一种气压滤波器及其设计方法和应用技术

本发明专利技术属于一种在计量过程中的一种计量仪器及其方法，尤其涉及一种在计量系统中滤除气压波动干扰的气压滤波装置及其设计方法和应用。一种气压滤波器的设计方法，所述方法根据等效于电学ＲＣ低通滤波器原理，设计的气压滤波器包括空杜瓦瓶和细管道；所述气压滤波器设置在测量系统的杜瓦瓶气体出孔和气体回收气柜之间，用于克服由于原系统气压波动而产生的测量影响；当把所述的气压滤波器插入装有低温电流比较仪的杜瓦瓶与回收气柜之间，就能明显地滤除气柜气压的波动对低温电流比较仪测量状态的干扰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种在计量过程中的一种计量仪器及其方法，尤其涉及一种在计量系统中滤除气压波动干扰的气压滤波装置及其设计方法和应用。
技术介绍
在计量系统中，由于流体从排出孔输入进流体回收柜，以及从回收柜重新压入储罐的过程中往往由于流体压力的波动等原因，经常带来计量系统的冲击和干扰，影响测量精度。尤其在低温电流比较仪中，采用SQUID作为微弱磁通探测器件。其作用原理是基于对单个磁通量子φ0(约10-15Wb)的检测，再利用反馈锁定技术，灵敏度应可达到10-5φ0/Hz1/2(约10-20Wb/Hz1/2)量级。但事实上这样的高灵敏度并未达到过，原因是实际运行的低温电流比较仪中SQUID输出了10-3φ0/Hz1/2量级的噪声，比预期的噪声大了约两个数量级。目前也未见到国内外有文章对此种异常情况进行分析探讨。SQUID是一种极为灵敏的磁通检测仪器，如果不进行仔细的屏蔽防护，普通实验室中的杂散干扰磁场将会使SQUID不能正常工作。在实际操作中，为了防护外界的干扰磁场，附图1中所示的低温电流比较仪的比例绕组线圈W1和W2、检测线圈L、输入线圈Li及SQUID的探头部分均放入用超导材料制成的圆筒中。这个超导圆筒就是低温电流比较仪的外超导屏蔽。从理论上来说，外超导屏蔽圆筒最好是完全密封的。因为根据超导体的迈斯纳效应的理论，一个封闭的超导屏蔽的内部是不会有干扰磁场的。但是实际上外超导屏蔽圆筒不可能是完全密封的，总需开有出口供比例绕组的引线及SQUID的输出电缆等接线通过。当整个外超导屏蔽圆筒装配体浸入液氦中时，圆筒上还需要开一个或两个通气孔，使液氦能进入圆筒以冷却其内部的各个线圈及SQUID探头使之进入工作状态。液氦气化后形成的氦气也需从这些通气口排出而回到回收管道系统中。但正是由于这些出口及孔的存在，这些超导屏蔽就不再是完整的密封屏蔽。理论与实践均证实，当这些超导屏蔽在浸入液氦而转变成超导态时，在出口及孔的周围会形成以出口及孔为中心的超导电流环路。同时，附图1中已画出的比例绕组的超导屏蔽的外表面上也会感应出超导电流回路。以上所说的这些超导电流所形成的磁通会与检测线圈耦合，形成干扰信号。由于在超导体中流动的超导电流是不会衰减的，与其相应的磁通也不会衰减，一般就形象地把这样的磁通称之为冻结磁通。如果冻结磁通是静止不动的，则它对我们要进行的电阻测量过程来说仅仅是一种不变的直流干扰，这样的干扰对测量过程的影响其实很容易消除。例如我们可以改变比例线圈中的电流的方向，把与两种方向相应的测量结果平均起来，就可消除直流干扰的作用。但是实验表明，即使进行了这样的操作，冻结磁通的影响还不能全部消除而会留下一定的随机分量。尽管这样的随机分量在绝对数量上已经相当小，但仍是远远超过SQUID本身的噪声而成为有影响的干扰源。对实验现象分析后，这种随机分量来源于冻结磁通在空间中的位置不停地有不规则的微小移动。因为进入液氦容器以及外屏蔽圆筒的液氦并不是静止不动的，它会随着外界热量的侵入和超导电流比较仪工作时的发热而沸腾挥发，在超导屏蔽内外不断造成微小的压力差。另一方面，因为铅材料有一系列的优点，目前各实验室均采用铅皮作为超导材料制作这些超导屏蔽。首先是铅的临界温度高(7K左右)，在液氦温度(4.2K)下工作稳定。而且铅材料的柔延性好，易加工成任意形状，还可以用普通焊锡(在液氦温度下也是一种超导材料)焊接。同时，铅材料价格也很便宜。但是对于制作超导屏蔽来说，铅材料也有一个较大的缺点，即其刚性较差，受力时容易变形。由于液氦沸腾挥发而在超导屏蔽内外造成的压力差就会使超导屏蔽不断发生微小变形，引起冻结磁通的空间位置也随着不断发生很小的变化，反映到检测线圈中就成为一种随机噪声。实际观察到的实验现象与以上的分析是一致的。在液氦刚灌入容器的头一天中，由于容器内的各部件还未充分冷却，液氦的沸腾现象很激烈，SQUID输出端观察到的噪声很大，整个系统无法正常工作。两三天后，液氦的沸腾逐渐减弱，噪声也随着减小。如果又在容器中插入某个较热的部件而使液氦沸腾再次加剧，噪声也会又变大起来。当此部件冷却后，液氦沸腾恢复原来的状态，噪声也再次减小。这些现象用以上关于冻结磁通的分析都能很好地解释。此外，当与液氦容器相连的氦气回收管道及储气罐中的气压发生某种变动时，在SQUID的输出端也立即能观察到相应的干扰信号，这也与此处的分析相一致。一般说来，为了避免由于液氦沸腾引起的氦气气压波动而导致的附加干扰，在装置低温电流比较仪的杜瓦瓶中灌满液氦后要等一两天才开始测量。此时液氦的挥发已经比较平稳。杜瓦瓶中的氦气气压波动主要是由于氦气回收管道及储气罐中的气压不稳定而引起的。由于氦气是一种价格昂贵的气体，从杜瓦瓶中挥发出来的氦气要通过回收管道送入回收气柜，如附图2所示。当气柜被回收的氦气充满时，就应把气柜中的氦气压入储存钢瓶中。实验中发现，每当对回收气柜进行压气操作时，测量系统受到了显著的影响，测试数据上下剧烈波动，严重时甚至会超出量限，测量过程无法进行，如附图3所示。即使未对气柜进行人为操作，在回收氦气的过程中气柜内的压强也会产生一定的波动而对测量过程产生冲击。实际气柜的顶端有一个浮动盖。气柜中回收的氦气逐渐增加时，其压强也随着增加。当此压强产生的向上推力大于浮动盖的重量和周围的摩擦力时，浮动盖就会突然上升一小段距离而使压强恢复到平衡值。此种过程不断反复，气柜中的压强就产生周期性的变化。这种变化通过回收管道传回到实验杜瓦中，也会对测量过程产生影响。如果把杜瓦瓶与气柜断开，把氦气直接排到大气中，可以避免气柜压强变动的冲击。但大气压也在时刻发生着微小的波动，会对测量过程发生影响。附图4是把杜瓦瓶直接与大气相通时的实验曲线。此时的测试数据分散如麻点状，说明大气压的微小变化对于杜瓦中的测量系统也是不可忽视的。虽然冲击不是很剧烈，但是造成的数据分散性仍很大。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述计量仪器中附加噪音的问题，尤其是从实验上对低温电流比较仪中的附加噪声问题进行了探索，发现此种附加噪声与放置低温电流比较仪的杜瓦瓶中的氦气气压有极为密切的关系。据此提出了一种减少此种附加噪声的装置和方法。本专利技术的
技术实现思路
是一种气压滤波器，设置在测量系统的杜瓦瓶气体出孔和气体回收气柜之间，用于克服由于原系统气压波动而产生的测量影响；所述气压滤波器包括气压滤波装置和连接部件；所述气压滤波装置包括气压滤波瓶，所述连接部件包括一组连接导管。所述的气压滤波瓶通过进气导管与测量系统的杜瓦瓶出气孔连接，且气压滤波瓶通过出气导管与回收气柜连接。所述气压滤波瓶的容积满足V0=p0τRv]]>其中，V0是气压滤波瓶体积，RV是管道阻抗，τ是滤波时间常数，p0是空瓶的气压；所述连接导管的管道内半径满足Δp=81ηπr4ρ]]>其中，Δp是连接导管后气压滤波瓶中的气压变化量，r是管道内半径，η为流体的粘滞系数，l是连接导管的长度，ρ是流过管道的流体的流量。在具体的应用中，所述气压滤波器用于低温电流比较仪的测量系统中。且在低温电流比较仪中，所述气压滤波瓶的容积为90升，所述连接导管的管道内半径为0.1mm。一种气压滤波器的设计方法，所述方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气压滤波器，设置在测量系统的杜瓦瓶气体出孔和气体回收气柜之间，用于克服由于原系统气压波动而产生的测量影响；所述气压滤波器包括气压滤波装置和连接部件；所述气压滤波装置包括气压滤波瓶，所述连接部件包括一组连接导管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张钟华，贺青，李正坤，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]