Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Měření hladin kryokapalin

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Měření hladin kryokapalin"— Transkript prezentace:

1 Měření hladin kryokapalin
Eva Vítámvásová Fyzikální chemie povrchů 2008/2009

2 Měření hladin kryokapalin
plovákové hladinoměry optické hladinoměry termoakustické hladinoměry hladinoměry využívající hydrostatického tlaku sloupce kapaliny hladinoměry využívající kondenzace par měřící látky elektrické odporové hladinoměry supravodivé hladinoměry jiné typy hladinoměrů a metod určení objemu kryokapalin automatické udržování hladiny a doplňování kryokapalin

3 Měření hladin kryokapalin - úvod
užívají se hladinoměry sloužící k: detekci rozhraní kapalné a plynné fáze určení výšky sloupce kapaliny od dna po hladinu měří kontinuálně nebo dávají diskrétní hodnoty nejčastěji se měří kapalný N2 a He př. hladinoměrů: N2 - elektrický odporový hladinoměr He - termoakustický hladinoměr

4 Plovákové hladinoměry - princip, druhy
plovák z materiálu s nízkou hustotou (ρ = 35 kg/m3) na hladině tyčinkový - s plovákem spojena dlouhá tyčinka, sloužící jako ukazatel vertikálně se pohybující v průhledné skleněné trubici na víku kryostatu s vláknovým převodem - s plovákem spojeno vlákno vedoucí přes kladku, jako vlastní ukazatel používána protizávaží Plovákové hladinoměry: a - tyčinkový, b - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním A - kryt kryostatu, B - odporový drát, C - kontakt, D - ukazatel

5 Plovákové hladinoměry - druhy
s elektrickým vyhodnocováním - s plovákem spojen kontakt, po němž klouže odporový snímač (napjatý odporový drát), kontakt mění odpor snímače v závislosti na výšce kapaliny Plovákový hladinoměr OMNI - LC Plovákové hladinoměry: a - tyčinkový, b - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním A - kryt kryostatu, B - odporový drát, C - kontakt, D - ukazatel

6 Plovákové hladinoměry - použití
pro He se příliš neužívají - nízká hustota, konstrukční složitost (nutnost těsnění krytu A) pro He lze užít skleněné kryostaty s optickým průzorem - jako indikátor hladiny slouží např. volně plovoucí kulička z polystyrenu pro N2 a kapaliny s vyšší hustotou mohou být robustnější a spojeny s elektromechanickými snímači polohy

7 Optické hladinoměry - princip
užívají změny úhlu odrazu světla na rozhraní mezi světlovodem a plynem nebo mezi světlovodem a kapalinou světlo ze žárovky Ž vstupuje do poloviny plochy průřezu kruhové tyčinky A z organického skla (světlovod), vstupu do druhé poloviny brání kryt B je-li dolní konec světlovodu vynořen nad hladinou, paprsek se dokonale odráží, postupuje světlovodem zpět a v pozorovacím okénku D se přes šikmou odraznou plochu C jeví světlé pole je-li konec ponořen do kapaliny (hustšího prostředí), pozorovací okénko se zatmívá

8 Optické hladinoměry - použití
nejsou příliš praktické při měření hladiny kapalného helia nestačí rozdíl jasu v okénku k praktickému pozorování používají se např. pro sledování hladiny kapalného dusíku

9 Termoakustické hladinoměry - princip
využívají termoakustických kmitů vznikajících v trubicích, jejichž konce spojují místa s nízkou teplotou (pod 40 K) a teplotou pokojovou trubička A z tepelně nevodivého materiálu o průměru asi 3 mm - na dolním konci otevřena, na horním přechází do kalíšku B - je překryt gumovou membránou C (lze použít stetoskop nebo manometr) dolní konec hladinoměru se pomalu zasouvá zátkou F ke dnu nádoby (rychlé zasunutí - odpar) po zasunutí se přesune ukazatel J na kryt H

10 Termoakustické hladinoměry - princip
je-li dolní konec trubičky pod hladinou, kmitá membrána s frekvencí asi 20 Hz - sleduje se sluchem nebo dotykem hladinoměr se začne vysunovat současně s ukazatelem J jakmile se ústí vynoří nad hladinu, nastane náhlý vzrůst frekvence kmitů membrány na stupnici I odečteme proti ukazateli J výšku hladiny v nádobě

11 Termoakustické hladinoměry - použití, nevýhody
jednoduché, spolehlivé pro přesné určení rozhraní kapalného helia a plynu pro H2 méně vhodný, pro kryokapaliny s vyšším varem nepoužitelný nevýhody: menší průměr trubičky A - ucpání trubičky po vymrznutí vzduchu, větší průměr - velké ztráty odparem odpar termoakustickými kmity (až 80 l plynu min.-1) nejsilnější odpar - dolní konec asi 10 cm nad hladinou s teplotou nižší než 40 K → po skončení měření vyjmout hladinoměr, při měření musí měřící trubička procházet kluzně, ale těsně vstupem hrdla kryostatu (silného odparu lze využít k odpaření zbylého He z kryostatu)

12 Hladinoměry využívající hydrostatického tlaku sloupce kapaliny - princip
využívají měření rozdílu mezi tlakem par nad kapalinou a hydrostatickým tlakem na dně nádoby, způsobeným sloupcem kapaliny měřidla - kapacitní membránový tlakoměr nebo U-trubice U-trubice - přepočíst údaj tlakoměru na skutečnou výšku hladiny: hk = hm ·ρm / ρk, ρk - hustota kryokapaliny ρm - hustota měřené kapaliny hm - údaj tlakoměru hk - skutečná výška hladiny

13 Hladinoměry využívající hydrostatického tlaku sloupce kapaliny - druhy
měření hladin dusíku a helia je provedeno modifikací (c) - zabezpečuje, že tlakoměrná kapalina ukazatele nemůže být nasána ani vytlačena do nádrže kryokapaliny všechny metody (a,b,c) předpokládají, že byla do prostoru nádoby zabudována dolní tlakoměrná trubička Hladinoměry využívající hydrostatického tlaku sloupce kapaliny: a - s diferenciálním manometrem, b -s tlakoměrnou U-trubicí, c - s U-trubicí s ochrannými prostory, ρk, hk - hustota a výška hladiny měřené kryokapaliny, ρm, ρ´m, hm, h´m - hustoty a výšky měřících kapalin

14 Hladinoměry využívající hydrostatického tlaku sloupce kapaliny - druhy
je-li možný přímý vstup hrdlem ke dnu nádoby, není nutné vestavět dolní trubičku snímačem tlaku u dna nádoby je Cu trubička z vnějšku tepelně izolovaná, v horní části je napojená na měřící U-trubici Cu trubičkou se z horní části zavádí ke dnu nádoby malý tepelný tok → teplota je vyšší než teplota kryokapaliny je-li je přívod tepla větší než jistá kritická hodnota, vytvářejí páry uvnitř trubičky tlak kompenzující výšku sloupce kryokapaliny Hladinoměr kapalného dusíku pro měření v nádobách s přímým hrdlem: A - tepelně vodivá trubice, B - diferenciální tlakoměr, C - dvoukomorový zásobník lehčí kapaliny, D - těžší kapalina, E - spojovací hadička

15 Hladinoměry využívající hydrostatického tlaku sloupce kapaliny - nevýhody
nevýhody: tepelné kontrakce tlakoměrných trubiček vedoucích od chladné vnitřní nádoby přes vakuový prostor k vnější stěně → do trasy pro měření tlaku zařadit dilatační smyčky nebo pružný vlnovec trubička vycházející ze dna nádoby nesmí mít dlouho vertikální část - zkreslení vlivem přídavného sloupce kapaliny pulsace tlaku se potlačují tlumiči - tvořeny komůrkami spojenými úzkými průduchy

16 Hladinoměry využívající kondenzace par měřící látky - druhy
jako indikátoru se využívá látky, která má vyšší bod varu než zkapalněný plyn, jehož hladinu chceme měřit hladinoměr (a) je v dolní části tvořen tepelně vodivou zaslepenou trubičkou A a v horní části trubičkou z korozivzdorné oceli B, připojené k manometru dotykem dna trubičky A s hladinou dojde ke kondenzaci plynu uvnitř trubice a k prudkému poklesu registrovaného manometrem M Hladinoměry využívající kondenzace par kapaliny: a - indikující dotyk s hladinou poklesem tlaku, b - pro kontinuální měření

17 Hladinoměry využívající kondenzace par měřící látky - druhy
hladinoměry (b) mohou využít i kondenzace par téhož plynu, jehož kapalnou fázi měříme tlakoměr M spojen se zásobním prostorem C, k němu připojena Cu trubička A, na ni kapilára D z korozivzdorné oceli délky odpovídající maximální předpokládané výšce kapaliny systém je naplněn plynem, ten v trubičce zkondenzuje do výšky odpovídající sloupci kapaliny plnicí tlak a objem musí být takový, aby tlak v systému byl vyšší, než tlak par v nádobě Hladinoměry využívající kondenzace par kapaliny: a - indikující dotyk s hladinou poklesem tlaku, b - pro kontinuální měření

18 Hladinoměry využívající kondenzace par měřící látky - použití
hladinoměry indikující dotyk s kapalinou poklesem tlaku nejsou vhodné pro kapalné He (neexistuje plyn, který by měl bod varu blízký 5 K) použít je lze pro měření kapalného N2 (plněno O2) nebo H2 (plněno N2)

19 Elektrické odporové hladinoměry - princip
využívají toho, že intenzita odvodu tepla ze zahřívaného čidla do páry nad hladinou je menší než při ponoření snímače do kryokapaliny zjišťuje se změna odporu nebo úbytku napětí na snímači při jeho ponořování nebo vynořování nad hladinu využívají teploměrná čidla, která musí mít teplotu vyšší než okolní prostředí, používají se cívečky z Pt nebo Cu drátků, termistory, diody, supravodivá vlákna apod.

20 Elektrické odporové hladinoměry - princip
měřící obvody užívají mostových zapojení (a) ke zjištění i malé změny odporu (b) lze užít jednoduchý obvod se zesilovačem a s jedním tranzistorem, v jehož kolektoru je žárovka Ž rozsvěcující se při doteku hladiny pracovní proud snímače se určí nastavením pracovních odporů Rb a Rn (dostatečně vysoký, aby byl snímač Rm zahřát tak, aby nedocházelo k jeho přílišnému ochlazení a ne příliš vysoký, aby při ponoření kolem sebe nevytvářel plynnou izolační vrstvu) Elektrické hladinoměry: a - můstkové zapojení, b - zapojení s tranzistorovým zesilovačem T a žárovkou Ž

21 Supravodivé hladinoměry - princip
k měření hladiny kapalného He tenký supravodivý drát je napájen konstantním elektrickým proudem, část ponořená pod hladinou je supravodivá - má nulový odpor úbytek napětí na snímači je lineárně závislý na výšce kapaliny problém volby supravodiče - kritická teplota přechodu z normálního do supravodivého stavu těsně nad teplotou kapalného He, vyhovuje Ta (vodiče nejsou běžné, pracovat jen ve slabých magnetických polích), Pb, Nb, konstantanový drát, jehož povrch je pokryt vrstvičkou Pb vlákna neovíjet kolem masivních podložek - stykem s prochlazeným držákem dojde k ochlazení a přechodu do supravodivého stavu i nad hladinou

22 Supravodivé hladinoměry - princip
NbTi vlákno je napjato v ose trubičky C snímače s izolační koncovkou D snímač je napájen z baterie E přes odpor R kritická teplota slitiny NbTi - 9 K → teplota horní části vlákna vyšší než kritická (použít vlákno takové délky, aby jeho horní část zasahovala i při nejvyšší možné hladině do oblasti teplot vyšších než 10 K (teplý bod B) při konstantním proudu výchylka měřidla M: U = k (1 - h/h0), h - výška hladiny h0 - celková délka vlákna k - kalibrační konstanta Kontinuální hladinoměr kapalného He se supravodivým vláknem

23 Supravodivé hladinoměry - nevýhody
část snímače nad hladinou je v normálním stavu a dochází v ní Jouelovými ztrátami k vývinu tepla odpar kapalného He se sníží, je-li čidlo napájeno pouze na několik sekund v delších časových odstupech a v mezidobí se informace uchovává v paměťovém obvodu měřiče - supravodivý kontinuální hladinoměr

24 Kapacitní hladinoměry - princip
využívají rozdílu mezi hodnotou permitivity plynu a jeho kapalné fáze čidlo se skládá ze dvou i více paralelních desek nebo koncentrických trubic tvořících kondenzátor kapacita kondenzátoru se mění v závislosti na výšce hladiny kapaliny, která tvoří jeho dielektrikum

25 Kapacitní hladinoměry - použití
složitější, nákladnější než jiné typy, avšak jsou použitelné pro všechny zkapalněné plyny tepelné ztráty snímače jsou zanedbatelné - jsou dány tepelnou vodivostí koaxiálního napájecího přívodu (jejich údaj nezávisí na magnetickém poli) u kapalného He má snímač velmi malý rozdíl v permitivitě kapaliny a plynu → snímač musí být pečlivě proveden

26 Jiné typy hladinoměrů a metod určení objemu kryokapalin
vážením - při známé hmotnosti prázdné nádoby, pro He není příliš vhodné - nízká hustota, Dewarovy nádoby pro kapalné He mají stínicí plášť, chlazen lázní kapalného dusíku, jejíž objem nebývá znám dotykem dolního konce oboustranně otevřené trubice s hladinou - pro kapalný dusík

27 Automatické udržování hladiny a doplňování kryokapalin
zásobník kapalného N2 je natlakován a N2 proudí přepouštěčem C do kryostatu B když se trubička hladinoměru dotkne hladiny N2, plynný methan F, který byl pod tlakem, zkondenzuje - poklesne tlak, kuželka na vlnovci otevře cestu G pro uvolnění přetlaku v zásobníku - přerušení proudění N2 při poklesu hladiny v kryostatu vlnovec uzavře cestu pro únik plynu ze zásobníku, který se natlakuje - kapalina začne přepouštěčem protékat Automatické zařízení pro doplňování kapalného N2 s vlnovcovým ventilem A - zásobník N2, D - detekční trubička, E - vlnovec s methanovou náplní

28 Automatické udržování hladiny a doplňování kryokapalin
k indikaci hladiny v kryostatu B slouží např. Ge diody Dd a Dh, které přes logický obvod E otevírají/uzavírají elektromagnetický ventil C připojený ke vstupu přepouštěče - ponořen ke dnu Dewarovy nádoby zásobník A je natlakován a průtok kryokapaliny je dávkován uzavíráním ventilu C ocelovou kuličkou přitahovanou do sedla elektromagnetu lze použít i pro doplňování kapalného He do kryostatu Automatický regulátor hladiny kapalného N2 s ponorným elektromagnetickým kryoventilem

29 Automatické udržování hladiny a doplňování kryokapalin
k indikaci hladiny slouží odporová čidla C1 až C4, která dovolují sledovat i průběh ochlazování a prvního plnění kryostatu Automatické zařízení pro udržování hladiny kapalného He v požadovaném rozmezí

30 Děkuji za pozornost


Stáhnout ppt "Měření hladin kryokapalin"

Podobné prezentace


Reklamy Google