式，即氦液位计200的安装形状与竖直高度的几何关系得到。例如，请参见图5，液位计200呈圆弧形(圆弧形半径为r)安装在液氦容器中，液位计200和液面相交处至液位计200底部的圆弧段对应的圆心角为θ，θ对应的弧度角为α，液面高度为h，则：进一步推导得到：接着，将θ转换为弧度：进一步得到：又液位计200和液面相交处至液位计200底部的圆弧段对应的弧长s′＝α·r，故且s′＝ly，进一步推导出：因此，当液位计200的套管1非竖直安装在液氦容器中时，

液位计200以不规则形状安装在液氦容器中，可以将液位计200拆成几段规则形状分别计算。

在s403中，根据超导丝31的长度、全电阻、超导丝31的当前电流以及形状系数，建立超导丝31的当前电压与液面位置的对应关系。

本实施例中，对应关系为：

其中，h为液面高度，l1为超导丝31的长度，v1＝r1×i，r1为全电阻，i为超导丝31的当前电流，vx为超导丝31的当前电压，s为形状系数。

将公式(4)载入监控单元4，由于液位计200预制完成并安装在当前容器中后，l1、v1以及s均为恒定值，故通过监控单元4实时监控vx，即可实现液位的实时监测。

例如，在一个实施例，液位计200形状设置为半圆弧形，即液位计200以半圆弧形安装在液氦容器中，则可通过已知弧形半径r，推出那么公式(4)则为：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。