2022.02.17
Contrôle de la pression du vide dans le cryostat
PARTAGER
PLUS DE DÉTAILS
Résumé : En se concentrant sur le contrôle de haute précision du milieu à basse température dans le cryostat, cet article présente principalement la méthode de décompression et de contrôle de la température du milieu à basse température et l'influence de la précision du contrôle de la pression de l'air sur la stabilité à basse température. Trois modes de chauffage, contrôle du débit et contrôle de la pression, ainsi que les conditions de travail spécifiques correspondantes qui intègrent une vanne de contrôle du débit pneumatique électrique et des détails.
1. Introduction
Dans le cryostat, la principale raison de la fluctuation de température du milieu cryogénique (hélium liquide et azote liquide, etc.) est le changement de pression (vide) au sommet du milieu cryogénique bouillant. Par conséquent, afin d’atteindre une température stable à l’intérieur du milieu cryogénique, il est nécessaire de contrôler avec précision la pression de l’air au sommet du milieu cryogénique.
Le contrôle international et localisé de la température des cryostats adopte principalement les trois approches techniques suivantes :
(1) Méthode de contrôle actif : le circuit de chauffage mène directement à la chambre à vide immergée dans le milieu à basse température, et les données de surveillance de la température en temps réel de la chambre à vide sont utilisées pour comparer avec la valeur de température cible, puis contrôler le courant ajouté au circuit de chauffage. .
(2) Méthode de contrôle passif : contrôlez la pression de l’air au sommet du milieu à basse température pour stabiliser la température du milieu à basse température.
(3) Méthode de contrôle composite : les deux méthodes de contrôle ci-dessus sont combinées et le circuit de contrôle du chauffage mène directement à une chambre à vide immergée dans le milieu à basse température, et la pression de l'air au-dessus du milieu à basse température est également contrôlée en même temps. La méthode de contrôle de la température de chauffage par résistance est déjà une technologie très mature. Cet article se concentrera principalement sur la méthode de contrôle de pression au sommet d'un milieu à basse température et présentera l'influence de la précision du contrôle de pression sur la stabilité à basse température, ainsi que la méthode de réalisation et le schéma spécifique du contrôle de pression de haute précision.
2. La relation entre la précision du contrôle de la pression atmosphérique et la stabilité de la température
En prenant l'hydrogène liquide comme exemple, la pression de vapeur saturée de l'hydrogène liquide et la courbe de changement de température correspondante sont présentées à la figure 1.
Comme on peut le voir sur la figure 1, dans une très petite plage de température, la courbe ci-dessus peut être décrite par une ligne droite, de sorte qu'elle peut être obtenue dans une plage de température d'environ 4K ; Une fluctuation de la pression atmosphérique d'environ 100 Pa peut provoquer une fluctuation de température d'environ 1 mK. Par conséquent, on peut considérer que si une fluctuation inférieure à 1 mK doit être atteinte, la fluctuation de la pression atmosphérique ne peut pas dépasser 100 Pa.
3. Trois modes de contrôle de la pression atmosphérique supérieure
Il existe généralement trois modes de contrôle de la pression d'air en tête du milieu cryogénique : chauffage par résistance, contrôle du débit et contrôle de la pression.
3.1 Mode de chauffage par résistance
Dans le processus de contrôle de température constante du cryostat, le mode de chauffage par résistance consiste à placer un fil de résistance chauffant dans un milieu à basse température. Comme le montre la figure 2, le vacuomètre détecte le changement de pression d'air supérieure et le contrôleur PID modifie le courant de chauffage pour ajuster et contrôler la pression d'air supérieure et maintenir la pression d'air supérieure constante à la valeur définie. On peut voir sur la figure 2 que le mode de chauffage par résistance est plus approprié pour augmenter la méthode de contrôle de la température consistant à augmenter la pression au sommet, mais il ne peut pas réduire la pression et le refroidissement.
3.2 Mode de contrôle de flux
Le mode de contrôle de débit est un mode typique de réduction de pression et de refroidissement. Comme le montre la figure 3, la pompe à vide extrait en continu le cryostat à une certaine vitesse de pompage pour réduire la pression d'air supérieure. Le vacuomètre, la vanne de régulation de débit pneumatique électronique et le contrôleur PID forment une boucle de contrôle en boucle fermée. La vanne de régulation de débit pneumatique électronique de la série FC ajuste le débit d'air pour maintenir la pression d'air supérieure avec précision et constante au degré de vide. On peut voir que le mode de contrôle du débit est plus adapté à la méthode de refroidissement et de contrôle de la température pour réduire la pression de l'air supérieure, mais il ne peut pas atteindre la suralimentation et le chauffage.
De plus, en mode contrôle de débit, le pompage continu de la pompe à vide rend plus grave la dissipation inefficace du fluide à basse température.
Pour plus d'informations sur la vanne de régulation de débit pneumatique électronique de la série FC, veuillez visiterhttps://www.genndih.com/fr/valve-de-contrôle-de-débit-proportionnel.htm
3.3 Mode de contrôle de pression
Le mode de contrôle de la pression est un mode de contrôle de la température qui peut augmenter ou diminuer la pression. Comme le montre la figure 4, lors de l'adoption d'une pompe à vide pour évacuer, le mode de réduction de pression est utilisé. Lors de l'adoption d'une pompe de surpression, le mode d'augmentation de la pression est utilisé. Afin qu'il puisse atteindre un contrôle continu de la température dans une large zone de température. Le régulateur de pression proportionnel utilisé est livré avec une entrée d'air (pression atmosphérique). Combiné avec une pompe à vide, il peut efficacement éviter une grande quantité de dissipation inefficace du milieu à basse température tout en contrôlant la pression supérieure à une pression constante.
De plus, la méthode de suralimentation peut également être obtenue en ajoutant un radiateur électrique au fluide à basse température.
4.Détails de travail supplémentaires
Lors de la mise en œuvre des trois modes de contrôle ci-dessus, il convient spécifiquement de prêter attention aux détails suivants :
(1) Sélection du vacuomètre Le vacuomètre est un capteur qui mesure le changement de pression atmosphérique au sommet. La clé pour déterminer la stabilité du contrôle de la température du cryostat, veillez donc à choisir un vacuomètre de haute précision. À l'heure actuelle, les jauges à vide de haute précision sont généralement des jauges à film capacitif et la précision globale générale est de 0,2 %. Comme mentionné ci-dessus, dans le processus de contrôle de la température constante de l'hydrogène liquide autour de 4K, la fluctuation de la pression atmosphérique ne doit pas dépasser 100 Pa et ± 50 Pa. Si cela correspond à un contrôle de pression d'air de 100 kPa, la précision du vacuomètre doit être supérieure à ± 0,05 %. On peut voir qu'un contrôle constant de la température avec une fluctuation de température inférieure à 1 mK, un vacuomètre de plus grande précision est également nécessaire.
(2) Sélection du contrôleur PID Dans le processus de contrôle de température constante, le contrôleur PID collecte la valeur mesurée du manomètre via un convertisseur A/D, puis envoie le signal de commande à l'actionneur (vanne à pointeau électrique, régulateur de pression et alimentation de chauffage, etc. ) via le convertisseur D/A après calcul. ). Pour cette raison, pour garantir que la haute précision et l'exactitude de contrôle de la jauge à vide peuvent être pleinement utilisées et régulées avec une vanne de contrôle de débit pneumatique électronique, plus la précision des convertisseurs A/D et D/A est élevée, meilleur est au moins 16 bits, et un contrôleur PID 24 bits haute précision est fortement recommandé.
(3) Attribution du régulateur de tension Le régulateur de pression est un dispositif de contrôle de pression qui intègre un capteur de pression à vide, un contrôleur et une vanne, mais la précision du capteur de pression à vide est bien inférieure à celle d'un condensateur à couche mince, et la précision du contrôleur est également relativement faible. Ainsi, lors de l'utilisation d'un régulateur de tension, un mode de contrôle externe doit être sélectionné, c'est-à-dire qu'un condensateur à couche mince est utilisé comme capteur de contrôle.
De plus, il convient de noter que les convertisseurs A/D et D/A du contrôleur dans le régulateur ont une faible précision. Ainsi, pour un contrôle de pression d'air supérieur de haute précision et de haute stabilité, le mode de contrôle de pression n'est pas recommandé à moins qu'un régulateur de tension de haute précision spécialement conçu ne soit utilisé.
1. Introduction
Dans le cryostat, la principale raison de la fluctuation de température du milieu cryogénique (hélium liquide et azote liquide, etc.) est le changement de pression (vide) au sommet du milieu cryogénique bouillant. Par conséquent, afin d’atteindre une température stable à l’intérieur du milieu cryogénique, il est nécessaire de contrôler avec précision la pression de l’air au sommet du milieu cryogénique.
Le contrôle international et localisé de la température des cryostats adopte principalement les trois approches techniques suivantes :
(1) Méthode de contrôle actif : le circuit de chauffage mène directement à la chambre à vide immergée dans le milieu à basse température, et les données de surveillance de la température en temps réel de la chambre à vide sont utilisées pour comparer avec la valeur de température cible, puis contrôler le courant ajouté au circuit de chauffage. .
(2) Méthode de contrôle passif : contrôlez la pression de l’air au sommet du milieu à basse température pour stabiliser la température du milieu à basse température.
(3) Méthode de contrôle composite : les deux méthodes de contrôle ci-dessus sont combinées et le circuit de contrôle du chauffage mène directement à une chambre à vide immergée dans le milieu à basse température, et la pression de l'air au-dessus du milieu à basse température est également contrôlée en même temps. La méthode de contrôle de la température de chauffage par résistance est déjà une technologie très mature. Cet article se concentrera principalement sur la méthode de contrôle de pression au sommet d'un milieu à basse température et présentera l'influence de la précision du contrôle de pression sur la stabilité à basse température, ainsi que la méthode de réalisation et le schéma spécifique du contrôle de pression de haute précision.
2. La relation entre la précision du contrôle de la pression atmosphérique et la stabilité de la température
En prenant l'hydrogène liquide comme exemple, la pression de vapeur saturée de l'hydrogène liquide et la courbe de changement de température correspondante sont présentées à la figure 1.
Comme on peut le voir sur la figure 1, dans une très petite plage de température, la courbe ci-dessus peut être décrite par une ligne droite, de sorte qu'elle peut être obtenue dans une plage de température d'environ 4K ; Une fluctuation de la pression atmosphérique d'environ 100 Pa peut provoquer une fluctuation de température d'environ 1 mK. Par conséquent, on peut considérer que si une fluctuation inférieure à 1 mK doit être atteinte, la fluctuation de la pression atmosphérique ne peut pas dépasser 100 Pa.
3. Trois modes de contrôle de la pression atmosphérique supérieure
Il existe généralement trois modes de contrôle de la pression d'air en tête du milieu cryogénique : chauffage par résistance, contrôle du débit et contrôle de la pression.
3.1 Mode de chauffage par résistance
Dans le processus de contrôle de température constante du cryostat, le mode de chauffage par résistance consiste à placer un fil de résistance chauffant dans un milieu à basse température. Comme le montre la figure 2, le vacuomètre détecte le changement de pression d'air supérieure et le contrôleur PID modifie le courant de chauffage pour ajuster et contrôler la pression d'air supérieure et maintenir la pression d'air supérieure constante à la valeur définie. On peut voir sur la figure 2 que le mode de chauffage par résistance est plus approprié pour augmenter la méthode de contrôle de la température consistant à augmenter la pression au sommet, mais il ne peut pas réduire la pression et le refroidissement.
3.2 Mode de contrôle de flux
Le mode de contrôle de débit est un mode typique de réduction de pression et de refroidissement. Comme le montre la figure 3, la pompe à vide extrait en continu le cryostat à une certaine vitesse de pompage pour réduire la pression d'air supérieure. Le vacuomètre, la vanne de régulation de débit pneumatique électronique et le contrôleur PID forment une boucle de contrôle en boucle fermée. La vanne de régulation de débit pneumatique électronique de la série FC ajuste le débit d'air pour maintenir la pression d'air supérieure avec précision et constante au degré de vide. On peut voir que le mode de contrôle du débit est plus adapté à la méthode de refroidissement et de contrôle de la température pour réduire la pression de l'air supérieure, mais il ne peut pas atteindre la suralimentation et le chauffage.
De plus, en mode contrôle de débit, le pompage continu de la pompe à vide rend plus grave la dissipation inefficace du fluide à basse température.
Pour plus d'informations sur la vanne de régulation de débit pneumatique électronique de la série FC, veuillez visiterhttps://www.genndih.com/fr/valve-de-contrôle-de-débit-proportionnel.htm
3.3 Mode de contrôle de pression
Le mode de contrôle de la pression est un mode de contrôle de la température qui peut augmenter ou diminuer la pression. Comme le montre la figure 4, lors de l'adoption d'une pompe à vide pour évacuer, le mode de réduction de pression est utilisé. Lors de l'adoption d'une pompe de surpression, le mode d'augmentation de la pression est utilisé. Afin qu'il puisse atteindre un contrôle continu de la température dans une large zone de température. Le régulateur de pression proportionnel utilisé est livré avec une entrée d'air (pression atmosphérique). Combiné avec une pompe à vide, il peut efficacement éviter une grande quantité de dissipation inefficace du milieu à basse température tout en contrôlant la pression supérieure à une pression constante.
De plus, la méthode de suralimentation peut également être obtenue en ajoutant un radiateur électrique au fluide à basse température.
4.Détails de travail supplémentaires
Lors de la mise en œuvre des trois modes de contrôle ci-dessus, il convient spécifiquement de prêter attention aux détails suivants :
(1) Sélection du vacuomètre Le vacuomètre est un capteur qui mesure le changement de pression atmosphérique au sommet. La clé pour déterminer la stabilité du contrôle de la température du cryostat, veillez donc à choisir un vacuomètre de haute précision. À l'heure actuelle, les jauges à vide de haute précision sont généralement des jauges à film capacitif et la précision globale générale est de 0,2 %. Comme mentionné ci-dessus, dans le processus de contrôle de la température constante de l'hydrogène liquide autour de 4K, la fluctuation de la pression atmosphérique ne doit pas dépasser 100 Pa et ± 50 Pa. Si cela correspond à un contrôle de pression d'air de 100 kPa, la précision du vacuomètre doit être supérieure à ± 0,05 %. On peut voir qu'un contrôle constant de la température avec une fluctuation de température inférieure à 1 mK, un vacuomètre de plus grande précision est également nécessaire.
(2) Sélection du contrôleur PID Dans le processus de contrôle de température constante, le contrôleur PID collecte la valeur mesurée du manomètre via un convertisseur A/D, puis envoie le signal de commande à l'actionneur (vanne à pointeau électrique, régulateur de pression et alimentation de chauffage, etc. ) via le convertisseur D/A après calcul. ). Pour cette raison, pour garantir que la haute précision et l'exactitude de contrôle de la jauge à vide peuvent être pleinement utilisées et régulées avec une vanne de contrôle de débit pneumatique électronique, plus la précision des convertisseurs A/D et D/A est élevée, meilleur est au moins 16 bits, et un contrôleur PID 24 bits haute précision est fortement recommandé.
(3) Attribution du régulateur de tension Le régulateur de pression est un dispositif de contrôle de pression qui intègre un capteur de pression à vide, un contrôleur et une vanne, mais la précision du capteur de pression à vide est bien inférieure à celle d'un condensateur à couche mince, et la précision du contrôleur est également relativement faible. Ainsi, lors de l'utilisation d'un régulateur de tension, un mode de contrôle externe doit être sélectionné, c'est-à-dire qu'un condensateur à couche mince est utilisé comme capteur de contrôle.
De plus, il convient de noter que les convertisseurs A/D et D/A du contrôleur dans le régulateur ont une faible précision. Ainsi, pour un contrôle de pression d'air supérieur de haute précision et de haute stabilité, le mode de contrôle de pression n'est pas recommandé à moins qu'un régulateur de tension de haute précision spécialement conçu ne soit utilisé.