5.2.5.3 Уровнемер

В контейнерах для криогенных жидкостей нам нужно какими-то методами определить уровень жидкости [5.1,2]. Конечно, это очень легко в случае стеклянной системы, где уровень можно определить оптическим методом. Однако для металлических сосудов мы должны использовать другие способы определения уровня жидкости.

Акустическое определение уровня. Простая конструкция акустического уровнемера показана на рис. 5.9.

Осциллирующая мембрана, кольцевое уплотнение для поддержки мембраны

Когда тонкая, из нержавеющей стали трубка этого устройства опускается в холодный газ или в криогенную жидкость, то некоторая часть жидкости испаряется, давление в области пара резко увеличивается, и уровень жидкости в сосуде колеблется. Эти колебания имеют разные амплитуду и частоту в зависимости от того, опускается ли трубка в холодный газ или в жидкость. Колебания передаются на диафрагму (тонкую резиновую или пластиковую полоску) в верхней части трубки, и тогда можно легко различить колебания высокой амплитуды/ высокой частоты, когда трубка опускается непосредственно в газ, от колебаний низкой амплитуды/ низкой частоты, когда трубка проходит по жидкости.

Резистивное детектирование уровня. Многочисленные проводники имеют весьма отличающиеся друг от друга температурные зависимости их сопротивления; примеры обсуждались в разд. 12.5. Если через полупроводник или угольный резистор, имеющий при низкой температуре сопротивление несколько кОм, пропустить ток около 0,1 мА, то этот резистор будет оставаться при температуре окружающей среды, если он находится в криогенной жидкости. Однако, ток может перегреть резистор, если он окружен газовой фазой, потому что в этом случае его тепловой контакт с окружающей средой становится весьма слабым. Сопротивление, и, поэтому, температура элемента будут изменяться по мере того, как резистор опускается из газовой фазы в жидкость, и это изменение можно легко зарегистрировать мостом Уинстона.

Другим возможным определяющим уровень жидкости элементом является промышленная сверхпроводящая проволока NbTi, или нормальнопроводящая проволока со сверхпроводящим покрытием (может быть использован припой PbSn) и температурой перехода между 5 и 10 К (табл. 4.1) [5.10,11]. Если эта проволока расположена вертикально в газовой и жидкой фазах, то ее часть, которая находится в жидкости при 4,2 К, будет в сверхпроводящем состоянии и покажет нулевое сопротивление. Та же часть проволоки, которая находится в газе, очень быстро достигнет температуры, превышающей ее тем­пературу перехода, если через нее проходит соответствующий ток. Она становится резистивной, и полное сопротивление проволоки показывает, какая часть ее длины находится вне жидкости. В отличие от описанных выше двух типов уровнемеров, этот детектор является стационарным, его не нужно двигать вверх и вниз для определения уровня жидкости; с его помощью можно получать непрерывную информацию о высоте уровня. В действительности, этот детектор лучше выключать, когда определения уровня жидкости не производятся,поскольку тепло, выделяющееся в несверхпроводящем участке проволоки, может значительно повысить расход гелия. Недавнее обсуждение емкостного уровнемера с непрерывной регистрацией для криогенных жидкостей можно найти в [5.12].