低温液位计 本发明是专门为精确地监测和控制处于低温容器之中液体的液面变化而研制的一种高分辨低温液位计。
目前，用来测量低温液体液面的方法虽然很多，其中电阻式和电容式液位计具有可以输出连续的电压或电容信号，用于测量、观测和控制液面。但是，它们均存在灵敏度差，分辨率低，使用寿命短等缺点，不能满足科研和工业生产的迫切需求。
本发明的目的旨在克服现有液位计所存在的缺点，根据锗二极管当有稳恒电流在其中通过时，它在低温流体汽液两相中的输出电压具有明显的差异等特性，制成一种新型的低温液位计，具有分辨率高、复现性好、热损耗小、结构简单、使用方便、价格低廉等优点。
本发明由锗二极管液位传感器、毫安级恒电流控制电路及数字电压表(或数字显示万用表)组成。
图1是本发明的结构原理图。
图2是本发明的电路图。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细的说明。
参照附图，本发明包括一定位板(5)，定位板上配置有至少两个串联的二极管组(1)，二极管组(1)和一恒流源(2)相串接，同时和一数字电压表(3)相并联。本发明的最佳实施例为点接触式二极管，所说的定位板(5)可以是交叉的两块平板或者是圆筒壁或直杆。恒流源(2)的电流范围为40～100mA。另外，图中，(4)是配置在二极管组(1)之外的挡板，阻止沸腾气泡和二极管组(1)直接接触。
使用时，将定位板(5)及其上的二极管组(1)竖直放置在容器中，当容器中的液位变化时，一部分二极管浮出液面，处在气相中，由于气体的换热系数较小，液体的换热系数较大，致使气相中的二极管因自热效应产生的温升较高，所以气相中的二极管正向输出电压较低。如果浮出液面的二极管越多，则二极管组的总地输出电压就越低，由此根据总输出电压的大小，就可以判断哪些二极管已经浮出液面，从而可以测量出液面的高度。
本发明的工作原理是：实验研究发现，对二极管(1)通以一定大小的工作电流(此工作电流由一恒流源(2)提供)，二极管本身会产生一定大小的自热效应，二极管的正极就会输出一定大小的正向电压。正向电压的大小可由并联在电路中的数字电压表(3)来测量。随着二极管所处的流体的温度的不同，二极管所输出正向电压的大小也随之发生相应的变化。利用二极管这种温度特性，可以制成二极管温度计，用来精确地测量流体的温度，这一事实已被国内外许多研究者所证实。
但是，利用二极管这种温度特性研制成低温液位计，以达到精确地监测和控制低温液位的目的，却尚无人进行此项研究。实际上，由于热量在液相中的传递速度远比在气相中的传递速度快。因而，二极管在液相中的温升要比在气相中的温升小，而二极管的正向输出电压与其自身的温升成负效应关系。这样，二极管在液相中的正向输出电压就比它在汽相中的输出电压小。因此，我们利用二极管在汽液两相中因传热性能的不同而引起正向输出电压的变化，就可以达到测量液位高低的目的。如果在线路中安置一控制机构，就可以十分方便地自动控制和维持某一液面。实验研究表明，锗二极管在低温流体汽液两相中的正向输出电压的变化十分明显。在液氮和气氮中的正向输出电压差值达0.2V左右，为电阻式液面计分辨率的5～10倍。因而，采用锗二极管研制成的低温液位计具有分辨率高、性能稳定可靠、液位的测量精度高、安装、使用简便等特点，能够很好地满足低温领域中的科研和实际生产的需要。
为了保证锗二极管的正常工作，使液面计始终保持高分辨率，精确测量和控制液位的目的：(1)必须保证本发明中所包括的恒定电流控制电路的稳定、可靠的性能。因为锗二极管只有在稳定大小的工作电流下，产生一定大小的自热效应，才会使二极管在经过低温流体汽液两相界面时所输出的正向电压值具有明显的差异。否则，如果工作电流过小，例如，当工作电流为400微安时，锗二极管在液氮和气氮中输出的正向电压差值仅10毫伏，分辨率很低，根本无法进行精确的液位测量。当然，当工作电流过大时，二极管本身的自热效应就会过大，容易烧毁二极管或缩短其使用寿命。因此工作电流既不能过小也不能过大。本发明的最佳工作电流为40～100mA。(2)二极管(1)的体积和热惯性大小将直接影响液位测量的精度，为此，本发明选用点接触性锗二极管，它是由一根很细的金属丝压在光滑的半导体薄片上构成的，金属丝为正极，半导体薄片为负极。这种二极管密封在玻璃壳内，体积小，热惯性小。当二极管通以稳恒电流时，有明显的自热效应。(3)使用本发明来测量正在沸腾的低温流体的液面时，液面计的外部需加一挡板(5)，这是用来挡住因加热而激烈沸腾的汽液两相流体的冲击，使锗二极管处于较为平静的液体(液氮)区，以便准确地测量和控制低温流体的液面。否则，锗二极管液位计将无法正常工作。(4)锗二极管组电路中的锗二极管的数目必须限制在1～7只范围内，以保证恒流源的正常工作。(5)如果所需要控制的液面高度范围较大，当仅用一个锗二极管液位计不能满足液面测量的需要时，则可以用二个或三个锗二极管液位计紧挨在一起，分别用几个恒流源控制即可。
本发明可适用于低温流体，也可适用于中温及常温流体。