Устройство для регулирования уровня криогенной жидкости

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ СПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Соколовство СССР2, 1978,ство СССР2, 1982. 1и(71) Специальное констгическое бюро с опытнИнститута проблем криодицины АН УССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИ УРОВНЯ КРИОГЕННОЙ ЖИДКО (57) Изобретение может быть исп в криоэлектронике и физике низ ратур, Устройство содержит посл но соединенные источник пи обмотку исполнительного реле (Р резйстивный датчик верхнего ур троклапан 10, подключенный к питания 9 через замыкающий к последовательно соединенные щий контакт Р 5, резистивный тель 3 и электропроводную тепл 4, а также транзистор 6, стабил резистор 8. 1 ил. 3"о 1 РОВАНИЯ СТИ ол ьзо Вано ких темпе- едовательтания 9 и ) 5, а также овня 2,элекисточнику онтакт Р 5, размыкаю- подогреваовую шину итрон 7 и30 40 50 55 Изобретение относится к холодильной и криогенной технике и может быть использовано в криоэлектронике и физике низких температур.Для обеспечения работы криостатов, криогенных насосов, низкотемпературных ловушек необходимо поддерживать уровень жидкого хладагента в определенных пределах, что достигается использованием различных систем регулирования уровня жидкости,Известен регулятор уровня жидкости, состоящий из двух резистивных датчиков верхнего и нижнего уровнях исполнительного реле и электроклапана, подключенного к источнику питания через замыкающий контакт исполнительного реле, причем источник питания, обмотка исполнительного реле и датчики уровня соединены последовательно,Недостатком этого регулятора являются значительные тепловыделения дорогостоящего хладагента и ухудшение по этой причине эксплуатационных характеристик криогенного устройства.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является регулятор уровня жидкости, содержащий последовательно соединенные источник питания, обмотку исполнительного реле и резистивный датчик нижнего уровня, а также резистивный датчик верхнего уровня и электроклапан, подключенный к источнику питания через один из замыкающих контактов исполнительного реле, при этом резистивный датчик верхнего уровня подключен параллельно резистивному датчику нижнего уровня через другой замыкающий контакт исполнительного реле. Недостатком известного регулятора является низкая точность определения границы жидкость - газ в связи с тем, что долив хладагента, как правило, сопровождается интенсивным кипением последнего, и граница жидкость - газ представляет собой газожидкостную смесь, Возникающие при этом парогазовые потоки хладагента, воздействуя на датчик, могут вызвать ложное срабатывание исполнительных устройств,что Обусловливает низкую точность установки верхнего уровня (недолив хладагента).Цель изобретения - повышение точности регулирования уровня жидкости при изменении внешних условий работы датчиков уровня,Цель достигается тем, что в устройство для регулирования уровня криогенной жидкости, содержащее резистивный датчик верхнего уровня, электроклапан, подклю 5 10 15 20 25 ченный через замыкающий контакт исполнительного реле к источнику питания, последовательно соединенному с обмоткой исполнительного реле, введены последовательно соединенные размыкающий контакт исполнительного реле, резистивный подогреватель и электропроводная тепловая шина, а также стабилитрон, резистор и транзистор, эмиттер которого подключен через обмотку исполнительного реле к "минусу" источника питания, коллектор через резистивный датчик верхнего уровня - к "плюсу" источника питания и электропроводной тепловой шине, база соединена через резистор с "плюсом" источника питания, анод стабилитрона соединен с "минусом" источника питания, а катод - с базой транзистора.На чертеже изображена функциональная схема устройства.В криостате 1 размещен резистивный датчик верхнего уровня 2, соединенный с резистивным подогревателем 3 через злектропроводную тепловую шину 4. Вне криостата расположены исполнительное реле 5, транзистор 6, стабилитрон 7, резистор 8, источник питания 9 и электроклапан 10, Источник питания 9 через нормально замкнутый контакт 11 реле 5 подключен к резистивному подогревателю 3, а через нормально разомкнутый контакт этого же реле - к электроклапану 10. Эмиттер транзистора 6 через обмотку реле 5 подключен к "минусу" источника питания 9, а коллектор этого же транзистора через датчик верхнего уровня 2 подключен к "плюсу" источника литания 9 и тепловой шине 4. База транзистора 6 через резистор 8 подключена к "плюсу" источника питания 9. Анод стабилитрона 7 подключен к "минусу" источника питания 9, а катод - к базе транзистора 6,Устройство работает следующим Образом,В начальный момент, когда датчик верхнего уровня 2 и подогреватель 3 находятся над криогенной жидкостью, подогреватель 3 через тепловое сопротивление электро- проводной тепловой шины 4 нагревает резистивный датчик верхнего уровня 2. При этом ток через датчик 2 определяется схемой стабилизатора тока, состоящей из транзистора 6, резистора 8, стабилитрона 7 и сопротивления обмотки реле 5. Если пренебречь напряжением "эмиттер-база" транзистора 6, то этот ток будет равен1 ст = - рЙт(1)огде Оот - напряжение стабилизации стабилитрона 7;5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Во - сопротивление обмотки реле 5.Для нормальной работы схемы значения Ост и Во необходимо выбрать такими, чтобы выполнялось условие:1 срст (2) где 1 ср - ток срабатывания исполнительного реле 5,Если выполнено условие (2), реле 5 включается и его контакт 11 замыкает цепь питания электроклапана 10, который, срабатывая, перекрывает выход паров из сосуда-хранилища сжиженных газов, что приводит к повышению давления в последнем и передавливанию жидкого хладагента через переливной сифон (на чертеже не показан) в криостат 1, При этом подогреватель 3 отключается от источника питания 9, а нагрев датчика верхнего уровня осуществляется током 1 ст. Заполнение криостата 1 жидким хладагентом сопровождается интенсивным кипением, испарением с образованием пара и брызг, которые воздействуют на датчик верхнего уровня 2, охлаждая его, и тем самым увеличивают его сопротивление. Однако, поскольку датчик 2 запитан стабильным током 1 ст, это приводит к увеличению рассеиваемой на резистивном датчике 2 мощности, которая, как известно, равнаРрас = 1 ст Вд2где Вд- сопротивление резистивногодатчика 2,Увеличение Ррас приводит к разогреву датчика 2 и уменьшению его сопротивления, т.е. происходит как бы возврат сопротивления датчика 2 практически к прежнему значению. Так происходит до тех пор, пока в процессе долива хладагента датчик 2 не окажется полностью погруженным в жидкий хладагент, в результате чего сопротивление его резко увеличивается, источник тока на транзисторе 6, стабилитроне 7, резисторе 8 и реле 5 не может обеспечить поддержание стабильного тока ст и этот ток также резко уменьшается. Процесс уменьшения 1 ст протекает лавинообразно, так как уменьшение 1 ст приводит к снижению Ррас. Это влечет за собой еще большее охлаждение датчика 2 и увеличение его сопротивления, что способствует уменьшению 1 ст, и т,д. Когда 1 ст становится меньше тока отпускания реле 5, то это реле выключается, контакт 11 обесточивает электроклапан 10 и через открывшийся клапан осуществляется сброс паров из сосуда-хранилища в атмосферу, что приводит к прекращению перелива хладагента. Очевидно, что после выключения реле 5 через контакт 11 вновь будет подано напряжение от источника питания 9 на подогреватель 3, однако нагрева резистивного датчика 2 не происходит, так как электро- проводная тепловая шина 4 "зашунтирована" (по теплу) жидким хладагентом, имеющим низкую температуру и высокую (по сравнению с газом) теплопроводность, По мере выпаривания хладагента из криостата 1 уровень его опускается ниже датчика 2; однако, посколькуст мал, то мала и Ррас, и до тех пор, пока тепловая шина 4 хотя бы частично находится в жидком хладагенте, через него не только нет нагрева датчика 2, но, наоборот, отводится и без того малая мощность Ррас. Этот процесс препятствует возрастанию тока ст, который будет значительно меньше тока 1 ср. Однако при понижении уровня хладагента до уровня подогревателя 3 (нижнего конца тепловой шины 4) тепловой поток от подогревателя 3 через тепловую шину 4 начинает интенсивно подогревать резистивный датчик 2, что приводит к уменьшению его сопротивления, восстановлению стабильного тока 1 ст и увеличению рассеиваемой мощности Ррас на датчике 2, причем этот процесс также протекает лавинообразно,В конечном счете это вызывает срабатывание исполнительного реле 5 и долив хладагента в криостат 1, Далее процесс повторяется. Формул а изобретен ия Устройство для регулирования уровня криогенной жидкости, содержащее резистивный датчик верхнего уровня, электро- клапан, подключенный через замыкающий контакт исполнительного реле к источнику питания, последовательно соединенному с обмоткой исполнительного реле, о т л и ч аю щ е е с я Дтем, что, с целью повышения точности; в него введены последовательно соединенные размыкающий контакт исполнительног 8 реле, резистивный подогреватель и электропроводная тепловая шина, а также стабилитрон, резистор и транзистор, эмиттер которого подключен через обмотку исполнительного реле к минусу источника питания, коллектор - через резистивный датчик верхнего уровня к плюсу источника питания и электропроводной тепловой шине, база соединена через резистор с плюсом источника питания, анод стабилитрона соединен с минусом источника питания, а катод - с базой транзистора,