摘 要：在超导布线系统中，电流引线起到了至关重要的作用，它是将超导磁体系统与室温电源连接在一起的枢纽，为磁体系统稳定供电。电流引线罐是电流引线安装固定的容器，罐内低温液体能将引线冷却至低温超导状态，其内部分为液氮区和液氦区，且处于强磁场环境。针对这种复杂环境下液氮液位的测量，提出了能在恶劣环境下工作的真空激光反射法，以确保电流引线罐液氮液位处于安全范围内。
关键词：电流引线；低温超导；液位测量
0 引言
图1所示为5对电流引线罐内部示意图。每根电流引线分为上下两段，上段正常运行温度为78 K，用液氮冷却，下段采用4 K超临界氦流冷却。实验准备阶段，给电流引线罐中的液氮槽充注液氮。待氮槽液面上涨至设定值后，进液阀切换至液位自动控制回路[1]。阀门将根据实际液位进行调整，维持液位在20 cm附近（允许上下误差10 mm），确保电流引线上端得到充分冷却，杜绝因冷却不足导致失超。
图1 5对电流引线罐内部示意图
电流引线罐内部是一个复杂的测量环境，处于超低温并伴有强磁场，对液位传感器提出了较大挑战[2]。在2017年之前，使用的是机械浮子式与压差式并行测量系统，但得到的实验数据差异较大，浮子式传感器使用寿命也较短，现需改进这种测量方法。如何精准地测量液氮液位，成为目前电流引线罐急需解决的难题。
1 真空激光反射法方案
激光传感器因具有测量精度高、测量速度快、方向性好、设备结构简单等优点而受到广泛关注[3]，但将激光应用在液氮液位测量上，目前较为少见。主要的技术难点在于液氮是无色透明液体，激光束很难得到高强度的反射光；并且液氮的低温性容易造成激光发射端镜片结霜，影响测量精度。本方案将机械浮子式与激光传感器结合在一起，让激光束竖直打在浮子上，从而得到一定强度的反射光。
激光测距的原理很简单，利用了光的反射现象，先计算出发射端到反射端之间的距离H，再测量传感器本身到容器底部的距离H1，最后通过信号转换电路得到容器底部到水面的距离，即液位h：
图2所示为整个系统安装的示意图，激光物位计安装在罐体上方。该传感器的精度高达±1 mm，测程为0.1～80 m。浮子采用的是耐腐蚀性、不透光强的不锈钢材料。浮子在竖直方向受导管的限制，随液氮液位的升降而上下移动，从而将液位信息通过激光传输出去。同时，为避免液氮在罐体中的波动造成液位瞬间变化，应在导管四周开有孔洞，以减小液氮波动幅度，提高测量准确度。真空罩的作用是防止透光的K9玻璃出现结霜现象，由真空泵抽成真空或填充氮气，保证激光能顺利打在液面浮子上。真空罩与电流引线罐体采用快接法兰连接，方便装拆。
2 液氮液位测量实验
两种液位传感器的输出信号均为4～20 mA的电流信号，整个实验系统的硬件组成如图3所示。
图2 激光测量系统结构示意图
图3 测量系统组成示意图
西门子PLC S7-200系统是整个系统的控制核心，主要功能如下：产生触发脉冲，驱动传感器的正常工作；将传感器输出信号转换成电压信号，通过计算获得液位示数；输出信号至LED显示[4]。
3 电流信号的转换
实验系统选用的PLC型号是只能识别电压信号的CPU 224XP，因此需串接一个500Ω的电阻，转化为2～10 V电压信号，对应液位0～600 mm。根据224XP的输入特性，10 V单极性输入的分辨率为2.5 mV。则数字量的分辨率为：
S7-200系列PLC经A/D转换后的数字是12位，利用一个字来存放转换后的数据。对于单极性输入来说，把数据保存在字的第3位与第12位当中，这就相当于把数据乘8。因为低三位为0，相当于数据左移3次，这样转换后的模拟量单极性为6 400～32 000，实际的转换精度为12位0～4 095，为了计算方便，取实际分辨率为4 000，乘8后得到的数值为32 000。综上，得到以mm为单位的实际液位示数为：
式中，AIW为模拟量输入通道地址。
图4所示为西门子PLC部分程序，其中AIW是模拟量转数字量的输入端，通过运算转换为以mm为单位的液位示数，保存在寄存器LD4中。
图4 PLC部分程序
4 标定系统组成
液氮是低温液体，在常温下具有挥发性。为保证标定系统的准确性，应该选用一款贮存型的液氮杜瓦瓶（表1），减少氮蒸发带来的实验误差。
表1 液氮杜瓦瓶性能参数
图5所示为整个标定实验系统组成，将射频导纳液位计和激光液位计安装在同一个杜瓦瓶，排除不同环境因素的干扰。首先将液氮注入杜瓦瓶中，用液氮标尺测量此时杜瓦瓶内液氮的高度，结合相应数据大小用最小二乘法拟合液位计灵敏度。再通过阀门的开闭，增加杜瓦瓶中液氮容量。阀门开启时间固定为10 s，将每组标尺示数作为实验真值。每个采集点读取10次，去掉其中的最大值和最小值后取平均值，以消除误差。
图5 标定实验系统组成示意图
5 数据采集系统
数据采集系统的核心是S7-200型PLC，选用的是CPU 224XP。因为该型号的PLC自带2个模拟量输入接口和1个输出接口，无需添加模拟量扩展模块。模拟信号变化幅度在2～10 V之间，因此选用224XP进行模数转换，它是一款高速、低功耗12位数模转换器，采用24 V直流电源供电，可以接收的模拟量输入范围为±10 V。
数据采集系统的处理程序主要包括系统标定和液位显示两个部分：系统标定是确定数字量与实际液位值的关系式；液位显示实现位移值的输出，包括采集系统中的上位机显示。
6 结语
本文主要针对电流引线罐中液氮液位的实时测量设计了两种方案，分别是用射频导纳法测量和用激光反射法测量。实验结果表明：在量程为600 mm以下时，运用激光传感器进行液位测量精度更高，满足电流引线罐的实时液位监控精度要求。
本液位检测系统适用于低温、强磁场环境下的液位测量，较传统的机械浮子式测量系统具有性能稳定、使用寿命长等优势。其中，信号处理使用西门子PLC，有助于增强信号的抗干扰能力，提高检测精度。整个测量系统结构简单，精度较高，对低温液体的液位测量具有广泛的适用性。
