Способ измерения уровня криогенной жидкости

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ, заключающийся в измерении параметров частично погруженного в жидкость термочувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в качестве термочувствительного элемента используют полимерную нить, температура стеклования которой выше температуры контролируемой жидкости, при этом предварительно к полимерной нити прикладывают растягивающее усилие и термостатируют ее в точке, расположенной выше уровня жидкости, а об изменении уровня судят по перемещению участка нити, расположенного выше точки, имеющей температуру стеклования.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня криогенных жидкостей в транспортных дьюарах, различных непрозрачных сосудах, а также в измерительных прецизионных устройствах, в частности в жидкостных калориметрах.
Целью изобретения является повышение точности измерения уровня.
Способ заключается в измерении величины растяжения частично погруженной в криогенную жидкость полимерной нити, имеющей температуру стеклования более высокую, чем температура жидкости. При этом предварительно к полимерной нити прикладывают растягивающее усилие и термостатируют ее в точке, расположенной выше уровня жидкости, а об изменении уровня судят по перемещению участка полимерной нити, расположенного выше точки, имеющей температуру стеклования.
На чертеже схематически изображено устройство для реализации предлагаемого способа.
Устройство содержит расположенный в опорной трубке термочувствительный элемент, выполненный в виде упруго натянутой полимерной нити, а также приспособления для нагружения, термостатирования и измерения удлинения этой нити.
В сосуде 1 с криогенной жидкостью 2 размещена опорная трубка 3 с натянутой внутри нее полимерной нитью 4. Нижний конец трубки 3 с помощью специального прижимного механизма 5 подпружинен к дну сосуда 1. Верхний конец этой трубки запрессован в металлический блок 6, температура которого в процессе работы устройства поддерживается строго постоянной с помощью термометра 7, нагревателя 8 и автоматического регулятора температуры 9. Для сообщения внутреннего объема трубки 3 с объемом сосуда 1 в трубке предусмотрена система отверстий 10.
Полимерная нить 4 размещена так, что один ее конец закреплен у нижнего края трубки 3, а второй через плунжерный шток 11 связан с механизмом нагружения. Механизм нагружения выполнен в виде вращающегося на кронштейне 12 блока 13, через который перекинут тонкий стальной тросик 14. К одному концу тросика подвешены грузы 15, а второй его конец закреплен на штоке 11. Шток 11 с помощью толкателя 16 связан с сердечником прецизионного измерителя 17 малых перемещений, показания которого регистрируются электронным самописцем 18. Более грубо удлинение нити 4 можно регистрировать с помощью отградуированной шкалы 19 и указательной стрелки 20. Вся описанная система смонтирована на опорной плите 21.
Устройство работает следующим образом. В сосуд 1 заливают криогенную жидкость, после чего к нити 4 с помощью грузов 15 прикладывают постоянную во времени нагрузку F, вызывающую упругое растяжение этой нити, и включают автоматический регулятор 9, задающий некоторое значение температуры блока 6, равное Т_о. После выдержки прибора в течение 15-20 мин, необходимой для установления вдоль нити 4 стабильного градиента температур, можно начинать измерения уровня жидкости.
Если в некоторый момент времени уровень криогенной жидкости в сосуде, например жидкого азота, находится на высоте h₁, то на не погруженном в азот отрезке натянутой нити 4 (отрезке длиной l) устанавливается некоторый градиент температур, соответствующий изменению температуры нити от 77,3 К (точка а) до температуры Т_о, сравнимой с температурой блока 6 (точка б). В случае, если
Т_о > Т_д > Т_кип, где Т_кип температура кипения криогенной жидкости,
Т_д температура стеклования нити, то на отрезке l точка, имеющая температуру Т Т_д, будет находиться на расстоянии h* от поверхности азота. Значения h* изменяются в зависимости от теплопроводности нити и значений Т_д, Т_о и Т_кип, а также зависят от размеров устройства.
Если уровень жидкости в сосуде понижается до h₂ на величину h h₁ h₂, то при этом точка, имеющая температуру Т_д на отрезке l упруго растянутой нити 4, также понижается на величину h= h/K, где К коэффициент пропорциональности, зависящий от значений температуры Т_д применяемых нитей и температуры кипения жидкостей, уровень которых измеряется, и лежащий в реальных случаях в реальных случаях в пределах от 1 до 3. Это означает, что средняя температура участка нити, имеющего длину h и находящегося вне жидкости на отрезке l, становится выше Т_д. Это приводит к резкому уменьшению среднего модуля упругости нити на этом участке на величину < Е > <Е<sub>1> <Е<sub>2>, где <Е<sub>1> и <Е<sub>2> средние значения модулей упругости нити при температурах Т₁ < Т_д и Т₂ > Т_д, соответственно.
Поскольку вся нить находится под нагрузкой F, уменьшение ее модуля упругости на отрезке h приводит к удлинению ее на величину
( h)_F= где F нагрузка на нити;
S площадь ее поперечного сечения, то есть F/S растягивающие напряжения, приложенные к нити.
Удлинение нити регистрируют датчиком 17 малых перемещений. Если чувствительность датчика ( h), то точность измерения уровня криогенной жидкости в сосуде равна
( h)_ур=
Материалом для применяемых нитей может служить целый ряд полимеров.
В частности, при работе с азотом можно применять резиновые нити на основе натурального, бутилового, и силиконового каучуков, обладающие высокой стойкостью к термоциклированию. Модуль упругости этих нитей при переходе через температуру Т_д изменяется от 10³ кг/мм² до 0,1 кг/мм² (в зависимости от наполнителя), то есть в среднем на 4 порядка.
Внешние напряжения, прикладываемые к полимерной нити 4, не должны превышать предела текучести материала. Это условие особенно важно для высокоточных калориметров, поскольку при его выполнении удлинение нити не сопровождается тепловыми эффектами.
При использовании индуктивных, емкостных или механотропных датчиков удлинение рабочей нити можно измерять с точностью до 10^-5 мм, при этом точность определения уровня криогенной жидкости составляет теоретически ( h)_ур 5 10^-6 мм.
Таким образом, данный способ позволяет повысить точность измерения уровня криогенной жидкости в сосудах до 10^-5 мм.
Способ может быть использован также для измерения уровня криогенных жидкостей, испаряющихся с малыми скоростями (менее 10^-4 л/ч).