面向超導釘扎磁浮的液氮液位檢測方法研究現狀*

鄭珺,溫鵬,胥譯歡

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,四川 成都,610031

1 引 言

隨著社會的發展,在交通運輸方面,能源成本與時間成本成為人們最為關注的問題,人們殷切期待著更加高速、綠色且經濟的交通運輸系統.相較于傳統輪軌交通系統,磁懸浮技術突破了傳統輪軌黏著、摩擦極限等因素的制約,具有低能耗、無磨損、污染小和安全可靠的優勢,成為各國先進軌道交通發展的關鍵技術[1].其中,超導電動磁浮和超導釘扎磁浮技術分別采用不同形式的超導磁體作為車載懸浮單元,是超導磁浮交通的主要備選形式[2].

如圖1(a)所示,超導電動懸浮(Electrodynamic Suspension,EDS)基于動生原理,利用車載超導線圈磁體與兩側直立式軌道8字型零磁通線圈之間的磁斥力克服重量實現穩定懸浮[3].日本低溫超導電動磁浮的車載低溫超導磁體,采用Nb Ti合金低溫超導線材,需要使用4.2 K液氦(-269℃)浴冷以獲得較好的超導性能.倘若低溫容器內部液氦余量不足,導致超導磁體溫度上升,進而造成超導磁體線圈恢復常導態,電阻升高,大載流的超導線圈會產生大量焦耳熱導致線圈斷裂而懸浮失效,發生危險事故[4].4.2 K液氦的深冷環境需求下,超導電動磁浮的車載NbTi磁體低溫制冷系統組成復雜,如圖1(b).

圖1 EDS車結構示意圖(a)與車載低溫容器示意圖(b)Fig.1 Schematic diagram of the EDS vehicleand its cryostat

超導釘扎磁浮(Superconducting flux-pinning magnetic levitation,SML)基于感生原理,利用車載高溫超導塊材的強磁通釘扎特性與地面永磁軌道外場間的電磁相互作用在宏觀上產生懸浮力、導向力而實現列車的垂向懸浮、橫向導向[5,6].如圖2所示,高溫超導釘扎磁浮車載磁體采用的是高溫超導塊材(通常為YBaCuO塊材,臨界溫度92 K),僅需要利用制冷系統將超導塊材冷卻到臨界溫度92 K以下.按照是否包含制冷機、液氮和循環泵將制冷系統分為液氮浸泡式、傳導冷卻式、自然對流循環式和迫流循環式.由于92 K高于價廉的液氮(77 K)溫度,目前各國的高溫超導釘扎磁浮各式試驗樣車[2,5,6]的車載制冷系統均采取液氮浸泡的方式.使用77 K液氮(-196℃)浴冷時超導塊材就可獲得較好的超導懸浮性能,滿足工程化應用要求.目前車載液氮杜瓦(圖2(b))一次性灌滿液氮后,靜態情況下可連續使用長達26個小時.倘若低溫容器內液氮余量不足,也必然導致YBaCu O塊材溫度上升超出臨界溫度92 K,車體懸浮失效,進而引發車體砸軌或脫軌等安全事故[7].同時,一些飛輪存儲[8-10]、磁懸浮軸承[11]等系統中的超導體單元同樣采用液氮浴冷的方式,其穩定的低溫環境也是其安全運行的前提.

圖2 SML車結構示意圖與車載低溫容器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the SML vehicle and its cryostat

可見,和其他超導技術應用[12-14]一致,可靠、穩定的低溫環境也是液氮浴冷式超導釘扎磁浮應用實現穩定、安全懸浮導向運行的首要前提.由圖2(b)所示,高溫超導釘扎磁浮車載低溫容器具有真空夾層,用于盛裝液氮的低溫容器內部尺寸十分有限,使得車載容器內部的液體液位檢測變得更加困難,目前并未有過多的文獻報道.

2021年1月13日,如圖3所示,首個高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在西南交通大學正式啟用,標志著我國高溫超導釘扎懸浮工程化研究從無到有,具備了工程化試驗線條件.隨著高速運行試驗需求的不斷攀升,針對高溫超導釘扎磁浮車載超導懸浮體的液氮液位檢測方法探索和研發顯得十分的迫切.2019年起,本課題組利用鉑電阻(PT100)傳感器研究了液氮在低溫恒溫器中的靜態蒸發特性[15,16],如圖4所示.然后,根據溫度與液氮質量的關系,建立了系統狀態方程和觀測方程,并采用卡爾曼濾波(Kalman filtering,KF)算法對隨機干擾下的測量數據進行處理[16],實現了了低溫杜瓦內液氮液位的實時檢測.此外,還設計了一種智能型液氮自動充裝控制器,并在超導釘扎磁浮環形實驗線[5,16]和工程化樣車上實施測試.在這些研究的基礎上,本文將從高溫超導釘扎磁浮列車環境、車載低溫容器結構特點出發,進一步對現有的低溫液體液位檢測方法進行分析,提出6種可行性較高的液位檢測方法,并討論各自檢測方法適用性及特點.最后基于我國高溫超導釘扎磁浮列車的研發需求,結合本課題組基于Kalman濾波算法的鉑電阻傳感器液氮液位計的研究工作[15,16],總結給出3種在高溫超導釘扎磁浮領域內適應性較強、值得進一步發展的低溫容器液氮液位檢測技術.

圖3 超導高速釘扎磁浮工程化樣車及試驗線Fig.3 Superconducting high-speed flux-pinning maglev engineering prototype vehicle and testing line

圖4 液氮液位檢測實驗及原理圖Fig.4 Liquid nitrogen level detection experiment scence and schematic diagram

2 液體液位檢測方法

2.1 液體液位檢測發展概況

在現代工業生產中,液位檢測需求幾乎遍及所有生產領域,例如航空航天、醫療、汽車、油站、超導設備等諸多領域.根據液位檢測原理,可以將液位檢測方法分為接觸式液位計和非接觸式液位計.接觸式液位計主要是以機械、振動、電學、力(浮力、壓力)等原理為基礎,通過儀器感受原件與被測液體直接或間接接觸的方式,獲得液位參數信息,主要包括電容式液位計[17]、超導體液位計[18]、伺服型浮子液位計[19]、電阻式液位計[20]、二極管傳感器液位計[21]、鉑電阻傳感器液位計[22]、磁致伸縮液位計[23]和壓差式液位計[24]等.非接觸式液位計主要是以超聲波、電磁波、光法等原理為基礎,主要包括超聲波液位計[25]、電磁波液位計[26,27]和新型液體閃爍液位計[28,29].總體來說,針對存儲于不同尺寸容器內部的常溫液體,如水、汽油等,上述液位檢測方法均可實現高精度的液位檢測.

然而,對于低溫領域使用廣泛的低溫液體,如液氦、液氧、液氮,常壓下的沸點分別為4.2 K、90 K和77 K,則會帶來設備凍結、氣液界面不明顯等狀況,對常規的液位檢測帶來干擾和挑戰.因此,目前常用于低溫液體液位檢測的方法主要有超導體液位計[18]、改良型電容式液位計[30]、光纖傳感器液位計[31]、二極管傳感器液位計[21]、鉑電阻溫度傳感器液位計[22]、電阻式液位計[20]、壓差式液位計[32]、超聲波液位計[33]、電磁波液位計[27]和磁致伸縮液位計[34].

2.2 針對高溫超導釘扎磁浮應用需求分析和初選

目前高溫超導釘扎磁浮車面向高速方向發展,其動態運行過程將不可避免地出現動態加速、減速、振動及停車等復雜工況,其車載低溫容器內液氮也會隨之發生液面晃動、沸騰及飛濺現象,導致大多數液位檢測方法直接受到影響,產生虛假液位[35].對于電阻式液位計、二極管傳感器液位計、鉑電阻溫度傳感器液位計而言,液面晃動和沸騰均容易產生一個較高的虛假液位,導致未浸入液體部分的傳感器接觸到晃動或飛濺的液氮,因此檢測到的液位偏離真實值,動態工況下的液位檢測精度不理想.對于二極管傳感器液位計與鉑電阻溫度傳感器液位計,傳感器受到的液氮飛濺是隨機發生的,通過合理的濾波優化可以消除這種影響[15,16].

如圖2所示,高溫超導釘扎磁懸浮列車的車載低溫容器是處于磁軌的磁場環境中的,在高速運動狀況下,磁軌不平順及其他電磁干擾下導致低溫容器周圍的電磁環境變化加劇.因此,應用于這類中高頻電磁環境下的液位檢測設備必須具有抗電磁干擾的能力.改良型電容式液位計、超聲波液位計、光纖傳感器液位計、鉑電阻傳感器液位計和二極管傳感器液位計都具有良好的抗電磁干擾能力.而超導體液位計、電磁波液位計受磁場的干擾較為明顯.

低溫容器按照其容積可分為小型(容積5～50 m3)、中型(容積50～100 m3)、大型(容積100～1000 m3)及大型儲槽(1000～40000 m3),其容量越小,液位檢測難度越高.如圖2(b)所示,高溫超導釘扎磁懸浮車載低溫容器整體尺寸一般為450×200×150 mm3,內部容積約為2.5～5 L,液氮液位檢測總高度約為60～100 mm,屬于特殊的小型容器.傳統的浮子式液位計尺寸通常較大,應用于這種特殊的小型容器時的難度會更大,例如,結合浮子式原理的光纖液位計、磁致伸縮液位計和傳統壓差式液位計等.

綜上所述,針對高溫超導磁浮的高速應用特征,基于現有的技術水平,電磁波液位計、電阻式液位計(銅導線液位計)、壓差式液位計、磁致伸縮液位計的可行性較低,不太適合應用于高速動態液面、電磁干擾環境、尺寸極小的特殊工況.相比來說,超導體液位計、改良型電容式液位計、光纖液位計、二極管傳感器液位計、鉑電阻溫度傳感器液位計、超聲波液位計的應用可行性較大.故,本文將重點討論這6種低溫液體液位計檢測原理、特征及在超導磁浮應用中的適用性,以期為高溫超導釘扎磁浮車載液氮容器懸浮體設備技術發展及高速安全運行提供一定的參考.

3 液氮液位檢測方法

3.1 超導體液位計

超導體液位計利用超導材料(通常為超導帶材、超導線材)在臨界溫度以下表現出的零電阻特性來測量低溫液體的液位高度[18,36-41].如圖5(a)所示,工作原理是:先選用臨界溫度略高于被測液體沸點的超導材料,將超導材料導線沿液面的垂向固定制成液位傳感器.測量時,將定長的液位計垂直安裝在低溫容器中,浸入低溫液體部分的超導體從正常態轉變為超導態,電阻轉變為零;未浸入液體部分的超導體則保持正常態,其電阻不為零.當液位升高或降低時,未浸入液體部分的超導體長度隨之降低或升高,導致定長的超導體的總電阻發生變化.通過監測超導體兩端的電壓值即可得到超導體的電阻變化,便可通過公式(1)計算待測液體的液位高度[41].

式中:

H為被測液體的液位高度;

L為超導體的總長度;

R x為不同液面下超導體的電阻測量值;

R0為未插入液體時超導體的電阻測量值.

超導體液位計的應用優勢包括:1、檢測精度可達±1 mm[38],且檢測參量只有一個,無測量干涉引起的精度低的問題.2、傳感器結構簡單,不易損壞.超導體液位計傳感器實際是由一根超導材料導體組成,所以可靠性高、重量輕且易于定制.3、超導體液位計安裝只需將液位傳感器垂直固定在低溫容器中,調試簡易.

然而在具體應用中,超導材料自身價格昂貴,導致超導體液位計成本較高.并且針對不同溫度的低溫液體,需要尋找不同的超導體材料,否則無法保證較高的檢測精度,即同一種超導體液位計只能用于檢測特定溫度的液體液面,從原理層面通用性發展受阻.如圖5所示,為解決低溫液體氣液分界面溫度變化不明顯的問題,超導體液位計通常會在超導體上附加一定功率的發熱阻絲,以提高測量精度.發熱阻絲會帶來額外的焦耳損耗,從而增加低為液體蒸發損耗.從目前發現的各類超導體迥異的電磁特性來看,超導體液位計傳感器會受交變磁場影響.按照現有理論分析,倘若超導體位于變化磁場中時,超導體內易產生感應電流,與通入液位計的電流產生疊加效應,改變其電壓值,對精度帶來負面影響.不過,目前還未見到對其在動態磁場環境下檢測精度變化的報道.

圖5 超導體液位計原理示意圖[40]Fig.5 Working principle of superconducting liquid level meters[40]

整體來看,超導體液位計通常應用于液氦、液氫、液氧、液氮的液位檢測,主要采用的超導材料有Bi-2223帶材(臨界溫度約110 K)、Nb Ti超導線(臨界溫度約9.5 K)、Nb3Ge超導線(臨界溫度約23.2 K)、MgB2超導線(臨界溫度約38 K)、YBaCuO超導帶材及帶材(臨界溫度約92 K).倘若未來實施于高溫超導磁浮車載液氮容器液位檢測中,結構簡單、低焦耳損耗、高精度是其應用的最大優勢,但未知的磁場干擾影響程度是個亟待研究的問題.具體分析來看,如圖2所示,超導體液位計可安裝在車載懸浮體YBaCu O的上方,YBaCu O塊材對于軌道磁場具有一定的磁屏蔽,一定程度弱化了液位計工作區域附近的磁場干擾.倘若可以通過實驗研究超導體液位計在無磁環境與微弱磁信號干擾下的液位檢測效果,并對其液位計算公式進行理論修正,那么在高速超導磁浮應用中潛力將會更大.

3.2 改良型電容式液位計

傳統電容式液位計利用被測液體液位的變化引起電容值對應改變的原理進行測量[17],如圖6所示.傳統電容式液位計的液位計算公式為:

式中:

H為被測液面高度;

L為液位傳感器的總高度;

εair、εx為空氣和待測低溫液體的介電常數;

d、d1為將液位傳感器等效為平板電容器后等效的平板間距和平板寬度;

C為計算的電容值.在傳統電容式液位計中,電容值為定值.

雖然傳統電容式液位計成本較低、通用性較好,但是信號處理單元預先寫入的被測液體的介電常數為一個定值.實際盛裝低溫液體時,容器內部的液體與氣體的實際介電常數會隨溫度、壓力的變化而變化,因此傳統電容式液位計在低溫液體液位檢測時無法保證檢測精度.

為提高傳統電容式液位計的應用靈活性,改良型電容式液位計應運而生.如圖6(b)所示,改良型電容液位計在傳統電容液位計的基礎上增加了上下兩塊平板電容器,分別位于低溫液位傳感器的底部和頂部,用于實時檢測低溫液體和低溫容器內氣體的介電常數,從而消除由介電常數變化引起的測量誤差[30,42-47].若假設底部和頂部電容器在真空中的電容值為C0,柱狀電容器在真空中的電容值為C1.放入存有一定量低溫液體的容器中后,底部電容器的電容值為C B,頂部電容器的電容值為C T,柱狀電容器的電容值為C2,低溫液體液位傳感器總長度為L.因此,被測液體液位高度可由如下公式(4)[47]計算得出:

圖6 超導體液位計原理示意圖Fig.6 Working principle oftraditional and modified capacitive level meters

改良型電容式液位計的優點有:1、改良型電容式液位計很好地繼承了傳統電容式液位計結構簡單,成本較低、通用性好的優點,同時又引入了可變介電常數檢測的電容器,考慮了測量過程中低溫容器氣體的介電常數隨溫度、壓力的變化而變化的因素,不僅拓展了電容式液位計的使用范圍,也提高了檢測精度,對于液氮等低溫液體的檢測絕對誤差可控制在3 mm以內[47].2、電容式液位計具有較強的抗干擾性和可靠性,能有效解決溫度、濕度、壓力及物質導電等因素對測量過程的影響,可以適用于高溫高壓、強腐蝕、易結晶、防堵塞、防冷凍等復雜環境下的多種液體液位檢測.

由于多個電容器及連接電路的引入,再加上液面處實際介電常數的變化,改良型電容式液位計的輸出具有非線性,寄生電容和分布電容對靈敏性和測量精度的影響較大.

改良型電容式液位計在通常情況下用于檢測大型容器內部液體(含低溫液體)液位變化.倘若實施于超導磁浮車載低溫容器液位檢測,其抗干擾性和可靠性是其最大的優勢,可有效地解決電磁干擾、設備凍結、高壓等干擾.然而,由于存在柱狀電容器和頂部、底部電容器,導致其結構尺寸較大,對于內部尺寸小、結構特殊的車載液氮容器的內部安裝存在較大限制.因此,改良型電容式液位計結構尺寸問題是最大的應用瓶頸,有待進一步改進.

3.3 光纖傳感器液位計

由于低溫容器內部的低溫環境,常見的浮子式光纖液位傳感器的浮子元件被凍結而無法活動的問題,無法準確測量液位高度[48].綜合選取后,本文將重點介紹常見的光纖布拉格光柵(FBG)傳感器多點測量系統.光纖傳感器的主要原理是利用外界參量(溫度、應變)對光纖光柵內部的光信號產生影響,檢測反射光波長的值即可得到對應位置處溫度,從而得到液位信號[48-54].如圖7(a)所示,當入射光進入光纖時,在每一個光柵處均會發生反射,不同位置光柵處反射光波長不同,則可以利用發射光波長計算獲得每個位置處的溫度.如圖7(b)所示,第一個FBG的反射光波長為λ1,第二個FBG反射光波長為λ2.假設第二個FBG處溫度發生變化,波長變為λ’2,λ2和λ’2之間的差值為△λ.因此,溫度變化△T與△λ的關系可由公式(5)計算[49]:

圖7 光纖傳感器液位計原理圖Fig.7 Working principle of optical-fiber level meter

式中:

△λ是該點處反射光波長變化值;

λ0是該點處反射光原始波長;

α是光纖熱膨脹系數;

n0是折射率;

dn/d T是熱光系數,即折射率隨溫度變化系數.

光纖傳感器液位計的優點包括:1、光纖傳感器液位計對溫度敏感,其溫度測量精度為±0.5 K,因此靜態下液位檢測精度可達到±1 mm[49].2、光纖傳感器技術具有優良的安全性、抗電磁干擾和耐腐蝕性,尤其適合于強電磁干擾、易燃、易爆等惡劣環境.3、基于光學原理的光纖傳感器液位計,傳感器自身沒有熱損產生,且光纖的封裝材料為石英玻璃,其熱導率很低,有利于在低溫容器內部的絕熱.

然而在光纖檢測過程中,溫度、應變導致的交叉敏感特性是其不可回避的問題.另外需要注意的是,光纖傳感器的硬件結構復雜,增加了安裝和維修成本.

目前,光纖傳感器液位傳感器常用于石油等危險化學液體的液位檢測.倘若實施于超導磁浮車載低溫容器液位檢測,抗電磁干擾和低熱損是其最大的優勢,能夠適應磁浮車的電磁環境,并保證低溫容器的保溫隔熱性.然而,光纖傳感器在安裝過程中的應力-溫度交叉敏感性問題同樣需要在超導磁浮應用中注意.

3.4 超聲波液位計

超聲波液位計是非接觸測量中發展最快的一種方法,基于超聲波遇到被測物體表面時發生反射的原理,以及所測距離與時間成函數關系的原理而工作[20,55-59].如圖8所示,超聲波換能器向液面發射超聲波,為入射波,入射波在液面與氣體的分界面發生反射,為反射波,并回傳至超聲波換能器,記錄發射聲波信號到接受反射聲波信號所經歷的時間t,則由公式6可計算出液位[25]:

圖8 超聲波液位計原理示意圖Fig.8 Working principle of ultrasonic level meter

式中:

v為超聲波在空氣中的傳播速度;

H為總液位高度;

S為液位高度;

L為液位上方空氣高度;

t為入射波與反射波的時間差.

相比其他液面計方式,超聲波液位計屬于非接觸式液位計,不接觸液面,無可動部件,避免了液體污染與腐蝕對測量設備的影響.超聲波傳播速度比較穩定,光纖、煙霧、介質粘度、濕度、電導率、介電常數、熱導率、電磁干擾等對檢測幾乎無影響,檢測精度在0.4%以內[58].因此適合于有毒、有腐蝕性和高粘度等復雜場合的液位檢測.此外,超聲波液位計可以實現對高速運動或具有傾斜晃動的液體液位檢測,并且可以實現液位連續檢測和定點檢測,適合汽車、飛機、輪船設備的液位檢測.

超聲波液位計應用的受限處包括:1、當超聲波傳播介質溫度或密度發生變化時,其聲波傳播速度也隨之改變,若沒有聲速的補償措施,將會嚴重影響檢測精度.2、超聲波容易被有些物質吸收,其應用范圍受到限制.3、對于聲波收發一體的超聲波液位計,存在一段液位檢測盲區,對安裝和檢查空間要求較高.盡管價格昂貴,超聲波液位計還是廣泛地應用在水渠、油罐、氣罐、液氮等不同場合.如果運用到高溫超導磁浮車載低溫容器液位檢測中,無接觸、無熱損、抗電磁干擾是其優勢,還可以避免設備被凍結、不會為低溫系統帶來額外熱負荷等.

另一方面,由于低溫容器內部的溫度遠低于室溫,而且隨低溫液體液位的變化,溫度表現出強非線性的特點,超聲波液位計的測量精度會因為聲速變化而產生較大的偏差.針對低溫下的聲速變化問題,大多數文獻[59]采用溫度校正的方法對聲速進行補償,公式(7)為常見的溫度校正公式,公式(8)為考慮溫度、濕度雙補償的聲速傳播公式:

式中:

T為溫度;

P w為水蒸氣的分壓強;

P為大氣壓強;

T0為絕對溫度;

t為測量的空氣溫度;

v為經過補償后的超聲波聲速.

在實際條件下,超聲波傳播速度受到溫度、濕度影響,還與傳播介質、風速、壓強等因素均有關系.針對超導磁浮低溫容器內部溫度分布非線性較強、壓力變化劇烈的特殊工況,這種超聲波聲速補償方法是值得探索的一種技術路線.

3.5 二極管/鉑電阻傳感器液位計

由于價格的優勢,陣列式鉑電阻傳感器液位計與陣列式二極管傳感器液位計更為常用.它們均采用溫度傳感器陣列對容器內部溫度分布進行檢測,通過對比溫度分布間接達到液位檢測的目的[21,22,60-63].如圖9所示,二極管傳感器液位計通常需要在容器內安裝2組傳感器陣列,第一組用于檢測容器內部各個傳感器的溫度,通過對比液體溫度判斷液體液位,第二組用于檢驗第一組傳感器溫度與液體溫度相同的傳感器是否被液體淹沒[21].這種方式的液位計結構尺寸大、會帶來額外熱損耗[63].針對這一問題,本課題組[34,35]前后提出了基于粒子濾波算法、Kalman濾波算法的鉑電阻液位計,如圖10所示.主要原理是通過鉑電阻溫度傳感器研究不同液位時容器內部的溫度分布特征,同時建立時間-液位的經驗方程和溫度-時間經驗方程,利用粒子濾波算法、Kalman濾波算法的狀態估計理論預測和估計當前狀態的液位高度.目前,基于Kalman濾波算法的液位檢測方法已成功應用于高溫超導釘扎磁浮車試驗車系統[16],得到了滿意的檢測精度.

圖9 二極管傳感器液位計結構和電路示意圖[62,63]Fig.9 Structure and circuit diagram of level meter using diode[62,63]

圖10 鉑電阻傳感器結構和電路示意圖[20]Fig.10 Structure and circuit diagram of level meter using platinum resistors[22]

陣列式鉑電阻傳感器液位計與陣列式二極管傳感器液位計均具有普遍性高、精度及靈敏度穩定和耐高壓的優點,制作而成的液位計測溫性能優良,響應迅速,多用于水、乙醇、丙酮、液氮液體的液位檢測.不足之處在于:陣列式傳感器液位計的檢測精度由傳感器數量決定,較高的液位分辨率需要較多的傳感器,使得液位計尺寸較大、熱損耗過大,不利于動態運行下超導磁浮低溫容器液氮液位檢測.

結合超導磁浮車載低溫容器液位檢測需求及本課題組的研究[15,16]來看,基于粒子濾波狀態估計算法和Kalman濾波算法的鉑電阻傳感器液位計,可以消除動態液氮噴濺引起的檢測誤差,減少了傳感器數量,并且可應用于動態下液氮液位檢測,精度可達±1 mm[15,16].

4 結 論

綜上所述,針對我國高速高溫超導磁浮的發展需求,本文主要對車載低溫容器進行了結構特征與需求環境分析,分析了現有液位檢測技術的可行性,歸納出6種可適用于液氮液位檢測的液位計方法.其中超聲波液位計為非接觸式液位計,其余為接觸式液位計.超導體液位計、改良型電容式液位計、超聲波液位計和基于濾波算法的鉑電阻傳感器液位計可以直接計算得到液位高度.光纖傳感器液位計、陣列式二極管傳感器液位計和陣列式鉑電阻傳感器液位計則是通過容器內部溫度分布間接推算液位高度.這6種方法的具體分析比較如表1所示.

從表1中可以看出,6種液位計精度都相對較高,可以滿足超導磁浮低溫容器中液氮液位檢測需求.超導體液位計設備簡單、易于測量,且屬于輕量化設備.但是,超導體液位計易受外磁場干擾而改變內部電流狀態,如何消除外磁場影響是其應用于高溫超導磁浮系統的關鍵因素之一.改良型電容式液位計結構簡單易于安裝,測量過程中需要測量3個參數,增加了系統的測量誤差.光纖傳感器液位計安裝難度和成本相對較高,按照本課題組以往實驗表明,光纖光柵傳感器封裝外殼傳熱較快,未浸入液氮部分的光柵傳感器會在極短時間內檢測到液氮溫度或接近液氮的溫度,因此準確分辨出液位值具有較大難度.超聲波液位計屬于非接觸液位計,但是超聲波聲速會受到溫度影響,且存在測試盲區.二極管和鉑電阻傳感器陣列液位計方法中,傳感器數量較多,整體尺寸和功耗較大.但是,基于粒子濾波狀態估計算法和Kalman濾波算法的鉑電阻溫度傳感器液位計可以優化傳感器數量過多引起的熱損耗過大的問題,具有一定的應用潛力.

表1 不同低溫液體液位檢測方法特征總結表Tab.1 Characteristics of 7 cryogenic liquid level detection methods

因此,針對超導磁浮應用環境的復雜性,即電磁環境、動態運行環境、液氮氣液分界面不明顯、溫度分布非線性、液體液位晃動及液體飛濺等現象,哪一種檢測方式能夠適應呢?倘若從檢測精度、結構尺寸、抗電磁干擾能力考慮,超聲波液位計、改良型電容式液位計具有更大的潛力應用于超導磁浮車載液氮容器內部的液位檢測.超聲波液位計的應用關鍵在于如何提出合適的超聲波聲速修正公式.電容式液位計的應用關鍵在于如何進一步減小其結構尺寸.從目前應用情況來看,基于粒子濾波狀態估計算法和Kalman濾波算法的鉑電阻傳感器液位計取得了較好的檢測效果[15,16].

總而言之,對于面向高速、超高速發展的超導磁浮交通,智能、高效、安全是基本目標.因此,微型化、高精度、低功耗和智能化的液位計是未來車載低溫液體液位計發展的主要趨勢.