JPH0257920A - 液面レベル計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は極低温液体の液面レベル計に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

極低温液体の液面レヘルを計測するために、従来から液
面レベル計が使用されている。

第５図は従来の超電導式液面レベル計の構成図であり、
液体ヘリウムの液面を計測対象としている６図において
ＩＡは超電導センサでニオブチタン合金線材が用いられ
る。２は定電流電源、３は電位差計、４は開閉器、５は
電流リード線、６は電圧リード線、７はタンク容器、１
２は液体ヘリウム、１３は気体ヘリウムである。

第５図の動作について説明する。まず超電導センサ１．
は液体ヘリウムの沸点（４，２５Ｋ）以上の温度に８１
！導転移温度を有する超電導体として通常ニオブチタン
合金線が用いられる。超電導センサ１ｍは液体ヘリウム
容器内の上下方向に被測定液体と交差するように設置さ
れる。超電導センサ１゜の下端は常に液体ヘリウム１２
の中にあり、またその上端は常に気体ヘリウム１３内に
あるように設置する。外部の定電流電源２から超電導セ
ンサ１、にその上下端に接続される電流リード線５を介
して定電流を流すと、熱放散性の悪い気体ヘリウム側の
部分は常電導状態となり、熱放散性の良い液体ヘリウム
側の部分は超電導状態となる。この状態における超電導
センサＩＡの両端間の電位差を電圧リード線６を介して
外部の電位差計３により検出すれば、一定の比抵抗を有
する常電導部分の長さに比例した電圧値が得られるので
、この検出された電圧値から液面レベルを計測すること
ができる。

また液面レベル計としては、従来差圧式、フロート式、
エアパージ式、静電容量式、超音波式及び電波式等の各
種方式の計測器が存在するが、極低温液体の計測用とし
ては、精度、安定性、保守性及び経済性等の面ですべて
を満足するものはなく実用化されていない現状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような従来のニオブチタン合金を用いた超電導液
面レベル計では、計測対象が限定されること及び液面降
下時の応答性の面で問題点が多い。

即ちセンサとして使用するニオブチタン合′金の超電導
転移温度が低いため、液体ヘリウム（沸点４．２５Ｋ）
の液面計測は可能である。しかし本発明が計測対象とし
ている、ニオブチタン合金の超電導転移温度よりも沸点
の高い液体水素、液体窒素およびＬＮＧ等には超電導現
象が発生しないため、適用することができない。

また、電流リード＆１９５および電圧リード線６を、セ
ンサ１．の上端および下端の両方に接続する必要がある
。

タンク容器７内の極低温液体内にセンサを設置する場合
において、センサ１．の両端の端子の位置が上下に遠く
離れていると、リード線５．６の引き回しが面倒である
ばかりでなく、リード線５゜６の一部分は液中に没する
ため、その外面から沸騰が生じ、液面を波立て計測誤差
が生じる。また、液体の蒸発量が増大し、蒸発分だけ液
の損失となる。

さらに、センサ１ｍの上端に接続された電圧リード端子
点と、センサ１．の下端に接続された電圧リード端子点
の温度が異なるため、電圧リード線６とセンサＩＡの超
電導体との異種導体接合による熱起電力によって計測誤
差が発生する等の問題がある。

従って、この発明の目的は、液体ヘリウムよりも沸点の
高い極低温液体の液面計測を誤差なく正６１に行なうこ
とができ、しかも容易に故障することのない液面レベル
計を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述した問題を解決するために、本発明者等は鋭意研究
を重ねた。その結果、超電導転移温度が液体ヘリウムの
沸点よりも高い超電導材料をセンサの材料として使用す
ることにより、液体ヘリウムより沸点の高い極低温液体
の液面レベルを計測できることを知見した。

これにより、センサとして、酸素欠損型プロブスカイト
結晶構造を有するセラミックス超電導体く例えば’１−
Ｂａｔ−Ｃｕ５−Ｏｖ　）を使用した液面レベル計を開
発した。

このレベル計に使用される酸素欠損型プロブスカイト結
晶構造を有するセラミックス超電導体の、温度と比抵抗
特性とは、Ｙ−Ｂａｇ−Ｃｕ３−Ｏｙを例にとると、超
電導転移温度以上の温度域においては、第６図に実線■
で示すように、温度の上昇に伴って比抵抗がほぼ直線的
に変化する関係にある。直線の傾きは一般にゼロ濃度に
より変化させられる。

一方、タンク容器内のガス層の温度は、高さ方向に沿っ
て変化するだけでなく、被測定液体（液体窒素）の液位
の変化によっても変化する。従って、一定電流を流した
場合の超電導センサの常電導部分の温度は高さ方向に変
化する。このため、高さ方向の比抵抗値は一定とはなら
ない。この結果、被測定液体の液位の変化とセンサの全
抵抗値の変化との関係は直線性を失い計測精度が悪くな
る。

この発明は、被測定液体の液面と交差するように配置さ
れた、前記被測定液体の沸点より高い超電導転移温度を
有する超電導材料からなるＵ字状の超電導センサと、前
記センサに定電流を供給するための定電流装置と、前記
センサの両端の電圧を測定するための電圧測定装置とか
らなり、前記センサは超電導転移温度以上の温度域にお
いては、一定の抵抗を有するように、右半部は超電導転
移温度以上の温度域において比抵抗値が温度上昇ととも
に増大する特性を有する超電導材料、左半部は超電導転
移温度以上の温度域において比抵抗値が温度上昇ととも
に残少する特性を有する超電導材料に・よって形成され
たことに特徴を有するものである。

次に、この発明の液面レベル計を図面を参照しながら説
明する。

第１図はこの発明の液面レベル計の一実施態様を示す説
明図であり、第１図に示す２乃至７は、第５図に示す従
来装置と全く同一のものである。

第２図は第１図に示す超電導センサ（以下センサと称す
）のＸ−Ｘ線断面図である。

センサ１は、断面矩形の棒状の基材１０の相対向する２
つの側面の表面に超電導皮膜１１ａおよび１１ｂが形成
されてなっており、超電導皮膜１１ａと１１ｂとは下端
の接合点１４で導通している。

超電導皮膜１１ａは超電導転移温度以上の温度域におい
ては比抵抗値が温度上昇とともに増大する特性を有する
超電導材料、すなわち金属的な特性を有する超電導材料
を使用する。

超電導皮膜１１ｂは超電導転移温度以上の温度域におい
ては比抵抗値が温度上昇とともに残少する特性を有する
超電導材料、すなわち半導体的な特性を有する超電導材
料を使用する。

第３図は超電導体の温度と比抵抗との関係を示す図であ
る。第３図において、樅軸は超電導体の比抵抗ρ、横軸
は温度Ｔを示し、■は超電導皮膜１１ａを形成する超電
導材料、■は超電導皮膜ｉｔｂを形成する超電導材料を
示す。ここで、■の比抵抗をρ１、■の比抵抗をρ２、
超電導皮膜１１ａの断面積をＳ＋、ｌｌｂの断面積を８
２とする。第１図にに基いて説明すると３１またはＳ２
は、ともに高さ方向にわたり一定とすると、高さｈの位
置の微少区間ｃｌｈでの電圧への寄与ｄＶは次式となる
。

従って、 ある高さｈでの両側（第１図に示すの、０点）の温度は
十分等しいとすると、電圧■と高さｈとの関係が直線と
なるためには、上述（２）式の右辺が温度によらず一定
となることが必要である。

つまり、 これより、 結局、 ｌ 従って、 積比を決めておけば、高さ方向の温度分布が生じても、
電圧■と高さｈとの関係はリニヤになる。

この際、ｋ　ｚ　−ｋ　＋　　のときは、Ｓ　ｚ　＝　
３１　　となり、断面積は等しくなる。

これにより、超電導転移温度以上の温度域において、セ
ンサ１は温度の変化にががねらず一定の比抵抗を示す。

従って、高さ方向の温度変化および被測定液体（ｅ体窒
素）の液位の変化によってセンサ１の常電導部分の温度
に変化があっても比抵抗の値は変わらず、液位の変化と
センサの全抵抗値の変化との関係は直線化し、計測精度
は極めて高くなる。

基材１０としては、例えばニンヶルあるいはニンケル基
合金（ナイモニツタ）等のように、熱電導率が高く、電
気的には超電導皮膜１１ａとｌｌｂとを絶縁できるもの
を使用するべきである。

いま、第１図において、液体窒素の液面レベルを計測す
る場合を考える。タンク容器７が完全に保温されている
と、液体部および気体部は共に７７．４にの温度となっ
ている。

電流を流す前は、超電導センサｌは全体が７７．４にと
なり、総ての部分が超電導状態となっている。

この状態から第１図に示す５ように定電流電［２から開
閉器４およびリード線５を介して超電導センサｌに定電
流を流すと、電流リード線５は常電導体であるため上記
定電流により発熱し、この発熱エネルギーが超電導セン
サ１の上部より内部に伝達されるため、超電導センサ１
は昇温し気体中の部分全域が常電導状態に転移する。し
かしＭＡｉｉ導センサ１の液体中の部分はこの通電時に
おいても超電導状態を維持する。これは気体中では、超
電導センサ１と気体窒素との間の熱伝達率が小さく、超
電導センサ１の温度が超電導転移温度（９０Ｋ）を大き
く越えるのに反して、液体中では、熱伝導率が極めて大
きく超電導センサ１は昇温も発生もしないためである。

いま、電流リード線５の超電導センサｌへの装着点をＡ
、Ｂ、電圧リード線６の該センサ１への装着点をＣ，Ｄ
、窒素の液体と気体との境界点をＥ、点Ｃ−Ｅ間の距離
（ガス中の距Ｎ）を２、定電流電源より供給される電流
を１．とし、２と電圧■との関係を示すと、 超電導皮膜１１ａを形成する金属的特性を有する超電導
材料■の比抵抗、 超電導皮膜１１ｂを形成する半導体的特性を有する超電
導材料■の比抵抗、 Ｓ、　・　Ｓｚ Ｓ、　　　　　　Ｓ。

従って、ｌと電圧Ｖの関係は（１）または（２）式より
（３）式より、 これにより基準レベル（容器底面）から境界点Ｅまでの
高さは、基準レベルから点Ｃまでの距離をＱｌとすれば
、 ｆｉ、−４！　　　　　　　　　　　　　　　〜（５）
によって求められ、液面レベルの計測が可能となる。

〔実施例〕

次に、この発明を実施例により説明する。

第１図に示すように、液高１０００閣のタンク容器７に
、本発明の液面レベル計を使用して、液体窒素８の液面
レベルを計測した。

センサ１としては、第２図に示すように、断面２１ＷＩ
Ｘｌ閣の矩形の棒状の基材１０の相対向する辺長ｌ閤の
２つの側面の一方に厚さ０．２閣の超電導皮膜１１ａ、
他方に厚さ０．１　ｍの超電導皮膜１１ｂを形成させ、
断面積をＳ　、　＝２５　、としたが、この断面積は以
下の要領で求めた。まず、超電導皮膜１１ａは、 比抵抗ρ＋　＝０．８ＸＩＯ−’＋０．２Ｘ１０−’Ｘ
Ｔ（Ｑ・ｍ）　（Ｔ＞９５Ｋ）。

ｋｌ　＝０．２Ｘ１０−’（Ω−ｍ−に一’）の超電導
体（Ｙ−Ｂａｇ−Ｃｕ３−Ｏｙ）によって形成した。

一方、超電導皮膜１１ｂは、 比抵抗ρｔ＝２．５Ｘ１０−’−０，１Ｘ１０−’ＸＴ
（Ω・＋ａ）　（Ｔ＞９５Ｋ）ｋ、＝−０，１ｘｌＯ−
’（Ωｍ−に一’）の超電導体（Ｙ−Ｂａｔ−Ｃｕｚ−
Ｏｙ）によって形成した。そして、断面積ＳＩ＋　　Ｓ
ｔ　は、この結果によって、超電導皮膜１１ａの断面積
が、超電導皮膜１１ｂの断面積の２倍となるように、本
実施例は上述のように、超電導皮膜１１ａの皮膜の厚さ
を０．２ｍ、超電導皮膜１１ｂの皮膜の厚さを０．１−
とした。

そして、電流電源２からセンサｌに、その上端部に接続
された電流リード線５を介して５０ｍＡの電流Ｉ０を流
し、電圧リード線端子間電圧を計測した。

第４図は、この実施例による計測結果を示す図であり、
縦軸は電位差計３により測定された超電導センサ１の端
子間電圧（単位はボルト）、横軸は液体窒素のガス中の
距離（単位はミリメートル）である。

図中、実線は、（４）式によって得られるガス中の距離
！と電位差■との関係である。また、Ｏ印は実測値であ
る。両者の対応は十分であり、直線的なｌとＶとの関係
が得られている。

従って、リニアライザー等を使用することなく極めて正
確な精度で液面レベルを測定できることがこの実施例よ
り明らかである。

〔発明の効果］ この発明は以上説明したように構成されているので次に
述べる存用な効果を奏する。

（１，）センサは超電導転移温度以上の温度域において
、温度の変化にかかわらず一定の比抵抗を示すことが望
ましいが、そうでないものでも組合せの適正化により液
位の変化とセンサの全抵抗値の変化との関係が直線化し
、きわめて正確に液面レベル計測が可能である。

（２，）センサとして超電導転移温度の高い超電導材料
からなる超電導センサを使用するので、沸点の高い極低
温液体の液面レベルの計測が可能である。

（３，）　　リード線の端子点がすべてセンサの上端部
に位置するため、リード線が液中に没する。ことがなく
、リード線が液中に没することにより生ずる計測誤差等
の不都合が生ぜず、正確な計測を行なうことができる。

（４，）センサを、超電導材料単体でなり、基材表面に
超電導皮膜を形成させた構造とすることにより耐久性が
上昇し、故障の発生率が低下する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施態様を示す説明図、第２図は
超電導センサの断面形状を示す第１図のＸ−Ｘ線断面図
、第３図および第６図は超電導体の温度と比抵抗との関
係を示す図、第４図は実施例による計測結果を示す図、
第５図は従来の超電導式液面レベル計の説明図である。 第３図および第６図において、縦軸は超電導体の比抵抗
、横軸は温度を示す。図面において、 １　１Ａ・・・超電導センサ、 ２・・・定電流電源、　　　　３・・・電位差計、４・
・・開閉器、　　　　　　５・・・電流リード線、６・
・・電圧リード線、　　　７・・・タンク容器、８・・
・液体窒素、　　　　９・・・気体窒素、１０・・・基
材、 １１　、　ｌｌａ　、　ｌｌｂ　・・・超電導皮膜、１
２・・・液体ヘリウム、　　１３・・・気体ヘリウム、
１３・・・接合点。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被測定液体の液面と交差するように配置された、前
   記被測定液体の沸点より高い超電導転移温度を有する超
   電導材料からなるＵ字状の超電導センサと、前記センサ
   に定電流を供給するための定電流装置と、前記センサの
   両端の電圧を測定するための電圧測定装置とからなり、
   前記センサは超電導転移温度以上の温度域においては、
   一定の抵抗を有するように、右半部は超電導転移温度以
   上の温度域において、比抵抗値が温度上昇とともに増大
   する特性を有する超電導材料、左半部は超電導転移温度
   以上の温度域において、比抵抗値が温度上昇とともに減
   少する特性を有する超電導材料によって形成されたこと
   を特徴とする液面レベル計。