научная статья по теме ДАТЧИКИ ДИСКРЕТНОГО УРОВНЕМЕРА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВО Физика

Текст научной статьи на тему «ДАТЧИКИ ДИСКРЕТНОГО УРОВНЕМЕРА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВО»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 144-145

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА

УДК 62-791.2

ДАТЧИКИ ДИСКРЕТНОГО УРОВНЕМЕРА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВО

© 2014 г. А. И. Агеев, В. Н. Алферов, Д. А. Васильев, А. В. Лутчев, В. Н. Федорченко, А. Н. Холкин

ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 E-mail: valferov@ihep.ru Поступила в редакцию 14.08.2013 г. После доработки 14.10.2013 г.

Показано, что для датчика дискретного уровнемера жидкого гелия на основе ТВО с номинальной мощностью 0.125 Вт и номинальным сопротивлением 1 кОм достижима погрешность определения уровня гелия ±0.5 мм при горизонтальном расположении сопротивления ТВО и ±2 мм при вертикальном.

DOI: 10.7868/S003281621403001X

Дискретные уровнемеры жидкого гелия используются в случае, когда для ведения технологического процесса не обязательно знать положение уровня по всей высоте гелиевого сосуда, а достаточно иметь информацию об узловых значениях уровня в некоторых реперных точках по высоте сосуда.

В качестве датчиков температуры нередко применяются объемные углеродные сопротивления марки Allen Bradley или аналогичные отечественные сопротивления ТВО. Среди последних наиболее часто используется резистор ТВО с номиналом 1 кОм, 0.125 Вт [1, 2]. Этот резистор длиной 10 мм был применен нами в качестве точечных датчиков дискретного уровнемера.

Идея локализации уровня жидкого гелия состоит в использовании разной теплоотдачи в жидком гелии и в его парах. Резистор должен получить такой подогрев проходящим через него током, который в значительной мере компенсируется теплоотводом в жидкость и гораздо слабее — теплоотводом в пары. При этом теплоотвод в жидкость должен проходить в области устойчивого пузырькового кипения гелия, при котором тепло от резистора отводится достаточно эффективно. Тогда при прохождении границы жидкость—пар возникает скачок сопротивления резистора, который фиксируется электроникой. Задача состоит в том, чтобы обеспечить режим, при котором этот скачок будет наиболее выражен. Исходя из анализа данных [1—4] и нашего опыта для резистора ТВО с номиналом 1 кОм, 0.125 Вт оптимальный рабочий ток был выбран в интервале 2—3 мА.

Важной характеристикой датчика является также простота доработки резистора и изготовления датчика в целом.

В работе [5] описаны разные технологии изготовления датчика на основе резистора Allen Bradley и способы его питания током и измерения параметров. Для резистора ТВО никакой дополнительной обработки не потребовалось, т.е. он просто "брался с полки" и помещался в криостат на тонкостенной трубке из нержавеющей стали диаметром 3 мм. Внутри этой трубки проходили медные провода, которые в свою очередь через нихромовые проводники диаметром 0.5 мм и длиной 50 мм соединялись с выводами датчика.

Исследовалось два положения датчика: горизонтальное и вертикальное. В первом случае отсчет уровня осуществлялся от горизонтальной оси датчика, во втором — от поверхности верхнего торца датчика.

Для горизонтально расположенного датчика движение проводилось в двух направлениях: снизу вверх и сверху вниз. Это позволяло определить погрешности, обусловленные смачиванием поверхности датчика и испарением, а также тепловой инерцией. На рис. 1 приведена зависимость сопротивления горизонтально расположенного датчика, питаемого током 2 мА, при прохождении уровня жидкого гелия снизу вверх (шкала высоты относительная). Зависимость, полученная при прохождении уровня гелия сверху вниз, в пределах 0.1 мм совпадает с предыдущей зависимостью, т.е. погрешность ±0.5 мм легко достижима. Для вертикального расположения датчика достижимая погрешность определена как ±2 мм.

В жидком гелии резисторы ТВО имеют значительный разброс параметров: по сопротивлению

ДАТЧИКИ ДИСКРЕТНОГО УРОВНЕМЕРА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ

145

R, Ом

L, см

Рис. 1. Изменение сопротивления датчика при прохождении им уровня жидкого гелия снизу вверх. L — высота расположения датчика от дна криостата, 18.9 см — действительный уровень жидкого гелия в крио-стате.

R, Ом

Время, час:мин

Рис. 2. Колебания сопротивления при приближении датчика к уровню жидкого гелия. Цифры — высота расположения датчика над уровнем жидкого гелия.

±20%, по скачку сопротивления при переходе границы жидкость/пар ±15%. Поэтому целесообразно для индикации уровня измерять не абсолютные значения сопротивления, а скачок сопротивления, величина которого не менее 90 Ом при токе 2 мА.

Нами обнаружены заметные колебания сопротивления в парах гелия при токе резистора 2—3 мА (рис. 2), при этом вблизи зеркала жидкости амплитуда колебаний составляет единицы ом. Это обусловлено энергичным вскипанием жидкости под датчиком под воздействием выделяемого датчиком тепла. В нескольких сантиметрах над зеркалом жидкости (4—7 см) амплитуда колебаний составляет доли ом, затем, по мере снижения датчика, разброс колебаний увеличивается и достигает 10—15 Ом при высоте 1 см. В жидкости разброс не превышает сотых долей ом. Данное явление

можно использовать в качестве либо индикации нахождения датчика над поверхностью жидкого гелия, либо предупреждающего сигнала о приближении уровня к пороговому значению при заполнении сосуда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dedikov Y.A., Filippov Y.P. // Proc. of the ICEC18. Mumbai, India. New Delhi: Narosa Publ., 2000. P. 627.

2. Дацков В.И. // ПТЭ. 1981. № 4. С. 253.

3. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977.

4. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П. Малкова. М.: Энерго-атомиздат, 1985.

5. Лаврентьев В.И., Чураков В.В. Препринт ИФВЭ № 83-131. Протвино, 1983.

10 ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 3 2014

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»