Die Erfindung betrifft die Messung des Füllstandes von kryogenen Flüssigkeiten in einem Behälter mit variablem Niveau sowie die Regelung auf ein bestimmtes Niveau.
Bekannt ist, dass in einem Kryostaten mit flüssigem Helium der Füllstand mit Hilfe eines supraleitenden Drahtes, der in die Flüssigkeit eingetaucht wird, gemessen werden kann. Wenn ein bestimmter Strom fliesst, bleibt der Teil des Drahtes, der sich oberhalb der Heliumoberfläche befindet, im normalleitenden Zustand, während der eingetauchte Teil supraleitend wird. Die Messung der Spannung über dem ganzen Drahtstück gibt an, welcher Teil des Drahtes sich über dem Spiegel des flüssigen Heliums befindet. In einem Kryostaten mit flüssigem Stickstoff wurde bis heute der Füllstand mit einer kapazitiven Methode bestimmt. Dabei wurde ausgenutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators ändert, wenn sich flüssiger Stickstoff statt Luft zwischen den Kondensatorplatten befindet. Diese Füllstandsmesser waren jedoch sehr störanfällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Messung und Regulierung des Füllstandes in einem Behälter mit kroygenen Flüssigkeiten mit einer neuen Vorrichtung bereitzustellen. Insbesondere soll die für flüssiges Helium bekannte Technik zur Füllstandsmessung und -regelung auf flüssigen Stickstoff übertragen werden.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch den Einsatz eines Sensors aus supraleitfähigem Material. Bevorzugt werden die neuen Hoch-Tc-Supraleiter der Familie von Y-Ba-Cu-Oxyden eingesetzt. Diese Familie wurde von J. G. Bednorz und K. A. Müller in Z. Phys. B 64, 189 (1986) erstmals vorgestellt. Die supraleitenden Materialien mit Sprungtemperaturen oberhalb 77 K, die hier verwendet werden, entdeckten C. W. Chu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 405 (1987). Die Füllstandsmessung kann entweder kontinuierlich entlang einer langen Strecke, bestehend aus neuem Hoch-Tc-Material, oder für ein bestimmtes Niveau mittels einer kleinen Sonde aus diesem Material erfolgen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Sensor zur Messung des Füllstandes entweder aus einem langen Silberhohlzylinder, der mit dem neuen Hoch-Tc-Material gefüllt ist, aus einem langen, dünnen Film aus Hoch-Tc-Material, aus einer Pille des Materials oder ähnlichen Leiterformen. Je nach Ausführungsart kann das Niveau des flüssigen Stickstoffs genau gemessen werden, oder es kann sichergestellt werden, dass der Flüssigkeitsstand eine bestimmte Marke nicht unter- oder überschreitet. Der Nachfluss von flüssigem Stickstoff kann beispielsweise durch elektronisches Ansteuern eines Ein-/Aus-Schalters erfolgen.
Nachfolgend sind anhand der beiligenden Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Füllstandsanzeigers für flüssigen Stickstoff, wo die Messung des Füllstandes mit einem supraleitenden Draht für ein beliebiges Niveau erfolgt;
Fig. 2 einen Schnitt von der schematischen Darstellung eines Füllstandsanzeigers für flüssigen Stickstoff nach dem Prinzip der Regulierung auf ein vorgegebenes Niveau, wo die Messung des Füllstandes mit einer supraleitenden Pille erfolgt.
In Fig. 1 ist der vertikal in ein Dewargefäss (D) eingeführte Füllstandsmesser gezeigt. Mit einer Halterung (H) kann dieser an der Dewarwand befestigt werden. Es bestehen vier externe Anschlüsse I+, I-, U+ und U-, welche als Stromzufuhr und zur Spannungsmessung über der Probe dienen. Der supraleitende Draht (SL) ist in vertikaler Richtung angeordnet und in ein Silberrohr eingebettet. Er wird an der Ober- und Unterseite je mit einem Strom-und einem Spannungskontakt versehen. Der Widerstand R dient zur Erwärmung desjenigen Drahtteils, der sich über der Flüssigkeitsoberfläche befindet, und sorgt dafür, dass dieser nicht supraleitend wird.
Fig. 2 zeigt die einfache Anordnung einer Vorrichtung zur Füllstandskontrolle. Die mechanischen und elektrischen Anschlüsse sind gleich wie in Fig. 1. Eine Pille aus supraleitendem Material (SL) wird in einer variablen Höhe angeordnet. Sie verliert die Supraleitung, sobald der Flüssigkeitsstand unter die Pille absinkt.
Infolge der Einfachheit und Zuverlässigkeit eignet sich die Erfindung für den Einsatz bei allen Arten von Füllstandsmess- und Regelsystemen für flüssigen Stickstoff oder ähnliche kryogene Flüssigkeiten. Insbesondere von Bedeutung ist der Einsatz der Erfindung zum Beispiel bei Kryostaten, supraleitenden Magneten, supraleitenden Computern, rauscharmen Detektoren, Transportsystemen für flüssigen Stickstoff, bei der Herstellung von flüssigem Stickstoff, bei zukünftigen supraleitenden Magnetschwebebahnen aufgrund von Hoch-Tc-Supraleitern und vielem mehr, wo Füllsysteme und Reservoire für flüssigen Stickstoff überwacht werden müssen, insbesondere im Zusammenhang mit dem zunehmenden Bedarf an Kühlsystemen für die neuen Hochtemperatursupraleiter.
The invention relates to the measurement of the level of cryogenic liquids in a container with a variable level and the regulation to a certain level.
It is known that the level in a cryostat with liquid helium can be measured with the aid of a superconducting wire which is immersed in the liquid. When a certain current flows, the part of the wire that is above the helium surface remains in the normally conductive state, while the immersed part becomes superconducting. The measurement of the voltage across the entire piece of wire indicates which part of the wire is above the level of the liquid helium. In a cryostat with liquid nitrogen, the fill level has so far been determined using a capacitive method. It was exploited that the capacitance of a capacitor changes when there is liquid nitrogen instead of air between the capacitor plates. However, these level meters were very prone to failure.
The invention is based on the object of providing the measurement and regulation of the fill level in a container with cryogenic liquids using a new device. In particular, the technology known for liquid helium for level measurement and control is to be transferred to liquid nitrogen.
According to the invention, this is achieved by using a sensor made of superconducting material. The new high-Tc superconductors from the Y-Ba-Cu oxide family are preferred. This family was developed by J.G. Bednorz and K.A. Müller in Z. Phys. B 64, 189 (1986) first presented. The superconducting materials with transition temperatures above 77 K, which are used here, discovered C. W. Chu et al., Phys. Rev. Lett. 58: 405 (1987). The level measurement can either be carried out continuously along a long distance consisting of new high-Tc material, or for a certain level using a small probe made of this material.
According to a preferred embodiment of the invention, the sensor for measuring the level either consists of a long hollow silver cylinder which is filled with the new high-Tc material, a long, thin film of high-Tc material, a pill of the material or similar ladder shapes. Depending on the design, the level of liquid nitrogen can be measured precisely, or it can be ensured that the liquid level does not fall below or exceed a certain mark. Liquid nitrogen can flow in, for example, by electronically actuating an on / off switch.
Two exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. Show it
Figure 1 is a schematic representation of the level indicator for liquid nitrogen, where the level is measured with a superconducting wire for any level.
Fig. 2 shows a section of the schematic representation of a level indicator for liquid nitrogen according to the principle of regulation to a predetermined level, where the level is measured with a superconducting pill.
In Fig. 1, the level meter vertically inserted into a Dewar vessel (D) is shown. It can be attached to the Dewar wall using a bracket (H). There are four external connections I +, I-, U + and U-, which serve as power supply and for voltage measurement across the sample. The superconducting wire (SL) is arranged in the vertical direction and embedded in a silver tube. It is provided with a current and a voltage contact on the top and bottom. The resistor R serves to heat the part of the wire which is above the surface of the liquid and ensures that it does not become superconducting.
Fig. 2 shows the simple arrangement of a device for level control. The mechanical and electrical connections are the same as in Fig. 1. A pill made of superconducting material (SL) is arranged at a variable height. It loses superconductivity as soon as the fluid level drops below the pill.
As a result of the simplicity and reliability, the invention is suitable for use in all types of level measurement and control systems for liquid nitrogen or similar cryogenic liquids. Of particular importance is the use of the invention, for example, in cryostats, superconducting magnets, superconducting computers, low-noise detectors, liquid nitrogen transport systems, in the production of liquid nitrogen, in future superconducting magnetic levitation trains due to high-Tc superconductors and much more, where Filling systems and reservoirs for liquid nitrogen need to be monitored, especially in connection with the increasing need for cooling systems for the new high-temperature superconductors.