超流氦获取实验液位数据采集与测试系统研究

　　1　引言

　　超流氦是常压液氦在继续降温的过程中,在温度低于2. 172 K后形成的一种性质极其特殊的低温流体。而超流氦的获取是进行关于一切超流氦实验的前提和基础。对于低温工程而言,实现低温条件下实验数据准确的采集和记录一直是本领域的技术难题之一。

　　2　超流氦获取实验用杜瓦及其低温绝热性能

　　2. 1　试验装置概述

　　实验系统流程及测点布置如图1所示。

　　2. 2　杜瓦

　　为了可以充分利用杜瓦内蒸发氦气的冷量,将氦气排气管路缠绕在液氦杜瓦内罐外部,充分利用低温氦气的冷量冷却杜瓦,保护内部液氦,降低杜瓦蒸发率,其具体结构如图2所示。

　　在杜瓦出厂前及实验室系统组装前都对杜瓦的低温性能进行了测试,杜瓦技术与性能参数如表1所示。

　　3　液位计

　　3. 1　液位计型式设计

　　主副杜瓦内各安装一个超导液位计,用于监测液氦的液位,并与流量计配合获得关于液体获得率的信息。超导液位传感器采用铌-钛(Nb-Ti)合金材料制造。加热器用于产生和维持液位上部导体部分长度的稳定,液位以下成为真正的超导部分。超导液位传感器以及液位显示仪表都是美国AMI公司的产品,针对本试验系统中使用的杜瓦的具体结构尺寸与使用条件特制,其定制的结构尺寸如图3所示。

　　3. 2　液位信息形式的转换

　　液位计实时记录的数据只是其线性长度,并不是杜瓦内部真实的液体体积信息,因此必须建立杜瓦内罐液位信息的数学模型,并能够将其转换为体积数值。杜瓦内罐的尺寸信息以及装有液氦的内罐物理模型如图4所示,

　　内罐液氦的实际装载容积可以认为由圆柱体筒节部分与封头部分所组成。去掉直边后,两端标准的椭圆型封头可组合为一椭球体,如图5所示。

　　椭球体的全容积为[1],

　　上式中的a、b分别为椭球体的长半轴和短半轴。

　　参考图5所示的内罐尺寸信息,可以得到:

　　a=550/2=275mm;　b=137mm (2)

　　中间圆柱体筒节部分的容积为:

　　上式中的d为圆柱体直径,L为圆柱体高度。达到100%充满率的杜瓦内罐全容积为:

　　对应于杜瓦内罐的结构,液位计读数可能出现三种情况: (1)处于上封头内,接近于充满状态; (2)液位处于圆柱体部分; (3)液位处于下封头内,接近于空罐状态。以液氦杜瓦内罐的物理模型为基础,对应于可能出现的这三种使用状态,得到液位计读数与杜瓦内液氦容积之间和杜瓦内罐液氦充满率之间的对应关系如图5-6(a)、(b)所示。