2022.02.17
Контроль давления вакуума в криостате
доля
БОЛЕЕ ДЕТАЛЬНО
Аннотация: В этой статье, посвященной высокоточному контролю низкотемпературной среды в криостате, в основном представлены методы декомпрессии и контроля температуры низкотемпературной среды, а также влияние точности управления давлением воздуха на низкотемпературную стабильность. Три режима нагрева, регулирования расхода и регулирования давления, а также соответствующие особые условия работы, включающие в себя электрический пневматический клапан регулирования расхода и детали.
1. Введение
В криостате основной причиной колебаний температуры криогенной среды (жидкого гелия и жидкого азота и т.п.) является изменение давления (вакуума) в верхней части кипящей криогенной среды. Следовательно, для достижения стабильной температуры внутри криогенной среды необходимо точно контролировать давление воздуха в верхней части криогенной среды.
Международный и локальный контроль температуры криостатов в основном использует следующие три технических подхода:
(1) Метод активного управления: цепь нагрева напрямую ведет в вакуумную камеру, погруженную в низкотемпературную среду, и данные мониторинга температуры вакуумной камеры в реальном времени используются для сравнения с заданным значением температуры, а затем для управления током, добавляемым в цепь нагрева. .
(2) Метод пассивного управления: контролируйте давление воздуха в верхней части низкотемпературной среды для стабилизации температуры низкотемпературной среды.
(3) Комбинированный метод управления: два вышеуказанных метода управления объединены, и схема управления нагревом ведет непосредственно в вакуумную камеру, погруженную в низкотемпературную среду, и одновременно контролируется давление воздуха над низкотемпературной средой. Метод контроля температуры резистивного нагрева уже является очень развитой технологией. В этой статье основное внимание будет уделено методу управления давлением в верхней части низкотемпературной среды и представлено влияние точности регулирования давления на стабильность низкой температуры, а также метод реализации и конкретная схема высокоточного регулирования давления.
2. Взаимосвязь между точностью регулирования давления воздуха и стабильностью температуры.
На примере жидкого водорода давление насыщенного пара жидкого водорода и соответствующая кривая изменения температуры показаны на рисунке 1.
Как видно на рисунке 1, в очень небольшом диапазоне температур приведенную выше кривую можно описать прямой линией, поэтому ее можно получить в диапазоне температур около 4К; колебание давления воздуха около 100 Па может вызвать колебание температуры около 1 мК. Следовательно, можно считать, что если необходимо достичь колебания менее 1 мК, колебания давления воздуха не могут превышать 100 Па.
3. Три режима контроля верхнего давления воздуха.
Обычно существует три режима контроля давления воздуха в верхней части криогенной среды: резистивный нагрев, контроль потока и контроль давления.
3.1 Режим резистивного нагрева
В процессе постоянного контроля температуры криостата режим резистивного нагрева заключается в помещении резистивного проволочного нагревателя в низкотемпературную среду. Как показано на рисунке 2, вакуумметр обнаруживает изменение давления воздуха вверху, а ПИД-регулятор изменяет ток нагрева, чтобы регулировать и контролировать давление воздуха вверху, поддерживая постоянное давление воздуха вверху на заданном значении. Из рисунка 2 видно, что режим резистивного нагрева больше подходит для увеличения температуры, метод управления повышением давления вверху, но не может снижать давление и охлаждать.
3.2 Режим управления потоком
Режим управления потоком является типичным режимом снижения давления и охлаждения. Как показано на рисунке 3, вакуумный насос непрерывно откачивает криостат с определенной скоростью откачки, чтобы снизить давление воздуха наверху. Вакуумметр, электронный пневматический клапан регулирования расхода и ПИД-регулятор образуют замкнутый контур управления. Электронный пневматический клапан управления потоком серии FC регулирует поток воздуха, чтобы поддерживать точное и постоянное верхнее давление воздуха при уровне вакуума. Видно, что режим управления потоком больше подходит для охлаждения и контроля температуры для снижения верхнего давления воздуха, но он не может достигать наддува и нагрева.
Кроме того, в режиме управления потоком непрерывная откачка вакуумным насосом делает неэффективное рассеивание низкотемпературной среды более серьезным.
Для получения дополнительной информации об электронном пневматическом регуляторе расхода серии FC посетите сайтhttps://www.genndih.com/ru/proportional-flow-control-valve.htm
3.3 Режим контроля давления
Режим контроля давления — это режим контроля температуры, который может увеличивать или уменьшать давление. Как показано на рисунке 4, при использовании вакуумного насоса для откачки используется режим снижения давления. При принятии на вооружение подкачивающего насоса предусмотрен режим повышения давления. Так что он может обеспечить непрерывный контроль температуры в широком температурном диапазоне. Используемый пропорциональный регулятор давления имеет один воздухозаборник (атмосферное давление). В сочетании с вакуумным насосом он позволяет эффективно избежать большого количества неэффективного рассеивания низкотемпературной среды, одновременно контролируя верхнее давление при постоянном давлении.
Кроме того, метод наддува здесь также может быть достигнут путем добавления электрического нагревателя к низкотемпературной среде.
4.Дополнительные рабочие детали
При реализации трех вышеуказанных режимов управления следует обратить особое внимание на следующие детали:
(1) Выбор вакуумметра Вакуумметр – это датчик, который измеряет изменение давления воздуха вверху. Ключом к определению стабильности регулирования температуры криостата является выбор высокоточного вакуумметра. В настоящее время высокоточные вакуумметры, как правило, представляют собой емкостные пленочные манометры, а общая общая точность составляет 0,2%. Как упоминалось выше, в процессе постоянного контроля температуры жидкого водорода около 4K колебания давления воздуха не должны превышать 100 Па и ± 50 Па. Если это соответствует контролю давления воздуха 100 кПа, точность вакуумметра должна быть выше ±0,05%. Видно, что при постоянном контроле температуры при колебаниях температуры менее 1 мК также требуется более точный вакуумметр.
(2) Выбор ПИД-регулятора. В процессе постоянного регулирования температуры ПИД-регулятор собирает измеренное значение вакуумметра через аналого-цифровой преобразователь, а затем отправляет управляющий сигнал на привод (электрический игольчатый клапан, регулятор давления, источник нагрева и т. д.). ) через цифро-аналоговый преобразователь после расчета. ). По этой причине, чтобы гарантировать, что высокая точность и точность управления вакуумметра могут быть полностью использованы и отрегулированы с помощью электронного пневматического клапана управления потоком, чем выше точность аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, тем лучше, по крайней мере, 16 бит, Настоятельно рекомендуется использовать 24-битный высокоточный ПИД-регулятор.
(3) Назначение регулятора напряжения Регулятор давления — это устройство контроля давления, которое объединяет датчик вакуумного давления, контроллер и клапан, но точность датчика вакуумного давления намного меньше, чем у тонкопленочного конденсатора, и точность контроллера также относительно низко. Таким образом, при использовании стабилизатора напряжения следует выбирать режим внешнего управления, то есть в качестве датчика управления используется тонкопленочный конденсатор.
Кроме того, следует отметить, что АЦП и ЦАП регулятора в регуляторе имеют низкую точность. Таким образом, для высокоточного и высокостабильного регулирования давления верхнего воздуха режим регулирования давления не рекомендуется, если не используется специально изготовленный высокоточный регулятор напряжения.
1. Введение
В криостате основной причиной колебаний температуры криогенной среды (жидкого гелия и жидкого азота и т.п.) является изменение давления (вакуума) в верхней части кипящей криогенной среды. Следовательно, для достижения стабильной температуры внутри криогенной среды необходимо точно контролировать давление воздуха в верхней части криогенной среды.
Международный и локальный контроль температуры криостатов в основном использует следующие три технических подхода:
(1) Метод активного управления: цепь нагрева напрямую ведет в вакуумную камеру, погруженную в низкотемпературную среду, и данные мониторинга температуры вакуумной камеры в реальном времени используются для сравнения с заданным значением температуры, а затем для управления током, добавляемым в цепь нагрева. .
(2) Метод пассивного управления: контролируйте давление воздуха в верхней части низкотемпературной среды для стабилизации температуры низкотемпературной среды.
(3) Комбинированный метод управления: два вышеуказанных метода управления объединены, и схема управления нагревом ведет непосредственно в вакуумную камеру, погруженную в низкотемпературную среду, и одновременно контролируется давление воздуха над низкотемпературной средой. Метод контроля температуры резистивного нагрева уже является очень развитой технологией. В этой статье основное внимание будет уделено методу управления давлением в верхней части низкотемпературной среды и представлено влияние точности регулирования давления на стабильность низкой температуры, а также метод реализации и конкретная схема высокоточного регулирования давления.
2. Взаимосвязь между точностью регулирования давления воздуха и стабильностью температуры.
На примере жидкого водорода давление насыщенного пара жидкого водорода и соответствующая кривая изменения температуры показаны на рисунке 1.
Как видно на рисунке 1, в очень небольшом диапазоне температур приведенную выше кривую можно описать прямой линией, поэтому ее можно получить в диапазоне температур около 4К; колебание давления воздуха около 100 Па может вызвать колебание температуры около 1 мК. Следовательно, можно считать, что если необходимо достичь колебания менее 1 мК, колебания давления воздуха не могут превышать 100 Па.
3. Три режима контроля верхнего давления воздуха.
Обычно существует три режима контроля давления воздуха в верхней части криогенной среды: резистивный нагрев, контроль потока и контроль давления.
3.1 Режим резистивного нагрева
В процессе постоянного контроля температуры криостата режим резистивного нагрева заключается в помещении резистивного проволочного нагревателя в низкотемпературную среду. Как показано на рисунке 2, вакуумметр обнаруживает изменение давления воздуха вверху, а ПИД-регулятор изменяет ток нагрева, чтобы регулировать и контролировать давление воздуха вверху, поддерживая постоянное давление воздуха вверху на заданном значении. Из рисунка 2 видно, что режим резистивного нагрева больше подходит для увеличения температуры, метод управления повышением давления вверху, но не может снижать давление и охлаждать.
3.2 Режим управления потоком
Режим управления потоком является типичным режимом снижения давления и охлаждения. Как показано на рисунке 3, вакуумный насос непрерывно откачивает криостат с определенной скоростью откачки, чтобы снизить давление воздуха наверху. Вакуумметр, электронный пневматический клапан регулирования расхода и ПИД-регулятор образуют замкнутый контур управления. Электронный пневматический клапан управления потоком серии FC регулирует поток воздуха, чтобы поддерживать точное и постоянное верхнее давление воздуха при уровне вакуума. Видно, что режим управления потоком больше подходит для охлаждения и контроля температуры для снижения верхнего давления воздуха, но он не может достигать наддува и нагрева.
Кроме того, в режиме управления потоком непрерывная откачка вакуумным насосом делает неэффективное рассеивание низкотемпературной среды более серьезным.
Для получения дополнительной информации об электронном пневматическом регуляторе расхода серии FC посетите сайтhttps://www.genndih.com/ru/proportional-flow-control-valve.htm
3.3 Режим контроля давления
Режим контроля давления — это режим контроля температуры, который может увеличивать или уменьшать давление. Как показано на рисунке 4, при использовании вакуумного насоса для откачки используется режим снижения давления. При принятии на вооружение подкачивающего насоса предусмотрен режим повышения давления. Так что он может обеспечить непрерывный контроль температуры в широком температурном диапазоне. Используемый пропорциональный регулятор давления имеет один воздухозаборник (атмосферное давление). В сочетании с вакуумным насосом он позволяет эффективно избежать большого количества неэффективного рассеивания низкотемпературной среды, одновременно контролируя верхнее давление при постоянном давлении.
Кроме того, метод наддува здесь также может быть достигнут путем добавления электрического нагревателя к низкотемпературной среде.
4.Дополнительные рабочие детали
При реализации трех вышеуказанных режимов управления следует обратить особое внимание на следующие детали:
(1) Выбор вакуумметра Вакуумметр – это датчик, который измеряет изменение давления воздуха вверху. Ключом к определению стабильности регулирования температуры криостата является выбор высокоточного вакуумметра. В настоящее время высокоточные вакуумметры, как правило, представляют собой емкостные пленочные манометры, а общая общая точность составляет 0,2%. Как упоминалось выше, в процессе постоянного контроля температуры жидкого водорода около 4K колебания давления воздуха не должны превышать 100 Па и ± 50 Па. Если это соответствует контролю давления воздуха 100 кПа, точность вакуумметра должна быть выше ±0,05%. Видно, что при постоянном контроле температуры при колебаниях температуры менее 1 мК также требуется более точный вакуумметр.
(2) Выбор ПИД-регулятора. В процессе постоянного регулирования температуры ПИД-регулятор собирает измеренное значение вакуумметра через аналого-цифровой преобразователь, а затем отправляет управляющий сигнал на привод (электрический игольчатый клапан, регулятор давления, источник нагрева и т. д.). ) через цифро-аналоговый преобразователь после расчета. ). По этой причине, чтобы гарантировать, что высокая точность и точность управления вакуумметра могут быть полностью использованы и отрегулированы с помощью электронного пневматического клапана управления потоком, чем выше точность аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, тем лучше, по крайней мере, 16 бит, Настоятельно рекомендуется использовать 24-битный высокоточный ПИД-регулятор.
(3) Назначение регулятора напряжения Регулятор давления — это устройство контроля давления, которое объединяет датчик вакуумного давления, контроллер и клапан, но точность датчика вакуумного давления намного меньше, чем у тонкопленочного конденсатора, и точность контроллера также относительно низко. Таким образом, при использовании стабилизатора напряжения следует выбирать режим внешнего управления, то есть в качестве датчика управления используется тонкопленочный конденсатор.
Кроме того, следует отметить, что АЦП и ЦАП регулятора в регуляторе имеют низкую точность. Таким образом, для высокоточного и высокостабильного регулирования давления верхнего воздуха режим регулирования давления не рекомендуется, если не используется специально изготовленный высокоточный регулятор напряжения.