分区组合加热型超导液位计

1.本发明涉及一种涉及用于测量低温液体液位的超导液位计。


背景技术：

2.超导材料是指具有一定低温条件下呈现出电阻为零以及排斥磁力线的性质的一类材料。随着超导技术的不断发展，超导材料已经广泛用于电力、医疗、交通、国防等众多领域，其中低温液体液位测量是超导技术的重要运用场景之一。利用超导材料在特定温度下电阻突降为零的超导电性，可以测量温度低于超导转变温度的低温液体液位。比如对于高温超导材料，可以测量冷介质为77k的液氮液位，对于低温超导材料，可以测量冷介质为4.2k的液氦液位。
3.目前，用于测量液氦的超导液位计结构一般将加热器串联在超导材料顶端，超导丝垂直安装在液位计中。当测量液氦液位时，输入电流通过加热器使液面上端的超导材料失超，液面以下的超导材料依然保持超导状态，超导材料失超部分产生的电位通过算法模块换算为液位高度。对于加热器串联进超导测量回路中的电路结构，由于两者电流相互影响，易造成加热功率不足，输出电压不稳，测量精度低等问题。此外，对于过低液位测量，远端加热不仅难以顾及底部加热，而且会造成大量的液氦挥发。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超导液位计，其能够解决上述现有技术中的某个或某些缺陷。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量密闭液氦容器中液氦高度的液位计，包括：
6.竖向设置的超导丝；
7.用于测量超导丝两侧电压的测压电路；
8.至少一条加热丝，邻近且平行于超导丝设置，用于加热超导丝；
9.恒流电源，与加热丝形成加热回路，以及
10.控制器，根据测压电路所测超导丝两端电压而控制输出相应的液氦高度位置。
11.根据本发明，加热丝可以为三条并联的加热丝，分别用于加热超导丝的不同部位。每条加热丝均与超导丝等高，且每条加热丝的有效加热长度分别对应于超导丝的全长的上三分之一、上三分之二以及下三分之一。
12.根据本发明，超导丝可以由埋置于中空不锈钢丝中的超导材料形成。超导材料可以是nb-ti或nb3sn。
13.根据本发明，液位计还可以包括与超导丝并联设置的参比电阻丝，其由埋置于相同不锈钢丝中的绝缘材料形成。绝缘材料可以是氧化镁陶瓷或氧化铝陶瓷
14.根据本发明，液位计还可以包括护套管，超导丝、加热丝以及参比电阻丝均可以设置在护套管内。
15.根据本发明的分区组合加热型液位计，在测量时可以做到氦气部分输入热量大，液氦部分输入热量少，在保证测量精度的同时，能够最大程度地减少液氦挥发。该结构不仅可用于液氦超导液位测量，还可通过改变超导材料类型用于液氢液位测量(液氢的温度为20.4k，可以选用二硼化镁(mgb2，tc＝39k)或铌三锗(nb3ge，tc＝23.2k))。本发明的液位计可满足极限高度(过高或过低液位)测量，特别是在过低液位测量时，能够将加热源处于下部，极大提高液位测量精度，减少液氦挥发。
附图说明
16.图1为根据本发明的液氦超导液位计的结构示意图。
具体实施方式
17.下面通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。
18.如图1所示，本发明的液位计用于测量密闭液氦容器1中的液氦高度，其具有护套管2。护套管2中分别设置有：
19.竖向超导丝7，由埋置于中空不锈钢丝中的超导材料形成，由于液氦的温度为4.2k，因此可以选择临界温度tc高于4.2k的超导材料，铌鈦(nb-ti，tc＝9.6k)或铌三锡(nb3sn，tc＝18.3k)；
20.三条邻近且平行于超导丝7并联设置的加热丝3、4、5，每条加热丝均与超导丝7等长，但其有效加热长度(较细部分，可以由细的康铜丝制成)分别对应于超导丝的全长的上三分之一、上三分之二以及下三分之一；
21.与超导丝7并联设置的参比电阻丝8，其由埋置于相同不锈钢丝(与超导丝7的中空不锈钢丝完全相同)中的绝缘材料形成；
22.第一金属铂丝6与第二金属铂丝9，其中第一金属铂丝6与各并联加热丝及恒流电源11形成加热回路；第二金属铂丝9则与超导丝7形成测压回路；加热回路与测压回路中还可以分别另外设置第一安全栅10以及第二安全栅14；
23.控制器12，根据测压电路13所测超导丝7两端电压而控制输出相应的液氦高度位置。当然，通过控制加热丝3、4或5，控制器12还用于选择性加热超导丝7的不同部位。
24.下面简要描述本发明的液位计的工作原理。
25.三根加热丝3、4、5可以通过铜丝直径调控材料电阻，实现同种材料不同直径具有不同加热功率，达到对不同液位采用相适配的加热丝进行液位测量工作。具体地，当储罐或密闭液氦容器1内液位较高时，采用上端加热丝3加热超导丝7；当液位较低时，采用下端加热丝5加热超导丝7；当液位高度适中时，采用中上端加热丝4加热超导丝7。三根加热丝3、4、5与超导丝7间相互绝缘，而不是将加热丝简单串联至超导丝7上端，分区组合加热结构将加热回路和测量回路分开，避免了用于加热的输入电流影响用于测量的输出电流，这在一方面保证了液位测量的准确性。另一方面，三根加热丝3、4、5分别负责不同的液位范围测量，保证了全液位高度测量的准确性，同时减少了液氦挥发。本实施例中优选康铜丝作为加热丝。
26.超导丝7与参比电阻丝8并联后再与第二金属铂丝9串联形成测量回路；三根加热丝3、4、5并联后与第一金属铂丝6串联形成加热回路。恒流电源11对加热回路提供加热电
流，测量电路13对测量回路提供测量电流。恒流电源11与加热丝3、4、5之间连接有第一安全栅10，测量电路13通过第二安全栅14与超导丝7、参比电阻丝8相连，以参比电阻丝8为参考，测量超导丝7两端产生的电压值。
27.加热电流通入加热丝时，加热丝所提供的热量应当恰好或稍大于超导转变所需热量。加热功率过小，虽然能够输出液位高度值，但响应会出现延时现象；加热功率过大，会造成液氦挥发。在本实施例中，对于液氦液位的测量，5～8w的加热功率就能保证测量精度。测量电流的大小对测量精确度的影响不大，50～100ma即可满足要求。
28.在测量过程中，测量电路13采集超导丝7失超产生的电压值，算法模块根据预设的电压与超导丝超导/失超长度的函数关系，测算电压测量值对应的超导丝长度，最后根据超导丝长度输出液位高度值。预设函数根据超导材料及其结构有相对应的模型，根据实际冷介质和所用超导材料，算法模块会采用相适配的函数模型进行测算。
29.此处再详细描述液氦超导液位计的使用步骤，以便读者更加理解此液位计的工作原理。
30.步骤一、使用电缆分别将液氦超导液位计的加热丝端口与恒流电源相连，超导丝端口与测量端口相连；将超导液位计垂直放置于盛有液氦的储罐中。
31.步骤二、命令恒流电源的加热电流为0.4a，测量电流为90ma，记录测量回路的电压值，电压值在5s后稳定，电压值通过函数关系转化为对应的超导丝长度，最后根据超导丝长度输出液位高度值。
32.步骤三、向储罐中继续注入或转移液氦，造成液位高度变化，观察电压稳定时间，适时增大或减小加热功率。稍大的加热功率可以压缩气液转换区，提高液位测量精度和液位响应时间。