浮力式低温液位计的设计原理及运行工况分析

　　1　引言

　　受控核聚变实验装置EAST由纵场线圈、极向场线圈、真空室、冷屏、外杜瓦与支撑结构等组成,大型低温超导磁体电流引线采用高温超导电流引线能显著减少低温系统的造价和运行费用。目前运行的大型超导托卡马克核聚变实验装置EAST上应用了一对16kA高温超导电流引线和12对15kA高温超导电流引线, 15kA/16kA高温超导电流引线由工作在4—78K温区的超导段和78—290K温区的汽冷铜电流引线组成,超导电流引线的温端和铜电流引线的冷端采用液氮冷却,超导段的冷端采用4. 5K超临界氦迫流冷却,铜电流引线段用电流引线液氮储槽的氮蒸汽冷却,为确保高温超导电流引线在正常工作温区,必须保证高温超导电流引线的液氮储槽的液面在一定的高度,为此需要一种运行稳定、不受强磁场干扰的且在储槽内腔压力变化较大的情况下,能够准确测量储槽液氮液位的液位计,针对此要求我们设计制做了专用的浮力式深冷液位计,用来监视电流引线液氮储槽的液面。

　　2　浮力式深冷液位工作原理

　　目前市场上适用于深低温液体(如液氮、液氧、液氩等)液位测量的液位计有压差液位计、射频电容液位计等,压差式液位计是由液位高度的变化改变液体储槽底部的压力相对与液体液面的变化的工作原理设计制作,对于常温液位测量及控制,采用压差式液位计是相当方便和普及的,但对于深低温液体的测量往往因为深低温液体内压力波动较大及压差测量管内进入低温液体等原因,造成压差式液位计测定的液位与实际液体液位会产生较大的误差,且压差式液位计的安装精度要求较高,如果施工不当,则液位测量的准确度没有保障,故而压差式液位计一般应用到对液面测量精度要求不高的测量。

　　射频电容式液位计从原理上可用于液氩、液氧及液氮等低温液体液位的测量及控制,但我们在试验中发现射频电容式液位计的液位传感器受磁场影响较大,仅仅几十毫特斯拉(mT)磁场就可使射频式液位计液体液位读数从几十厘米突降至零,而实际液体液位基本没有变化。

　　基于以上分析,目前市场上两种低温液体液位计都不太适合大型核聚变实验装置EAST高温超导电流引线液氮储槽液位的测量,为了较准确测量高温超导电流引线液氮储槽的液位,从而保证EAST装置上高温超导电流引线的安全运行,我们设计了浮力式深冷液位计,其原理简单,标定较容易,且抗电磁场的干扰,此浮力式深冷液位计已获国家发明专利。

　　浮力式深冷液位计是由液位计外罩、传感器、连接杆及浮力探头等部件组成。浮力式深冷液位计的传感器不同于一般浮筒液位计的传感器,一般浮筒式液位计的传感器与大气相通,如果被测液体有压力相对于大气压增减时,这相当于探头的浮力变化,从而导致虚假的液位测量,会产生较大的测量误差,所以一般浮筒液位计不能用于低温液体液位的测量。我们设计的浮力式深冷液位计用外罩把压-拉力传感器与大气密封隔开,不会因为液体储槽内压力的变化而影响其对液位的测量精度。浮力式深冷液位计的拉-压力传感器安装在与液体储槽连通的密封腔体内,其传感器部分处于室温,通过连杆(一般用传热系数较小的材料制做)与液体内浮力探头相连接,拉-压力传感器的信号线通过密封插头座从探头外罩引出与信号放大器、数显及采集计算机相连,从而实现计算机控制。