WO1989002583A1 - Level indicator for cryogenic fluids - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a level detector for cryogenic liquids, the liquid level being detected with the aid of superconductivity.
- the level in a cryostat with liquid helium can be measured with the aid of a superconducting wire which is immersed in the liquid.
- a certain current flows, the part of the wire " which is above the helium surface remains in the normally conductive state, while the immersed part becomes superconductive.
- the measurement of the voltage across the entire piece of wire indicates which part of the wire
- the level in a cryostat with liquid nitrogen has so far been determined, for example, using a capacitive method or using carbon or semiconductor resistors. In the capacitive method, use has been made of the capacitance of a capacitor _ 7 -
- the applicant has therefore already proposed a device for measuring and regulating the fill level of liquid nitrogen and similar cryogenic liquids with the exception of liquid helium, in which liquid levels are detected with the aid of superconductivity.
- the present invention is based on the object of improving the measuring device in such a way that a simple and reliable, long-term stable and low-maintenance fill level detector results. - -
- FIG. 1 shows the schematic representation of a sensor with a pill made of a high-temperature superconductor for detecting a liquid level
- FIG. 3 shows the schematic representation of an encoder with two pill-shaped sensors from a high-temperature superconductor for detecting two liquid levels
- FIG. 5 shows the simplified circuit diagram of an evaluation circuit for the acquisition of resistance measurement values and their processing into reliable measurement results.
- the simple sensor device shown in Fig.l is inserted into a Dewargefäs' s first With a bracket 2 it can be attached to the vessel.
- a pill 3 consists of superconducting material and is connected to a resistance element 4 attached directly above it.
- the resistance element serves to heat the pill, so that its material does not become superconducting and maintains its finite resistance properties as long as the sensor is above the liquid level.
- the sensor immersed in the to be monitored liquid which Sprung ⁇ temperature of the superconducting material of the sensor is exceeded under ⁇ , and * the electrical resistance drops to zero.
- connections I + and I_ are used for applying a measurement current I to the measurement circuit and connections U + and U_ for voltage tapping over the superconducting material become.
- the voltage drop across the connections U + and U_ is evaluated in a subsequent detector circuit and fed to a display or switching or control devices.
- the pill 3 can basically contain the superconducting material in any shape, for example in the form of tapes, wires or blocks.
- such material was between in the form of a block of 1mm x 2mm x 10mm Copper contacts 7, 8, 9, 10 clamped, which serve both as a mechanical holder and as electrical contacts. The electrical contact is fixed with conductive silver and at the same time protected against corrosion.
- the electrical resistance element 4 is attached in direct contact with the pill 3.
- the thermal contact is supported by a thermal paste 5.
- Appropriate resistance values are between 100 and 1000 ohms.
- the heating power was between 10 mW and 100 mW.
- Both components, the pill 3 and the resistor 4 are cast in an epoxy resin 6, which ensures protection and mechanical stability.
- the epoxy resin has good thermal conductivity and can be used in a temperature range from 77 K to 300 K without the risk of damage from cracks and the like. Has proven itself, for example "TORR SEAL (R) low vapor pressure resin" from Varian.
- the sensor unit consisting of pill 3, holder 2, resistor 4 and epoxy protective layer as a module, which can be inserted into suitable sockets with the aid of corresponding guides and coordinated connections similar to a pluggable integrated circuit (IC).
- IC integrated circuit
- * may be 7-10 constructed as plug pins, the contacts. This makes it easier to check the sensors and maintain the vessels.
- several sensors can be combined with one another for specific monitoring tasks, as is described below for a sensor with two superconducting elements according to FIG.
- a first pill 3 made of superconducting material is supplemented by a second pill 13 of this type, which is positioned below the first pill, so that there is a minimum / maximum display for the liquid level to be monitored, for example if a pill in the Area of the highest permissible liquid level and the second pill in the area of the lowest level in the container.
- the second pill has electrical connections 1 + 2 ⁇ -2 'u u +2 and -2 * Incidentally, the structure of the second pill 13 corresponds to that of the first pill 3. ..
- YBa2Cu3 ⁇ _ x a part of barium was replaced by strontium, so that a material of the form YBaSrCU3 ⁇ _ x resulted.
- This material has the extremely advantageous property of being completely superconducting at 81 K ( ⁇ 2 K).
- the point of use of superconductivity is approximately 84 K.
- the transition temperature is thus 4 K above the temperature of liquid nitrogen (77 K), an economically important cryogenic liquid. 4 shows the temperature dependence of the resistance curve of the new sensor with the above-mentioned superconductor material compared to known carbon resistors C and semiconductor resistors S for comparison. The advantage of the new sensor can be seen immediately.
- suitable high-temperature superconductors can be selected from the group of substances given above, the superconducting transition temperature of which is close to the temperature of the cryogenic liquid to be monitored. However, it is expedient to choose the transition temperature at most 5 K above the boiling point of the liquid, since otherwise the sensor material would remain superconductive if the sensor is located directly above the liquid level in the area of the supercooled steam.
- a detector circuit according to FIG. 5 is particularly advantageous for detecting and evaluating the changes in resistance on the superconducting material of the sensor. It is able to detect the smallest resistance values in the milli-ohm range as well as changes in resistance in this order of magnitude safely and unaffected by external disturbances and drift.
- the resistance values of the above-mentioned strontium-doped superconducting material are about 50 milli-ohms for room temperature and about 15 milli-ohms directly above the jump.
- the voltage drop to be recorded was approx. 75 ⁇ V in the middle of the transition range.
- the current circuit contains a switch A controlled by a clock generator T.
- the measuring circuit consists of an amplifier 20 (for example factor 10'OOO), a decoupling capacitor 21, a second amplifier 22 and an RC element with a downstream output amplifier 23. Between the second amplifier 22 and the RC element there is a second switch B controlled in clock T and in synchronism with switch A. Between the decoupling capacitor 21 and the second amplifier 22 there is a normalizing resistor 24 which is controlled by a third switch controlled in clock T. N leads to ground. However, this switch is switched in push-pull to the first two switches A and B, that is, switch N remains open when switches A and B are closed, and vice versa. A value between 400 and 500 per second has proven to be an advantageous clock frequency in the example.
- the voltage drop across the pill 3 is measured, amplified and stored in the capacitor C. If switches A and B are open, switch N closes instead, causing a zero point correction to eliminate interferences, such as thermal instabilities.
- the voltage building up on the capacitor C is thus directly proportional to the resistance value measured on the superconductor 3.
- the output amplifier delivers, for example, a signal voltage between OV and 5V DC voltage. This can be used, for example, to control the following digital monitoring units, which display the liquid level, operate control circuits for opening and closing refill devices, or read out the level of the liquid and the status of the measuring instrument via a serial or parallel interface for further processing, for example in a computer . Finally, such a monitoring unit can be provided with protective circuits which detect defective or incorrectly installed sensors and initiate measures to avoid control errors.
- a device in connection with a sensor arrangement according to FIG. 2 is expedient, in which one sensor determines the maximum level and the other the minimum.
- the filling process is started as soon as the liquid level falls below the lower sensor and is stopped when the liquid rises above the upper sensor.
- a protection circuit 30 according to FIG. 5 only regulates around the other sensor. The. means that the refill process will start as soon as that Level drops below the fault-free sensor and it is stopped when the liquid rises above this sensor. If both sensors fail, no more refilling takes place.
- Such and similar protective measures can be implemented, for example, by a corresponding control program in a computer connected to the output of the detector circuit according to FIG. 5.
- the detector device In order to reduce heat losses of the liquid to be monitored through the action of the heating resistor 4, it can be expedient to specify certain measuring intervals in which one or more measuring processes are triggered. In between, the detector device remains switched off. Such intervals can be a few minutes or, in other applications, a few hours. This on / off switching can be controlled with the aid of an autonomously controlled or manually operated switch 25 according to FIG. 5.
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Abstract
A level indicator for cryogenic fluids has a sensor with a high temperature superconductor basically composed of metal oxides. The sensor preferably contains materials from the group Y-Ba-Cu-O in the ratio Y:Ba:Cu=1:2:3, a proportion of barium being replaced with strontium, fixing the transition temperature at 81 K, with a variation of U2 K. In a subsequent detector circuit, the electric resistance changes in the sensor material are acquired and processed by a low-frequency sampling method. To that effect, a clock generator sends a pulse timed measurement current through the superconductive sensor material (3) and controls a calibrating process of the measurement circuit on the basis of a given reference, the calibrating pulses lying between the measurement pulses.
Description
Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten Level detector for cryogenic liquids
Die Erfindung betrifft einen Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten, wobei die Detektierung des Flüssigkeits- standes mit Hilfe der Supraleitung erfolgt.The invention relates to a level detector for cryogenic liquids, the liquid level being detected with the aid of superconductivity.
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 normal¬ leitenden Zustand, während der eingetauchte Teil supra¬ leitend 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 z.B. mit einer kapazitiven Methode oder mit Kohle- bzw. Halb¬ leiterwiderständen bestimmt. Bei der kapazitiven Methode wurde ausgenutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators
_ 7 -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 " which is above the helium surface remains in the normally conductive state, while the immersed part becomes superconductive. The measurement of the voltage across the entire piece of wire indicates which part of the wire The level in a cryostat with liquid nitrogen has so far been determined, for example, using a capacitive method or using carbon or semiconductor resistors. In the capacitive method, use has been made of the capacitance of a capacitor _ 7 -
ändert, wenn sich flüssiger Stickstoff statt Luft zwischen den Kondensatorplatten befindet. Diese Füllstandsmesser waren jedoch sehr störanfällig. Bei Messgeräten auf der Basis von Kohle- bzw. Halbleiterwiderständen wurde die Tat¬ sache ausgenutzt, dass diese Materialien eine Erhöhung des Widerstands mit abnehmender Temperatur aufweisen, welche bei Kohlewiderständen klein ist und linear verläuft, während der Widerstand bei Halbleitern exponentiell ansteigt. Da weder Kohle- noch Halbleiterwiderstände bei 77 K eine markante Änderung im Widerstandverlauf aufweisen, ist man dazu ge¬ zwungen, den Absolutwert des Sensorwiderstandes sehr genau zu erfassen. Dies bedingt aufwendige Eichungsvorgänge. Ausserdem ist der WiderStandsverlauf bei diesen Methoden zeitlichen Schwankungen unterworfen, die durch häufiges Eichen des Gerätes behoben werden müssen.changes when there is liquid nitrogen instead of air between the capacitor plates. However, these level meters were very prone to failure. In the case of measuring devices based on carbon or semiconductor resistors, the fact that these materials have an increase in resistance with decreasing temperature, which is small and linear with carbon resistors, while the resistance in semiconductors increases exponentially, was exploited. Since neither carbon nor semiconductor resistors have a marked change in the resistance curve at 77 K, one is forced to record the absolute value of the sensor resistance very precisely. This requires complex calibration procedures. In addition, the resistance course with these methods is subject to fluctuations in time, which must be remedied by frequent calibration of the device.
Vom Anmelder wurde daher bereits eine Vorrichtung zur Mes¬ sung und Regulierung des Füllstandes von flüssigem Stick¬ stoff und ähnlichen kryogenen Flüssigkeiten mit Ausnahme von flüssigem Helium vorgeschlagen, bei welcher die Detektierung von Flüssigkeitsspiegeln mit Hilfe der Supraleitung erfolgt.The applicant has therefore already proposed a device for measuring and regulating the fill level of liquid nitrogen and similar cryogenic liquids with the exception of liquid helium, in which liquid levels are detected with the aid of superconductivity.
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Messvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass sich ein einfacher und zuverlässiger sowie langzeitstabiler und wartungsarmer Füllstandsdetektor ergibt.
- -The present invention is based on the object of improving the measuring device in such a way that a simple and reliable, long-term stable and low-maintenance fill level detector results. - -
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patent¬ ansprüchen definierten Massnahmen erreicht. Der Vorteil des neuen Füllstandsdetektors liegt insbesondere in seinem ins¬ gesamt einfachen Aufbau und in seiner hohen Stabilität und Präzision sowie in seiner äusserst geringen Störanfälligkeit.According to the invention, this object is achieved by the measures defined in the patent claims. The advantage of the new level detector lies in particular in its overall simple construction and in its high stability and precision as well as in its extremely low susceptibility to faults.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:Details of the invention are described below with reference to exemplary embodiments and with the aid of the drawings. The drawings show:
Fig.l die schematische Darstellung eines Sensors mit einer Pille aus einem Hochtemperatur-Supraleiter zur Er¬ fassung eines Flüssigkeitsniveaus,1 shows the schematic representation of a sensor with a pill made of a high-temperature superconductor for detecting a liquid level,
Fig.2 den Sensor in Aufsicht A und Seitenansicht B,2 the sensor in top view A and side view B,
Fig.3 die schematische Darstellung eines Gebers mit zwei pillenförmigen Sensoren aus einem Hochtemperatur-Supra¬ leiter zur Erfassung von zwei Flüssigkeitsständen,3 shows the schematic representation of an encoder with two pill-shaped sensors from a high-temperature superconductor for detecting two liquid levels,
Fig.4 ein Diagramm zur Temperaturabhängigkeit des Wider¬ standsverlaufs des neuen Sensors im Vergleich zu Kohle- und Halbleiterwiderständen, und4 shows a diagram of the temperature dependence of the resistance curve of the new sensor in comparison to carbon and semiconductor resistors, and
Fig.5 das vereinfachte Schaltbild einer Auswerteschaltung für die Erfassung von Widerstandsmesswerten und deren Aufbereitung in zuverlässige Messergebnisse.
Die in Fig.l gezeigte einfache Sensorvorrichtung ist in einem Dewargefäs's 1 eingeführt. Mit einer Halterung 2 lässt sie sich am Gefäss befestigen. Eine Pille 3 besteht aus supraleitendem Material und ist mit einem unmittelbar da¬ rüber angebrachten Widerstandselement 4 verbunden. Das Wider¬ standelement dient zur Erwärmung der Pille, damit deren Ma¬ terial gerade nicht supraleitend wird und seine endlichen Widerstandseigenschaften beibehält, solange sich der Sensor oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet. Taucht der Sensor in die zu überwachende Flüssigkeit ein, wird die Sprung¬ temperatur des supraleitenden Materials des Sensors unter¬ schritten, und*sein elektrischer Widerstand sinkt auf Null ab.5 shows the simplified circuit diagram of an evaluation circuit for the acquisition of resistance measurement values and their processing into reliable measurement results. The simple sensor device shown in Fig.l is inserted into a Dewargefäs' s first With a bracket 2 it can be attached to the vessel. A pill 3 consists of superconducting material and is connected to a resistance element 4 attached directly above it. The resistance element serves to heat the pill, so that its material does not become superconducting and maintains its finite resistance properties as long as the sensor is above the liquid level. The sensor immersed in the to be monitored liquid, which Sprung¬ temperature of the superconducting material of the sensor is exceeded unter¬, and * the electrical resistance drops to zero.
Im oberen Teil des Sensors sind im Beispiel vier externe elektrische Anschlüsse vorgesehen, von denen Anschlüsse I+ und I_ für die Aufschaltung eines Mess-Stromes I auf den Mess-Stromkreis und Anschlüsse U+ und U_ für den Spannungs¬ abgriff über dem supraleitendem Material verwendet werden. Der Spannungsabfall über den Anschlüssen U+ und U_ wird in einer nachfolgenden Detektorschaltung ausgewertet und einer Anzeige bzw. Schalt- oder Steuerungseinrichtungen zugeführt.In the upper part of the sensor, four external electrical connections are provided in the example, of which connections I + and I_ are used for applying a measurement current I to the measurement circuit and connections U + and U_ for voltage tapping over the superconducting material become. The voltage drop across the connections U + and U_ is evaluated in a subsequent detector circuit and fed to a display or switching or control devices.
Die Pille 3 kann das supraleitende Material grundsätzlich in beliebiger Gestalt enthalten, also z.B. in Form von Bändern, Drähten oder Blöcken. Im Beispiel nach Fig.2 wurde solches Material in Form eines Blocks von 1mm x 2mm x 10mm zwischen
Kupferkontakten 7, 8, 9, 10 eingeklemmt, die sowohl als mechanische Halterung wie auch als elektrische Kontakte dienen. Mit Leitsilber wird der elektrische Kontakt fixiert und gleichzeitig gegen Korrosion geschützt.The pill 3 can basically contain the superconducting material in any shape, for example in the form of tapes, wires or blocks. In the example according to FIG. 2, such material was between in the form of a block of 1mm x 2mm x 10mm Copper contacts 7, 8, 9, 10 clamped, which serve both as a mechanical holder and as electrical contacts. The electrical contact is fixed with conductive silver and at the same time protected against corrosion.
In direktem Kontakt mit der Pille 3 ist das elektrische Widerstandselement 4 angebracht. Der thermische Kontakt wird durch eine Wärmeleitpaste 5 unterstützt. Zweckmässige Wider¬ standswerte liegen zwischen 100 und 1000 Ohm. Die Heiz¬ leistung lag zwischen 10 mW und 100 mW. Beide Bauelemente, die Pille 3.und der Widerstand 4 werden in ein Epoxiharz 6 eingegossen, welches Schutz und mechanische Stabilität ge¬ währleistet. Das Epoxiharz besitzt gute Wärmeleiteigenschaf¬ ten und kann ohne Gefahr einer Beschädigung durch Risse und dergleichen in einem Temperaturbereich von 77 K bis 300 K eingesetzt werden. Bewährt hat sich z.B. "TORR SEAL (R) low vapor pressure resin" der Firma Varian.The electrical resistance element 4 is attached in direct contact with the pill 3. The thermal contact is supported by a thermal paste 5. Appropriate resistance values are between 100 and 1000 ohms. The heating power was between 10 mW and 100 mW. Both components, the pill 3 and the resistor 4 are cast in an epoxy resin 6, which ensures protection and mechanical stability. The epoxy resin has good thermal conductivity and can be used in a temperature range from 77 K to 300 K without the risk of damage from cracks and the like. Has proven itself, for example "TORR SEAL (R) low vapor pressure resin" from Varian.
Es kann zweckmässig sein, die Sensoreinheit, bestehend aus Pille 3, Halterung 2, Widerstand 4 und Epoxi-Schutzschicht als Modul auszubilden, welches mit Hilfe entsprechender Führungen und aufeinander abgestimmter Anschlüsse ähnlich einer steckbaren Integrierten Schaltung (IC) in passende Fassungen eingesetzt werden kann. Dabei* können die Kontakte 7-10 als Steckerstifte ausgebildet sein. Die Ueberprüfung der Sensoren sowie die Wartung der Gefässe werden dadurch erleichtert.
In Abwandlung dieser einfachsten Detektorform lassen sich für bestimmte Überwachungsaufgaben mehrere Sensoren mitein¬ ander kombinieren, wie dies im folgenden für einen Sensor mit zwei supraleitenden Elementen gemäss Fig.3 beschrieben wird. Eine erste Pille 3 aus supraleitendem Material ist durch eine zweite derartige Pille 13 ergänzt, welche unter¬ halb der ersten Pille positioniert wird, so dass sich eine Minimum-/Maximum-Anzeige für den zu überwachenden Flüssig- keitsspiegel ergibt, wenn z.B. eine Pille im Bereich des höchsten zulässigen Flüssigkeitsspiegels und die zweite Pille im Bereich des niedrigsten Pegels im Gefäss angebracht werden. Auch die zweite Pille besitzt elektrische Anschlüsse 1+2' ^-2' u+2 und u-2* Im übrigen entspricht der Aufbau der zweiten Pille 13 demjenigen der ersten Pille 3. ..It may be expedient to design the sensor unit, consisting of pill 3, holder 2, resistor 4 and epoxy protective layer as a module, which can be inserted into suitable sockets with the aid of corresponding guides and coordinated connections similar to a pluggable integrated circuit (IC). Here, * may be 7-10 constructed as plug pins, the contacts. This makes it easier to check the sensors and maintain the vessels. In a modification of this simplest form of detector, several sensors can be combined with one another for specific monitoring tasks, as is described below for a sensor with two superconducting elements according to FIG. A first pill 3 made of superconducting material is supplemented by a second pill 13 of this type, which is positioned below the first pill, so that there is a minimum / maximum display for the liquid level to be monitored, for example if a pill in the Area of the highest permissible liquid level and the second pill in the area of the lowest level in the container. The second pill has electrical connections 1 + 2 ^ -2 'u u +2 and -2 * Incidentally, the structure of the second pill 13 corresponds to that of the first pill 3. ..
Im Beispiel wurde das supraleitende Material der Pille 3 bzw. 13 aus der Gruppe -der metallischen Oxide Y-Ba-Cu-0 ausgewählt, mit dem Verhältnis Y:Ba:Cu = 1:2:3. In einer solchen Zusammensetzung der Struktur YBa2Cu3θγ_x wurde ein Teil Barium durch Strontium ersetzt, so dass sich ein Material der Form YBaSrCU3θ _x ergab. Dieses Material hat die äusserst vorteilhafte Eigenschaft, bei 81 K (±2 K) vollständig supraleitend zu sein. Der Einsatzpunkt der Supraleitung liegt bei ca. 84 K. Die Sprungtemperatur liegt somit 4 K oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) , einer wirtschaftlich bedeutenden kryogenen Flüssig¬ keit.
In Fig. 4 ist zum Vergleich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandverlaufs des neuen Sensors mit dem oben genannten Supraleitermaterial im Vergleich zu bekannten Kohlewider¬ ständen C und Halbleiterwiderständen S eingezeichnet. Der Vorteil des neuen Sensors ist unmittelbar zu erkennen.In the example, the superconducting material of pill 3 or 13 was selected from the group of metallic oxides Y-Ba-Cu-0, with the ratio Y: Ba: Cu = 1: 2: 3. In such a composition of the structure YBa2Cu3θγ_ x , a part of barium was replaced by strontium, so that a material of the form YBaSrCU3θ _ x resulted. This material has the extremely advantageous property of being completely superconducting at 81 K (± 2 K). The point of use of superconductivity is approximately 84 K. The transition temperature is thus 4 K above the temperature of liquid nitrogen (77 K), an economically important cryogenic liquid. 4 shows the temperature dependence of the resistance curve of the new sensor with the above-mentioned superconductor material compared to known carbon resistors C and semiconductor resistors S for comparison. The advantage of the new sensor can be seen immediately.
Zur Ueberwachung anderer kryogener Flüssigkeiten lassen sich aus der oben angegebenen Stoffgruppe ähnliche geeignete Hochtemperatur-Supraleiter auswählen, deren Supraleitungs- Sprungtemperatur nahe der Temperatur der zu überwachenden kryogenen Flüssigkeit liegt. Es ist jedoch zweckmässig, die Sprungtemperatur höchstens 5 K über dem Siedepunkt der Flüs¬ sigkeit zu wählen, da andernfalls das Sensormaterial supra¬ leitend bleiben würde, wenn sich der Sensor unmittelbar über dem Flüssigkeitsspiegel im Bereich des unterkühlten Dampfes befindet.For monitoring other cryogenic liquids, similar suitable high-temperature superconductors can be selected from the group of substances given above, the superconducting transition temperature of which is close to the temperature of the cryogenic liquid to be monitored. However, it is expedient to choose the transition temperature at most 5 K above the boiling point of the liquid, since otherwise the sensor material would remain superconductive if the sensor is located directly above the liquid level in the area of the supercooled steam.
Zur Erfassung und Auswertung der Widerstandsänderungen am supraleitenden Material des Sensors ist eine Detektor¬ schaltung gemäss Fig. 5 besonders vorteilhaft. Sie ist in der Lage, kleinste Widerstandswerte im Bereich von Milli-Ohm sowie Widerstandsänderungen in diesen Grössenordnungen sicher und unbeeinflusst von ausseren Störungen und Drift zu erfassen. Z.B. liegen die Widerstandswerte des oben angege¬ benen Strontium-dotierten Supraleitungsmaterials bei ca. 50 Milli-Ohm für Raumtemperatur und bei ca. 15 Milli-Ohm direkt oberhalb des Sprungs. Bei einem im Beispiel verwendeten
Messstrom von ca. 10 mA lag der zu erfassende Spannungs¬ abfall in der Mitte des Übergangsbereiches bei ca. 75 μV.A detector circuit according to FIG. 5 is particularly advantageous for detecting and evaluating the changes in resistance on the superconducting material of the sensor. It is able to detect the smallest resistance values in the milli-ohm range as well as changes in resistance in this order of magnitude safely and unaffected by external disturbances and drift. For example, the resistance values of the above-mentioned strontium-doped superconducting material are about 50 milli-ohms for room temperature and about 15 milli-ohms directly above the jump. For one used in the example Measuring current of approx. 10 mA, the voltage drop to be recorded was approx. 75 μV in the middle of the transition range.
Im einzelnen besteht die Detektoreinrichtung gemäss Fig. 5 aus einem Stromkreis I, an welche der Sensor, bestehend aus der Pille 3 und dem Widerstand 4, angeschlossen ist. Der Stomkreis enthält einen von einem Taktgeber T gesteuerten Schalter A. Der Messkreis besteht aus einem Verstärker 20 (z.B. Faktor lO'OOO), einem Entkopplungskondensator 21, einem zweiten Verstärker 22 sowie aus einem RC-Glied mit nachgesehaltetem Ausgangsverstärker 23. Zwischen dem zweiten Verstärker 22 und dem.RC-Glied befindet sich ein zweiter im Takt T und im Gleichtakt zum Schalter A gesteuerter Schalter B. Zwischen dem Entkopplungskondensator 21 und dem zweiten Verstärker 22 befindet sich ein Normier-Widerstand 24, der über einen dritten im Takt T gesteuerten Schalter N auf Masse führt. Dieser Schalter wird jedoch im Gegentakt zu den beiden ersten Schaltern A und B geschaltet, das heisst, Schalter N bleibt geöffnet, wenn die Schalter A und B ge¬ schlossen sind, und umgekehrt. Als vorteilhafte Taktfreguenz hat sich im Beispiel ein Wert zwischen 400 und 500 pro Sekunde erwiesen.5 consists of a circuit I to which the sensor, consisting of the pill 3 and the resistor 4, is connected. The current circuit contains a switch A controlled by a clock generator T. The measuring circuit consists of an amplifier 20 (for example factor 10'OOO), a decoupling capacitor 21, a second amplifier 22 and an RC element with a downstream output amplifier 23. Between the second amplifier 22 and the RC element there is a second switch B controlled in clock T and in synchronism with switch A. Between the decoupling capacitor 21 and the second amplifier 22 there is a normalizing resistor 24 which is controlled by a third switch controlled in clock T. N leads to ground. However, this switch is switched in push-pull to the first two switches A and B, that is, switch N remains open when switches A and B are closed, and vice versa. A value between 400 and 500 per second has proven to be an advantageous clock frequency in the example.
Sind die Schalter A und B eingeschaltet, wird der Spannungs¬ abfall über der Pille 3 gemessen, verstärkt, und im Konden¬ sator C gespeichert. Sind die Schalter A und B offen, schliesst statt dessen der Schalter N, wodurch eine Null-
punktkorrektur zur Ausschaltung von Störeinflüssen, wie thermische Instabilitäten, vorgenommen wird. Die sich am Kondensator C aufbauende Spannung ist damit dem am Supra¬ leiter 3 gemessenen Widerstandwert direkt proportional. Der Ausgangsverstärker liefert z.B. eine Signalspannung zwischen OV und 5V Gleichspannung. Damit lassen sich z.B. nachfol¬ gende digitale Ueberwachungseinheiten steuern, welche den Flüssigkeitsstand anzeigen, Steuerschaltungen zum Oeffnen und Schliessen von Nachfülleinrichtungen betätigen oder den Füllstand der Flüssigkeit sowie den Status des Messinstru- ments über eine serielle oder parallele Schnittstelle zur Weiterverarbeitung z.B. in einem Computer auslesen können. Schliesslich kann eine derartige Ueberwachungseinheit mit Schutzschaltungen versehen sein, welche defekte oder fehler¬ haft montierte Sensoren erkennt und Massnahmen zur Ver¬ meidung von Steuerfehlern einleitet.If the switches A and B are switched on, the voltage drop across the pill 3 is measured, amplified and stored in the capacitor C. If switches A and B are open, switch N closes instead, causing a zero point correction to eliminate interferences, such as thermal instabilities. The voltage building up on the capacitor C is thus directly proportional to the resistance value measured on the superconductor 3. The output amplifier delivers, for example, a signal voltage between OV and 5V DC voltage. This can be used, for example, to control the following digital monitoring units, which display the liquid level, operate control circuits for opening and closing refill devices, or read out the level of the liquid and the status of the measuring instrument via a serial or parallel interface for further processing, for example in a computer . Finally, such a monitoring unit can be provided with protective circuits which detect defective or incorrectly installed sensors and initiate measures to avoid control errors.
Als Schutzschaltung ist z.B. eine Vorrichtung in Verbindung mit einer Sensoranordnung nach Fig. 2 zweckmässig, bei welcher ein Sensor das Füllstandsmaximum und der andere das Minimum festlegt. Im Normalbetrieb wird der Einfüllvorgang gestartet, sobald das Flüssigkeitsniveau unter den unteren Sensor fällt, und er wird abgebrochen, wenn die Flüssigkeit über den oberen Sensor steigt. Fällt nun einer der beiden Sensoren aus, so wird durch eine Schutzschaltung 30 gemäss Fig. 5 nur noch um den anderen Sensor herum geregelt. Das. heisst, der Nachfüllvorgang wird gestartet, sobald das
Niveau unter den fehlerfreien Sensor fällt, und er wird gestoppt, wenn die Flüssigkeit über diesen Sensor steigt. Sollten beide Sensoren ausfallen, wird nicht mehr nachge¬ füllt» Solche und ähnliche Schutzmassnahmen lassen sich z.B. durch ein entsprechendes Steuerungsprogramm in einem an den Ausgang der Detektorschaltung nach Fig. 5 angeschlossenen Computer realisieren.As a protective circuit, for example, a device in connection with a sensor arrangement according to FIG. 2 is expedient, in which one sensor determines the maximum level and the other the minimum. In normal operation, the filling process is started as soon as the liquid level falls below the lower sensor and is stopped when the liquid rises above the upper sensor. If one of the two sensors fails, a protection circuit 30 according to FIG. 5 only regulates around the other sensor. The. means that the refill process will start as soon as that Level drops below the fault-free sensor and it is stopped when the liquid rises above this sensor. If both sensors fail, no more refilling takes place. Such and similar protective measures can be implemented, for example, by a corresponding control program in a computer connected to the output of the detector circuit according to FIG. 5.
Zur Verminderung von Wärmeverlusten der zu überwachenden Flüssigkeit durch die Wirkung des Heizwiderstandes 4 kann es zweckmässig sein, bestimmte Messintervalle vorzugeben, in denen ein oder mehrere Messvόrgänge ausgelöst werden. Da- zwischen bleibt die Detektoreinrichtung abgeschaltet. Solche Intervalle können einige Minuten oder in anderen Anwendungs- fallen einige Stunden betragen. Die Steuerung dieser Ein/ Ausschaltung kann mit Hilfe eines autonom gesteuerten oder manuell betätigbaren Umschalters 25 gemäss Fig. 5 erfolgen.In order to reduce heat losses of the liquid to be monitored through the action of the heating resistor 4, it can be expedient to specify certain measuring intervals in which one or more measuring processes are triggered. In between, the detector device remains switched off. Such intervals can be a few minutes or, in other applications, a few hours. This on / off switching can be controlled with the aid of an autonomously controlled or manually operated switch 25 according to FIG. 5.
In Versuchen wurden derartige Sensoren im künstlichen Dauer¬ betrieb auf ihre Stabilität getestet, indem ein Kryostat mit zwei Messstellen während längerer Zeit im Minutenrhythmus aufgefüllt und wieder entleert wurde, wobei dieser Vorgang durch die Sensoren gesteuert wurde. Die Ansprech- und Schaltzuverlässigkeit waren hervorragend. Es traten auch während langer Testperioden keinerlei Störungen auf.
In experiments, such sensors were tested for their stability in continuous artificial operation by filling up and emptying a cryostat with two measuring points every minute over a longer period of time, this process being controlled by the sensors. The response and switching reliability were excellent. There were no faults even during long test periods.
Claims
1. Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten, wobei die Detektierung des Flüssigkeitsstandes mit Hilfe der Supra¬ leitung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor einen Hochtemperatur-Supraleiter auf der Basis von metal¬ lischen Oxiden enthält und dass der Sensor mit elektrischen • Anschlüssen (I+,' I_, U+ und U_) versehen ist, welche ihn mit einer Detektionsschaltung für die Erfassung von elektrischen Widerstandsänderungeri im Sensormaterial verbinden.1 level detector for cryogenic liquids, wherein the detection of the liquid level is carried out line by means of the Supra¬, characterized in that a sensor includes a high temperature superconductor based on metal¬ metallic oxides and in that the sensor with electrical • terminals (I + , 'I_, U + and U_) is provided, which connect it to a detection circuit for the detection of electrical resistance changes in the sensor material.
2. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der für den Sensor ausgewählte Supraleiter eine Sprungtemperatur aufweist, die einige K, vorzugsweise etwa 5 K, oberhalb der Temperatur der zu überwachenden kryogenen Flüssigkeit liegt.2. Level detector according to claim 1, characterized in that the superconductor selected for the sensor has a transition temperature which is a few K, preferably about 5 K, above the temperature of the cryogenic liquid to be monitored.
3. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Sensor Material aus der Gruppe Y-Ba-Cu-0 im Verhältnis Y:Ba:Cu = 1:2:3 enthält, wobei ein Teil Barium durch Strontium ersetzt ist, so dass die Sprungtemperatur auf 81 K ±2 K fixiert ist. 3. Level detector according to claim 1, characterized in that the sensor contains material from the group Y-Ba-Cu-0 in the ratio Y: Ba: Cu = 1: 2: 3, part of the barium being replaced by strontium, so that the step temperature is fixed at 81 K ± 2 K.
4. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Sensor (3) mit einem Heizwiderstand (4) ver¬ bunden ist und dass der Sensor (3) und der Widerstand (4) mit einem Vakuum-Versiegelungskitt (6) eingeschlossen und versiegelt sind.4. Level detector according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net that the sensor (3) with a heating resistor (4) is connected and that the sensor (3) and the resistor (4) with a vacuum sealing putty (6) included and are sealed.
5. Füllstandsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Sensoreinheit, bestehend aus Pille (3), einer Halterung (2), Widerstand (4) und Epoxi-Schutzschicht (6) als Modul ausgebildet ist, welches mit Hilfe entsprechender Führungen und aufeinander abgestimmter Anschlüsse (7-10) ähnlich einer steckbaren Integrierten Schaltung in passende Fassungen einsetzbar ist.5. Level detector according to claim 4, characterized gekennzeich¬ net that the sensor unit consisting of pill (3), a holder (2), resistor (4) and epoxy protective layer (6) is designed as a module, which with the help of appropriate guides and coordinated connections (7-10) similar to a pluggable integrated circuit can be used in suitable sockets.
6. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Detektionsschaltung einen Niederfrequenz- Taktgeber (T) zur getakteten AufSchaltung und Auswertung eines Mess-Stromes (I) durch das supraleitende Sensor¬ material (3) und zum Eichen des Messkreises auf eine Referenz aufweist, wobei die Eichtakte zwischen den Mess- takten liegen. 6. Level detector according to claim 1, characterized in that the detection circuit has a low-frequency clock (T) for the clocked connection and evaluation of a measuring current (I) through the superconducting sensor material (3) and for calibrating the measuring circuit to one Has reference, the calibration cycles are between the measurement cycles.
7. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass ein verstärkter Widerstandsmesswert einem Pol eines Kondensators (21) zugeführt wird, dessen zweiter Pol über einen vom Taktgeber (T) gesteuerten Schalter (N) auf ein Referenzspannungs-Potential führt und mit einem RC-Glied für die Messwertspeicherung verbunden ist.7. level detector according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net that an amplified resistance measurement value is supplied to a pole of a capacitor (21), the second pole leads via a switch (T) controlled by the switch (T) to a reference voltage potential and with a RC element for the measured value storage is connected.
8. Füllstandsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Taktgeber (T) auf eine Taktfrequenz im Bereich zwischen 400 und 500 pro Sekunde eingestellt ist.8. Level detector according to claim 6, characterized in that the clock generator (T) is set to a clock frequency in the range between 400 and 500 per second.
9. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass ein Umschalter (25) zur Umschaltung zwischen verschieden langen Messintervallen vorgesehen ist, in denen ein oder mehrere Messvorgänge ausgelöst werden.9. Level detector according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net that a switch (25) is provided for switching between different lengths of measurement intervals in which one or more measurement processes are triggered.
10. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Ausgang der Detektionsschaltung als angepasste Schnittstelle zum-Anschluss an einen Computereingang aus¬ gebildet ist. 10. Level detector according to claim 1, characterized in that the output of the detection circuit is designed as an adapted interface for connection to a computer input.
11. Füllstandsdetektor nach Anspruch 1, mit mindestens zwei Sensorelementen (3, 13) für minimale und maximale Füll¬ standsanzeige, wobei der Einfüllvorgang gestartet wird, sobald das Flüssigkeitsniveau unter den unteren Sensor fällt, und abgebrochen wird, wenn die Flüssigkeit über den oberen Sensor steigt, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Detektionsschaltung eine SchutzSchaltung (30) verbunden ist, welche bei Ausfall eines der beiden Sensorelemente auf eine einfache Niveauregelung bezüglich des verbleibenden Sensor- elements umschaltet.11. Level detector according to claim 1, with at least two sensor elements (3, 13) for minimum and maximum level indication, the filling process being started as soon as the liquid level falls below the lower sensor, and terminated when the liquid is above the upper sensor rises, characterized in that a protection circuit (30) is connected to the detection circuit, which switches to simple level control with respect to the remaining sensor element in the event of failure of one of the two sensor elements.
12. Füllstandsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die SchutzSchaltung (30) mit einer Sperr¬ funktion für den Einfüllvorgang versehen ist, welche akti¬ viert wird, sobald beide Sensoren ausfallen. 12. Level detector according to claim 11, characterized in that the protective circuit (30) is provided with a blocking function for the filling process, which is activated as soon as both sensors fail.
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