JPS63158422A - 液体ヘリウム液面計測装置 - 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］ 本発明は、超電導線の抵抗変化を利用して液体ヘリウム
の液面レベル（液位）を連続的に測定する液体ヘリウム
液面計測装置に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、ＮＭＲ−ＣＴ、磁気浮上など超電導マグネット
を応用した工業機器、極低温下での材料試験機、あるい
は液体ヘリウムの液化機など極低温・超電導を応用した
装置等の操作時には、極低温の液体ヘリウムが使用され
るため、液体ヘリウム液面計測装置が用いられている。

この種の従来の液体ヘリウム液面計測装置としては第４
図（要部拡大断面図）に示すようなものがあり、この装
置においては、超電導線１０１が、端子１０６ａ、　１
０６ｂにより上下方向に張られた状態で保持されて、こ
の超電導線１０１には、圧着端子１１３ａ。

１１３Ｔｈ！、　１１４ａ、　１１４ｂによりそれぞれ
第１のリード線１０４ａ、１０４ｂ、第２のリード線１
０５ａ、１０５ｂが接続されている。

なお、超電導線１０１の上端部において、第１のリード
線１０４ａと圧着端子１１３ａとの間にはコイル状のヒ
ータ１０３が介装されていて、このヒータ１０３により
超電導線１０１の上端部を電気的に絶縁しながら加熱し
、同超電導線１０１の上端部の過冷却を防止することで
、超電導１１１０１の液体ヘリウム中に浸漬されていな
い部分が常電導に保持されるようにしている。

そして、上述のような配線系全体は保護管１０２内に収
納されている。

次に、このような従来装置による液体ヘリウムの液位計
測手順について説明する。まず、容器内に一定量だけ溜
った液体ヘリウム中に装置を挿入するか、あるいは空の
容器内に装置を設置し液体ヘリウムを徐々に注入するか
して、保護管１０２内に図示しない流路孔から液体ヘリ
ウムを流入させ、超電導線１０１を液体ヘリウム中に浸
漬する。

この状態で、第１のリード線１０４ａ、　１０４ｂ間に
一定電流を流し、第２のリード線１０５ａ、　１０５ｂ
間の電圧を測定すると、その電圧値は、液体ヘリウムの
液位に対し次式に従って変化する。

Ｌ　　　　　ｖｚ ここで、Ωは液体ヘリウムの任意の液位、Ｌは超電導線
１０１の全長、ｖｎは液位Ωの時の第２のリード線１０
５ａ、１０５ｂ間の電圧値、Ｖｚは液位が零の時の第２
のリード線１０５ａ、１０５ｂ間の設計電圧値である。

すなわち、第２のリード線１０５ａ、１０５ｂ間の電圧
値ＶＡを測定することにより、既知の値りと設計電圧値
ＶＺとを用いて液位ｎが求められる。

［発明が解決しようとする問題点〕 ところで、上述の従来の液体ヘリウム液面計測装置にお
いて、（１）式に示した設計電圧値Ｖｚは、通常、超電
導線１０１の残留抵抗（超電導体が常電導、から超電導
に転移する直前の抵抗）と、超電導線１０１に流す一定
電流との積として計算により見積もられる。

しかしながら、実際の液位計測時に液面が零レベルに来
た時には、垂直に張られた超電導線１０１は全線に亘っ
て転移温度となっていることはなく、液体ヘリウムの沸
点４．２Ｋから通常液体窒素温度７７にあるいは常温３
００に程度までと大きな温度勾配を有しているのが常で
あって、超電導線１０１の抵抗温度係数が大きいため、
見積もられた設計電圧値Ｖｚの誤差が大きくなり、第５
図に示すように、計測液位に換算して最大１０％の計測
誤差が生じることになる。なお、第５図において。

実線が従来装置による計測直線であり、一点鎖線が理想
的な計測直線である。

本発明は、このような問題点の解決をはかろうとするも
ので、液面計測に際して超電導線抵抗の温度依存性の影
響を受けるのを防止して、高精度の計測を行なえるよう
にした、液体ヘリウム液面計測装置を提供することを目
的とする。

Ｃ１１ｆｆ題点を解決するための手段】このため１本発
明の液体ヘリウム液面計測装置は、超電導線と、抵抗の
温度依存性が温度変化に対して単調変化（上記超電導線
とは逆極性）するキャリプレート用線状素子とを相互に
近接した並列位置で接続して成る液体ヘリウム液位検出
部をそなえ、上記超電導線の両端間抵抗値および上記線
状素子の両端間抵抗値に基づき所要の演算を行なって液
体ヘリウム液位が変化するごとに各液位での合成抵抗値
を演算する合成抵抗値演算手段と、上記液体ヘリウム液
位が零液位時であることを検出する零液位検出手段と、
検出された零液位時における上記合成抵抗値を基準合成
抵抗値として記憶する記憶手段と、記憶された上記基準
合成抵抗値と上記合成抵抗値演算手段からの各液位時の
上記合成抵抗値とから上記液体ヘリウム液位を演算する
液体ヘリウム液位演算手段とを設けたものである。

［作　　　用］ 上述の本発明の液体ヘリウム液面計測装置では、超電導
線に例えば逆極性の抵抗温度特性を有するキャリプレー
ト用線状素子を並設するとともに、これらの超電導線お
よび線状素子の各両端間抵抗値に基づき合成抵抗値演算
手段において所定の合成抵抗値を演算することによって
、上記超電導線の抵抗温度依存性の計測に対する影響が
打ち消される。これにより、液体ヘリウム液位演算手段
において、記憶手段からの基準合成抵抗値と上記合成抵
抗値演算手段からの合成抵抗値とに基づき液体ヘリウム
液位が精度良く求められる。

〔発明の実施例〕

以下、図面により本発明の一実施例としての液体ヘリウ
ム液面計測装置について説明すると、第１図はその構成
図、第２図はその超電導線の抵抗温度特性を示すグラフ
、第３図はそのキャリプレート用線状素子の抵抗温度特
性を示すグラフである。

第１図に示すように、超電導線１と、抵抗の温度依存性
が温度変化に対して単調変化するキャリプレート用線状
素子３とが相互に近接した位置で並列に設置されている
。そして、超電導線１の下端と線状素子３の下端とは、
水平に配設された零点検出用超電導線２を介して接続さ
れており、これらの超電導線１，２および線状素子３か
ら液体ヘリウム液位検出部Ａが構成される。

また、超電導線１の上、端には電流リード線４および電
圧リード線６が接続され６．同じ超電導線１の下端には
電圧リード線７が接続されるほか、線状素子３の上端に
は電流リード線８および電圧リード線１０が接続される
とともに、この線状素子３の下端には電流リード線５お
よび電圧リード線９が接続される。

ところで、超電導線１，２としては、ＶａＧａ。

Ｔ１Ｎｂ、Ｎｂ、Ｓｎ等が用いられ、線状素子３として
は、Ｃ，Ｓｉ、Ｇｅ等が用いられ、これらの超電導線１
または線状素子３は、伸線により細線化するか。

基板上に細長い膜状に形成するかして構成されている０
本実施例では、超電導線１としてＶ、Ｇａを用い、線状
素子３としてＣを用いた場合について説明し、それぞれ
の抵抗温度係数を第２，３図に示す、これらの図から明
らかなように、超電導線１と線状素子３とでは、温度に
対する振舞が互いに逆極性となるような材質が選択され
ている。

なお、上述のような配線系全体（超電導線１，２および
線状素子３等）は、従来と同様に、図示しない保護管内
に収納されている。

一方、電流リード線５は定電流源１１．１４に接続され
るとともに、電流リード線４．８はそれぞれ定電流源１
１，１４に接続ぎれている。

また、電圧リード線７，９は差動増幅器１２に接続され
、電圧リード線６，７は差動増幅器１３に接続されるほ
か、電圧リード線９，１０は差動増幅器１５に接続され
ている。

そして、差動増幅器１２は、零点検出用超電導線２の両
端間電圧値を検出して同電圧値を出力するものであり、
差動増幅器１３は、超電導線１の両端間電圧値ｖ１を検
出してこの電圧値Ｖ工に基づいた（比例した）同両端間
の抵抗値Ｒｚ（Ｒｔｚ）を出力するものであり、また、
差動増幅器１５は、線状素子３の両端間電圧値ｖ８を検
出してこの電圧値ｖ２に基づいた（比例した）同両端間
の抵抗値Ｒ３（Ｒｚｚ）を出力するものである。

差動増幅器１２からの出力は、比較器１６に入力される
ようになっている。この比較器１６は。

差動増幅器１２からの零点検出用超電導線２の両端間電
圧値ｖ０と所定の設定電圧値ＶＳＴＤとを比較し、上記
電圧値Ｖ、が設定電圧値ＶｓτＤよりも小さい場合に液
体ヘリウム液位が零液位時であることを検出するもので
、零液位時であることを検出すると後述する演算回路１
７へ零点検出パルスを出力するものである。なお、この
比較器１６は、零点検出用超電導線２および差動増幅器
１２とともに零液位検出手段を構成している。

差動増幅器１３および１５からの出力はいずれも合成抵
抗値演算手段としての演算回路１７へ入力されるように
なっている。この演算回路１７は。

差動増幅器１３からの液体ヘリウム液位検出部Ａにおけ
る超電導線１の両端間抵抗値Ｒ□（Ｒユ２）と、差動増
幅器１５からの線状素子３の両端間抵抗値Ｒｓ（Ｒｉｚ
）とに基づき、後述する所要の演算を行なって液体ヘリ
ウム液位が変化するごとに各液位での合成抵抗値Ｒ（Ｒ
ｚ）を演算して出力するものである。

また、演算回路１７は、比較器１６から零点検出パルス
を受けると、その時点での合成抵抗値Ｒを差動増幅器１
３．１５からの抵抗値Ｒ，ｚ、　Ｒ，ｚに基づいて演算
し、その値を基準合成抵抗値Ｒ２として記憶手段として
の記憶部１９に記憶させるようになっている。

さらに、演算回路１７および記憶部１９には。

液体ヘリウム液位演算手段としての演算回路１８が接続
されている。この演算回路１８は、記憶部１９からの基
準合成抵抗値ＲＺと、演算回路１７からの各液位時にお
ける合成抵抗値Ｒとから液体ヘリウム液位ａを演算して
出力するものである。

本発明の一実施例としての液体ヘリウム液面計測装置は
上述のごとく構成されているので１次のような基本的な
原理に基づいて液体ヘリウムの液位計測が行なわれる。

即ち、本装置では、超電導線１と、この超電導線１とは
逆極性の抵抗温度依存性をもつ線状素子３とが近接して
並列に設置され、両者の長手方向温度勾配が等しくなる
ため。

両者抵抗値Ｒ１ｔＲ１の一次変換したものの差分を合成
抵抗値Ｒとしてとることにより、温度の影響を受けるこ
となく液体ヘリウムの液位が計測されることになる。

このような原理に基づき、演算回路１７では、入力され
る抵抗値ＲＬ、Ｒ，およびＲｚ　Ｆから次のような所要
の演算が行なわれ、液体ヘリウム液位が変化するごとに
各液位での合成抵抗値Ｒが演算されるようになっている
（ここで、抵抗値Ｒｚ　Ｆは。

線状素子３がその全長に亘って液体ヘリウムに浸漬され
液体ヘリウム沸点温度になった時９線状素子３の抵抗値
であり、予め計測されて記憶部１９に記憶されている）
、つまり、演算回路１７では。

下式に基づく演算を行なって合成抵抗値Ｒを求めて出力
する。

Ｒ＝Ｒ１＋　（ａ−Ｒ，＋ｂ）　　・−−−（２）ここ
で、定数ａは、超電導線１および線状素子３の材質によ
って決まる固有な定数で、後述する手段により定められ
る。また、定数すは、本装置により計測される最大液位
時にＲ＝Ｏとなるように設定すべく、Ｒ＝ＯのときＲ，
＝Ｏ（最大液位時に超電導線１は全長超電導状態となっ
ているため）という条件から、ｂ＝−ａ−Ｒ，Ｆとなる
。

従って、上記（２）式は、 Ｒ＝Ｒ１＋ａ（Ｒｚ−Ｒｔｒ）　　−−−−（ｏｎとな
る。

このような所要の演算機能を有する演算回路１７をそな
えた本装置により、実際に液体ヘリウムの液位を計測す
る場合には、まず、定電流源１１゜１４から電流リード
線４，５．８を通じて超電導線１，２および線状素子３
に、それぞれの固有特性で決まる定電流を流しながら、
容器内に一定量だけ溜った液体ヘリウム中に装置を挿入
するか。

あるいは空の容器内に装置を設置し液体ヘリウムを徐々
に注入するかして、図示しない保護管内に図示しない流
路孔から液体ヘリウムを流入させ。

超電導線１，２および線状素子３を液体ヘリウム中に浸
漬する。

この状態で、液体ヘリウムの液位が本装置における零点
に到達すると、零点検出用超電導線２の抵抗値がある一
定値から急に零となり、差動増幅器１２からの出力電圧
値Ｖ、が零になる。このため、比較器１６において、電
圧値ｖ０が設定電圧値ｖｓ’ｒｏよりも小さいと判断さ
れ、この時点が液体ヘリウム液位の零液位時であるとし
て、比較器１６は演算回路１７へ零点検出パルスを出力
する。

このパルスが演算回路１７に入力されると、その時点つ
まり液体ヘリウム液位の零液位時における超電導線１の
両端電圧値Ｖ、および線状素子３の両端電圧値Ｖ、にそ
れぞれ比例した抵抗値Ｒ１゜Ｒ２が、抵抗値Ｒｔｚ、　
Ｒ２ｚとして差動増幅器１３゜１５から演算回路１７へ
出力される。そして、演算回路１７において、液体ヘリ
ウム液位の零液位時における合成抵抗値Ｒ２が上記（３
）式により演算され［Ｒｚ−Ｒ，ｚ＋ａ−（Ｒ，ｚ−Ｒ
ｚＦ）］、この合成抵抗値Ｒ２は基準合成抵抗値として
記憶部１９に記憶される。

これ以降（液体ヘリウム液位が零点以上の時）の液位計
測時には、液体ヘリウム液位が変化するごとに各液位で
の電圧値ｖ１およびｖ２にそれぞれ比例した抵抗値Ｒ□
、Ｒ２を、差動増幅器１３．１５から演算回路１７へ出
力して、この演算回路１７において、各液位における合
成抵抗値Ｒを上記（３）式により演算し演算回路１８へ
出力する。

そして、この演算回路１８において、演算回路１７から
の合成抵抗値Ｒと記憶部１９からの合成抵抗値ＲＺとに
基づいて、下記（４）式により液体ヘリウム液位ａが演
算圧力される。

次に、（２）、　（３）式における定数ａの定め方と、
本装置により超電導線１の抵抗温度依存性の影響を無視
できることとについて説明する。

今１本装置で液位を計測する場合に、液位が、ｈ（超電
導線ｌの下端つまり零点力）らの距＃）から微小量Δｈ
だけ増加して、ｈ＋Δｈになった時の抵抗値の増加を考
える。超電導線１における抵抗となる。ただし、Ｓｌは
超電導線ｌの断面積、Ｌは超電導線１の全長、／’、（
ｈ、Ｑ）は超電導線１の比抵抗、崖は超電導線１の下端
を基準とした垂直上方の位置座標、Ｔ、は液体ヘリウム
の沸点温度である。

また、線状素子３における抵抗増加分をΔＲ８となる。

ただし、Ｓ８は線状素子３の断面積。

ｐｚ（ｈ−Ω）は線状素子３の比抵抗である。

そして、このときの合成抵抗値Ｒの増加分ΔＲを考える
と、（３）式より。

ΔＲ＝ΔＲ，＋ａ・ΔＲ２ 一□・Ｐユ（Ｔ、）Δｈ Ｓ□ となり、液位の増加分Δｈに対する増加割合を考えると
、 となる、ここで、超電導線１および線状素子３の垂直方
向の位置座標ρに対する温度分布は等しい。

即ち、　Ｔ＝Ｔ（ｈ、　Ｑ）として、Ｐ、（ｈ、　Ｑ）
＝Ｐ□（Ｔ）。

Ｐ＊（ｈ、Ω）＝／’！（Ｔ）で表せる。

従って、 となる、ここで、ＴＲＴは常温（約ｓ　ｏ　ｏ　Ｋ）で
ある。

ところで、超電導［１および線状素子３の抵抗温度依存
性は、第２，３図に示すように、それぞれ温度に対して
単調増加および単調減少しているので、液体ヘリウムの
沸点温度（約４．２Ｋ）から常温（約３００　Ｋ）に亘
って、（ｄ／、／ｄＴ）の符号は常に正、（ｄ／）、／
ｄＴ）の符号は、常に負となる。従って、定数ａの値を
、 と設定することにより、（５）式の第１項を消去できる
。つまり。

となり、液位の増加に対する合成抵抗値の減少割合は温
度に依存せず、一定であることがわかる。

即ち、温度依存性の影響は無視できるのである。

各温度により、（６）式で求める定数ａが変化する場合
には、温度範囲をいくつかに区切って、その範囲ごとに
（６）式となる定数ａを決め積分すればよい。

このように本実施例の装置によれば、液体ヘリウム容器
内の温度分布がわからなくても、超電導線１と、この超
電導線１とは逆極性の抵抗温度依存性をもつ線状素子３
との温度分布が等しくなることから、予め定数ａを設定
し記憶部１９に記憶させておけば、温度依存性の影響を
無視でき、液位計測に際して超電導線抵抗の温度依存性
の影響を受けるのが防止されるので、高精度の計測を行
なえる利点がある。

また、液体ヘリウム容器内の温度分布に依存することな
く液位計測が行なわれるので、どのような構造や寸法の
液体ヘリウム容器にも、本装置は適用され、液体ヘリウ
ム液面計測装置としての汎用化を実現できる利点もある
。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の液体ヘリウム液面計測装
置によれば、超電導線にキャリプレート用線状素子を並
設して、これらの超電導線および線状素子の各両端間抵
抗値に基づき合成抵抗値演算手段において所定の合成抵
抗値を演算し、液体ヘリウム液位演算手段において、記
憶手段からの基準合成抵抗値と上記合成抵抗値演算手段
からの合成抵抗値とに基づき液体ヘリウム液位を演算す
るように構成したので、液面計測に際して超電導線抵抗
の温度依存性の影響を受けるのが防止され、高精度の計
測を行なえる効果がある。

また、液体ヘリウム容器内の温度分布に依存することな
く液位計測が行なわれるので、どのような構造や寸法の
液体ヘリウム容器にも本装置を適用することができ、液
体ヘリウム液面計測装置としての汎用化を実現できる効
果もある。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の一実施例としての液体ヘリウム液
面計測装置を示すもので、第１図はその構成図、第２図
はその超電導線の抵抗温度特性を示すグラフ、第３図は
そのキャリプレート用線状素子の抵抗温度特性を示すグ
ラフであり、第４゜５図は従来の液体ヘリウム液面計測
装置を示すも゛ので、第４図はその要部拡大断面図、第
５図は従来装置による計測誤差を示すグラフである。 図において、１−超電導線、２−零点検出用超電導線、
３−キャリプレート用線状素子、４，５−電流リード線
、６．７−電圧リード線、８−ｆ４流リード線、９，１
〇−電圧リード線、１１一定電流源、１２．１３−差動
増幅器、１４一定電流源、１５−差動増幅器、１６−比
較器、１７−合成抵抗値演算手段としての演算回路、１
８−液体ヘリウム液位演算手段としての演算回路、１９
−記憶手段としての記憶部、Ａ−液体ヘリウム液位検出
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超電導線と、抵抗の温度依存性が温度変化に対して単調
   変化するキャリプレート用線状素子とを相互に近接した
   位置で並列に接続して成る液体ヘリウム液位検出部をそ
   なえ、同液体ヘリウム液位検出部における上記超電導線
   の両端間抵抗値および上記キャリプレート用線状素子の
   両端間抵抗値に基づき所要の演算を行なって液体ヘリウ
   ム液位が変化するごとに各液位での合成抵抗値を演算す
   る合成抵抗値演算手段と、上記液体ヘリウム液位が零液
   位時であることを検出する零液位検出手段と、同零液位
   検出手段によって零液位時であることが検出されたとき
   の上記合成抵抗値を基準合成抵抗値として記憶する記憶
   手段と、同記憶手段で記憶されている上記基準合成抵抗
   値と上記合成抵抗値演算手段で演算された各液位時の上
   記合成抵抗値とから上記液体ヘリウム液位を演算する液
   体ヘリウム液位演算手段とが設けられたことを特徴とす
   る液体ヘリウム液面計測装置。