[发明专利]一种液氮液面计

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量液氮液面的装置。

背景技术

液氮制冷作为一项低温技术广泛应用于国民经济、科学实验以及国防军工等各个领域。以应用在超导磁体领域为例，低温超导磁体的运行需要超导磁体的温度降低到液氦温区，即4.2K。从室温到4.2K超导磁体系统需要释放大量的热能，这些热能如果全部用液氦来吸收则会消耗太多液氦，而液氦又是非常昂贵的工业原料，因此在利用液氦降温前，一般先用液氮来进行预冷处理，即现将超导磁体从室温降低到77K液氮温区，再输入液氦将超导磁体冷却至4.2K温区。由于液氮在60K温区即变为固态，固态氮会堵塞输液管道同时含有大量的热容消耗过多的液氦，因此在输完液氮给磁体预冷后，需要先将液氮排出杜瓦才能再输入液氦而进行进一步冷却工作。

在用液氮对超导磁体系统进行预冷时，将输液管插入超导磁体杜瓦容器的底部，打开液氮储液灌的开关，使液氮缓缓流入超导磁体内。由于超导磁体杜瓦等低温容器常用不锈钢等材料做成较为封闭的系统，因此流入杜瓦容器内的液体是无法直接看到的，容器内是否已经存有输入的低温液体，低温液体的液面有多高都是无法直接测量的。对于灌输液氮来讲，现在一般是凭借经验观察低温容器出气孔气流的颜色和形状，或者估算所需输满容器所需的时间来判断液氮液面的大致位置。实际上这种凭借经验的方法常常会带来较大错误，液氮经常会输入过多而直接从出气孔喷出，造成较大的浪费，而更严重的问题是，在预冷步骤完成后的排液氮工作中，经常会遇到液氮没有排除干净而造成后续液氦输入时固氮降温消耗过多液氦甚至输液管被固氮堵塞的现象，造成液氦的浪费乃至输液系统失效。

因此在给低温杜瓦容器输入液氮时，需要液氮液面计来检测和监控液氮的输入情况，提高低温液体的利用率以及避免输液系统的失效。液面计的使用和种类多样丰富，但是大多数液面计都不是为低温液体设计的，常规的液面计很难直接应用到低温液体液面的检测中。比如传统的靠机械浮力来判断液面的液面计，由于低温系统在制冷时会有结冰现象，同时低温下各种材料的机械性能甚至体积都会发生不同变化，那么机械装置会有发生卡壳等现象而无法工作的可能。对于液氮等低温液体的液面检测，常用的方法是电容传感器来检测，电容传感器具安装制造简易，可测范围大等特点，但是电容传感器精度较差，一般为10cm左右，对于大型液氮存储来讲是可以接受的，但是对于超导磁体预冷系统需要将液氮尽可能排尽，液氮液面应低于1cm以下，因此电容法的精度达不到。此外还有用传统热电偶及目测来探测液氮液面的，这些方法的测量精度就更差了。

近年来，高温超导技术得到快速发展和越来越多的应用。高温超导体具有非常独特的电、热特性，高温超导体一般是陶瓷材料制成，具有非常低的热导率，因此超导体不同部位的温度基本取决于该部位所在的低温环境而受其他部位温度的影响较小，高温超导体一般在冷却至110K以下时即显示出超导态，其电阻率接近为0，而在非超导态其电阻率又非常高，超过绝大多数金属材料。利用高温超导体独特的热学及电学特性，可以开发很多应用于低温系统的装置和设备。

发明内容

本发明的目的是克服现有常规液面计很难应用到低温液体液面检测，现有液氮液面检测设备精度较低的问题，提出一种新的利用高温超导体特殊的热学及电学特性制造的用于检测液氮液面的装置。

本发明所述的液氮液面计由高温超导带、加热器、支撑底板、支撑盖板、主电源、加热器电源、测量引线及电流引线组成。

所述的高温超导带的一端通过电流引线与主电源的正极相连，高温超导带的另一端通过电流引线与主电源的负极相连。高温超导带的两端还连接一对测量引线。所述的加热器通过电流引线与加热器电源的正负两极相连。所述的主电源和加热器电源均为直流电源。

所述的高温超导带的一面粘附于支撑底板上，高温超导带的另一面粘贴有加热器。支撑盖板的两端固定在支撑底板上，加热器和高温超导带位于支撑底板与支撑盖板之间。所述的支撑底板的宽度略大于高温超导带，支撑底板的长度略长于高温超导带，厚度为3毫米以上，以保持一定机械强度。所述的支撑盖板与支撑底板等宽等长，厚度可以几毫米以保持一定机械强度，支撑底板与支撑盖板主要起保护高温超导带材和便于移动安装的作用，可以用绝缘材料制成，如四氟聚氯乙烯、环氧树脂或经过绝缘喷漆处理的不锈钢等。

所述的高温超导带可由Bi2223等高温超导带材制造，高温超导带表面包有绝缘层，高温超导带在室温非超导态下单位长度的电阻须事先测定。