УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к измерителям уровня криогенной жидкости, и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами в криогенных воздухоразделительных установках.

Известно устройство для измерения уровня криогенной жидкости, содержащее чувствительный элемент - датчик, корпус датчика и вторичный регистрирующий блок. Чувствительный элемент высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) датчика выполнен из гибкого ленточного или проволочного ВТСП проводника, армированного серебром. Чувствительный элемент - датчик может быть U-образной, зигзагообразной или спиралевидной конфигурации. Чувствительный элемент расположен внутри диэлектрического корпуса или на диэлектрическом корпусе. К четырем внешним контактам ВТСП проводника подключается вторичный регистрирующий блок. Одна пара внешних контактов - токовые. Вторая пара внутренних - потенциальные. Через токовые контакты (I⁺, I^-) пропускается ток, который нагревает часть ВТСП проводника, находящегося в паре. Эта часть перейдет в нормальное (несверхпроводящее) состояние. Другая часть, которая в жидкости, останется в сверхпроводящем состоянии. Поскольку уровень сверхпроводимости вдоль провода меняется в соответствии с изменением уровня хладагента, то при этом меняется и напряжение, снимаемое с потенциальных концов (U⁺, U^-) (пропускаемый ток - константа). Величина фиксируемого вторичным блоком напряжения обратно пропорциональна уровню хладагента в сосуде, патент РФ №2188397.

Основным недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная воздействием на измеряемую среду различных возмущений, использование для изготовления чувствительного элемента высокотемпературных сверхпроводящих материалов и ограничение величины измерения в полутора метра по высоте, связанное с трудностями, возникающими в процессе изготовления протяженного ВТСП проводника.

Наиболее близким по совокупности признаков является устройство для измерения уровня криогенной жидкости на базе дискретных монолитных высокотемпературных сверхпроводников, которое состоит из датчика и вторичного регистрирующего блока. Датчик представляет собой совокупность чувствительных высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов из иттриевой керамики. ВТСП элементы соединены последовательно в единую цепь и расположены в шахматном порядке по длине датчика внутри диэлектрического основания или сверху него. В качестве нагревателя используются ЧИП-резисторы или проводник из сплава высокого сопротивления. Нагревательные элементы включаются секционно или по всей длине датчика. К внешним контактам ВТСП уровнемера подключается вторичный регистрирующий блок. Одна пара внешних контактов - токовые. Вторая пара - потенциальные. Кроме измерительных проводов к датчику присоединяются нагревательные проводники, которые производят нагрев секции чувствительных элементов, затем через токовые контакты (I+, I-) датчика пропускается измерительный ток, по которому определяют какая часть ВТСП уровнемера находится в паре. Другая часть ВТСП-элементов останется в сверхпроводящем состоянии. Поскольку уровень сверхпроводимости вдоль датчика меняется в соответствии с изменением уровня хладагента, то при этом меняется и напряжение, снимаемое с потенциальных концов (U+, U-) (пропускаемый ток - константа). Величина фиксируемого вторичным блоком напряжения обратно пропорциональна уровню хладагента в сосуде, патент РФ №2187078.

К основным недостаткам рассмотренного устройства следует отнести существенную зависимость точности измерения уровня криогенной жидкости от величины вносимых возмущений (изменение давления, концентрации криогенной жидкости, температуры), использование для изготовления чувствительных элементов высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Техническим результатом является повышение точности измерения уровня криогенной жидкости в условиях влияния на измеряемую среду различных возмущающих воздействий (изменение давления в емкости, концентрации криогенной жидкости, температуры).

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве измерения уровня криогенной жидкости, состоящем из датчика, установленного в емкости, и регистратора, датчик выполнен из тонкостенной диэлектрической пластины высотой H=H₁+H₂, где H₁ - высота рабочей зоны датчика, Н₂ - высота монтажной зоны датчика, установленной вертикально на основании емкости, на которой расположены N≥3 измерительных блоков со входами для соединения с блоком питания, покрытых тонким слоем электроизоляционного материала с высоким коэффициентом теплопередачи, при этом каждый измерительный блок содержит M последовательно соединенных чувствительных элементов одинакового сопротивления, выполненных из материала, имеющего высокую терморезисторную чувствительность в области криогенных температур, и располагающихся на расстоянии h*(N(m-1)+n) от нижнего края диэлектрической пластины, где h=H₁/(M*N+1) - шаг измерения, n=1…N, m=1…M и дополнительно введен блок анализа, N входов которого соединены с соответствующими выходами датчика, а выход блока анализа соединен с входом регистратора.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлен вариант исполнения датчика с тремя измерительными блоками,

где 1 - диэлектрическая пластина;

2 - измерительный блок;

3, 4, 5 - сечения, определяющие положения уровня жидкости;

a_nm - чувствительный элемент, где n=1…N, N - количество измерительных блоков; m=1…M, M - количество чувствительных элементов в измерительном блоке;

H₁ - высота рабочей зоны датчика;

H₂ - высота монтажной зоны датчика;

h - шаг измерения.

Через все N измерительных блоков пропускают ток фиксированной величины, незначительно нагревая чувствительные элементы a_nm, входящие в состав каждого измерительного блока. Допустим, что уровень жидкости в емкости соответствует уровню обозначенному сечением 3. При такой величине уровня криогенной жидкости в емкости в жидкости находятся три первых элемента a₁₁, a₁₂, a₁₃ первого измерительного блока 2.1. У остальных измерительных блоков в жидкости находятся только первые два элемента. Во втором измерительном блоке 2.2 в жидкости находятся чувствительные элементы a₂₁ и a₂₂, а в третьем измерительном блоке 2.3 элементы a₃₁ и a₃₂. Температура элементов, находящихся в жидкости, ниже температуры элементов, находящихся над жидкостью, за счет более высокой тепловой отдачи. Соответственно у этих чувствительных элементов сопротивление отлично от сопротивления чувствительных элементов находящихся над жидкостью. Результат сравнения величин напряжения на всех измерительных блоках показывает, что величина напряжения, снимаемая с выходов 2-го и 3-го блоков, одинакова, так как у этих измерительных блоков в жидкости находится одинаковое количество чувствительных элементов, равное 2, а у первого измерительного блока величина напряжения будет отличной от остальных, так как у этого измерительного блока в жидкости находятся три чувствительных элемента, т.е. U₁≠U₂=U₃. Учитывая результат сравнения величин напряжений на измерительных блоках в процессе повышения уровня криогенной жидкости с момента ее полного отсутствия, определяем уровень криогенной жидкости, соответствующий отметке, находящейся между третьим чувствительным элементом a₁₃ первого измерительного блока 2.1 и третьим чувствительным элементом a₃₂ второго измерительного блока 2.2.

На фиг.2 представлена структурная схема устройства определения уровня криогенной жидкости,

где 6 - датчик;

7 - блок анализа;

8 - регистратор.

Датчик 6 состоит из основания, выполненного из тонкостенной диэлектрической пластины высотой H=H₁+H₂, которое располагается вертикально на основании емкости. В рабочей зоне основания располагаются N≥3 измерительных блоков, каждый из которых содержит M последовательно соединенных чувствительных элементов a_nm, где n=1…N, m=1…M, одинакового сопротивления, имеющих высокую терморезисторную чувствительность в области криогенных температур. Измерительные блоки покрыты тонким слоем электроизоляционного материала с высоким коэффициентом теплопередачи, обеспечивающим надежный тепловой контакт между криогенной жидкостью и чувствительными элементами. Количество чувствительных элементов в измерительных блоках определяется в зависимости от количества используемых измерительных блоков, размеров чувствительных элементов, высоты уровня измерения, соответствующей высоте рабочей зоны датчика H₁ и необходимого шага измерения h=H₁/(M*N+1). Чувствительные элементы располагаются на расстоянии, равном h*(N(m-1)+n) от нижнего края основания датчика.

Блок анализа 7 предназначен для измерения с установленным интервалом величин напряжения на измерительных блоках, их обработку, сравнение и последующую передачу информации о величине уровня криогенной жидкости на регистратор. Блок анализа имеет N входов, соединенных с соответствующими выходами датчика 6, и один выход, соединенный с входом регистратора 8.

Устройство работает следующим образом: на N входов датчика 6 подается ток, который нагревает чувствительные элементы. При отсутствии криогенной жидкости в емкости величина напряжения снимаемая блоком анализа 7 с выходов всех N измерительных блоков одинакова. При увеличении уровня криогенной жидкости в емкости выше уровня расположения первого чувствительного элемента первого измерительного блока a₁₁ (сечение 4), температура чувствительного элемента понизится за счет более высокой тепловой отдачи от его поверхности к жидкости. В результате понижения температуры чувствительного элемента уменьшится его сопротивление. В результате изменения сопротивления чувствительного элемента изменится величина напряжения, снимаемая с контактов первого измерительного блока 2.1. Блок анализа, сравнив величины напряжений на всех измерительных блоках, определяет, что на первом измерительном блоке величина напряжения изменилась, а на остальных осталась неизменной, что соответствует повышению уровня криогенной жидкости на величину h, равную величине расположения чувствительного элемента a₁₁ первого измерительного блока. Дальнейшее повышение уровня криогенной жидкости выше расположения первого чувствительного элемента второго измерительного блока a₂₁ (сечение 5) приводит к изменению величины напряжения, снимаемого с контактов второго измерительного блока. Результат сравнения величин напряжений на данном этапе показывает, что величина напряжения, снимаемая с контактов второго измерительного блока, изменилась и стала равной величине напряжения на первом измерительном блоке, а на третьем осталась без изменения, что соответствует повышению уровня криогенной жидкости в емкости на величину 2h.

Измерительные блоки датчика могут быть выполнены из набора резисторов, последовательно соединенных между собой, либо из проволочных нитей, при этом роль чувствительного элемента в первом случае выполняет резистор, а во втором - виток проволочной нити. Измерительные блоки, выполненные из набора резисторов, могут располагаться на диэлектрической пластине как на одной вертикальной оси, так и на нескольких, в зависимости от конструктивных размеров датчика и чувствительных элементов.

Устройство определения уровня криогенной жидкости позволяет существенно снизить погрешность измерения, возникающую в результате изменения давления в емкости и концентрации криогенной жидкости, приводящего в конечном итоге к изменению ее температуры. Достигается это за счет того, что уровень определяется не по фактической величине изменения напряжения на выходах измерительных блоков, а по соотношению этих величин друг относительно друга. Соответственно, в случае внесения какого-либо возмущающего воздействия в измеряемую среду, это влияние будет оказано в равной степени на все измерительные блоки и соотношение величин напряжения на измерительных блоках, которое было до момента внесения изменений в измеряемую среду, останется таким же и после оказанного влияния данными возмущающими воздействиями.

Указанные в отличительной части формулы признаки позволяют считать предложенное техническое решение соответствующим критерию «новизна». Поскольку совокупность признаков отличительной и ограничительной частей не известна из научно-технической и патентной литературы, то устройство соответствует критерию «изобретательский уровень».

Устройство способно измерять уровень криогенной жидкости в условиях сильных возмущений по составу измеряемой жидкости, температуре и давлению, что делает данное устройство выигрышным по сравнению с аналогами. Использование чувствительных элементов, выполненных из терморезисторного материала, делает устройство более доступным для использования. Простота конструкции датчика обеспечивает его высокую надежность.

Указанное устройство может быть изготовлено на предприятиях РФ, что соответствует критерию «промышленная применимость».