Решение для высокоточной регулировки давления жидкого гелия в низкотемпературной сверхпроводящей испытательной системе.
1. Обзор проекта
Различные сверхпроводящие компоненты, такие как сверхпроводящие магниты и сверхпроводящие резонаторы, перед установкой необходимо протестировать в низкотемпературной сверхпроводящей испытательной системе. Для того чтобы сверхпроводящие компоненты оказались в условиях низкой температуры, их необходимо погрузить в жидкий гелий.
В качестве среды используется низкотемпературный сосуд Дьюара, в котором находится жидкий гелий. На протяжении всего процесса испытаний к давлению жидкого гелия в низкотемпературной испытательной системе предъявляются чрезвычайно высокие требования, то есть давление гелия (абсолютное давление) в верхней части сосуда Дьюара должно быть исключительно стабильным. В противном случае испытание будет нестабильным, и результаты испытаний будут искажены.
В настоящее время многие существующие низкотемпературные сверхпроводящие испытательные системы имеют серьезные проблемы, такие как нестабильное управление давлением жидкого гелия. Некоторые заказчики выдвинули соответствующие требования по технической модернизации.
Для приблизительной и точной регулировки давления жидкого гелия используются два предохранительных клапана первого и второго типа с разным диаметром, однако при таком способе регулировки давление жидкого гелия можно контролировать только в диапазоне 1,2–1,6 бар, что соответствует изменению температуры жидкого гелия в диапазоне 4,39–4,74 °C и приводит к колебаниям температуры на 0,35 °C.
В настоящее время заказчик предлагает попытаться контролировать колебания температуры в пределах стабильности 0,1 ℃ или выше, чтобы повысить точность испытаний сверхпроводящих компонентов.
Низкотемпературная вертикальная испытательная система для сверхпроводящих магнитов с высоким магнитным полем имеет диапазон регулирования давления 1–1,3 бар. Хотя для изменения давления жидкого гелия в системе используется нагреватель с жидким гелием, из-за недостаточной точности регулировки клапана регулирования давления точность регулирования значительно ниже требуемого уровня, что побудило заказчика выдвинуть требования по технической модернизации.
Ввиду проблемы недостаточной точности регулирования давления жидкого гелия в двух вышеупомянутых типичных системах для испытаний низкотемпературных сверхпроводников, в данной статье предлагаются соответствующие решения. Решение будет включать в себя два технических средства: прямое регулирование давления и регулирование расхода, а также вспомогательные клапаны с числовым программным управлением, в сочетании со сверхточным ПИД-регулятором вакуумного давления и датчиком давления, что позволит значительно повысить точность регулирования давления жидкого гелия и, в конечном итоге, снизить погрешность испытаний давления при низкотемпературных сверхпроводниках.
2. Решение
(1) Метод прямого регулирования давления
В низкотемпературной сверхпроводящей испытательной системе факторы, вызывающие испарение жидкого гелия, не поддаются контролю. Стабильность испытательной системы можно поддерживать только путем регулирования давления гелия над жидким гелием.
Таким образом, для обеспечения регулирования давления выше уровня жидкого гелия, в решении используется метод прямого регулирования давления, то есть вместо первого и второго предохранительных клапанов используется клапан регулирования давления с числовым программным управлением. Этот клапан регулирования давления, высокоточный ПИД-регулятор и датчик давления образуют замкнутый контур управления для автоматического сброса давления и высокоточного регулирования давления.
Пропорциональный регулятор давления от KaoLu представляет собой регулирующий клапан избыточного и пониженного давления, который точно соответствует потребностям в микро-избыточном регулировании давления в низкотемпературных системах тестирования сверхпроводников. Давление, создаваемое источником гелия и редукционным клапаном, обеспечивает высокоточное регулирование давления на выходе регулирующего клапана, а также минимизирует утечку газа, что позволяет экономить гелий.
Кроме того, пропорциональный регулятор давления KaoLu обладает высокой точностью управления и может использоваться в сочетании с высокоточным датчиком давления и ПИД-регулятором вакуумного давления. Он позволяет контролировать давление жидкого гелия с высокой точностью до 0,1%.
(2) Метод регулирования потока
В системе низкотемпературных и сверхнизкотемпературных испытаний одним из отличий является наличие нагревателя на жидком гелии. То есть, контур управления, состоящий из нагревателя на жидком гелии и клапана регулирования давления, позволяет контролировать различное давление жидкого гелия. Это дает возможность регулировать температуру жидкого гелия. Для достижения точного контроля давления жидкого гелия в данном решении используется метод регулирования потока.
Пропорциональный регулятор давления KaoLu, двухканальный высокоточный ПИД-регулятор, датчик давления и нагреватель жидкого гелия образуют замкнутый контур управления, который может быть сконфигурирован по желанию. Фиксированное значение обеспечивает высокоточное регулирование давления. Электрический игольчатый клапан представляет собой микрорегулирующий клапан с числовым программным управлением, который может автоматически регулировать открытие игольчатого клапана с помощью ПИД-регулятора давления, а выходящий гелий может направляться в подушку для сбора гелия.
Пропорциональный регулятор давления от KaoLu также отличается высокой точностью управления и, благодаря сочетанию высокоточного датчика давления и ПИД-регулятора вакуумного давления, позволяет контролировать давление жидкого гелия с высокой точностью до 0,1%.
3. Заключение
Благодаря описанному выше техническому решению достигается точное регулирование давления жидкого гелия в низкотемпературной сверхнизкотемпературной испытательной системе, при этом точность регулирования достигает ±0,1%. Расчеты, основанные на абсолютном давлении, показывают, что при давлении насыщенного пара 1,2 бар температура жидкого гелия составляет 4,4 К.
Следовательно, если точность регулирования давления составляет ±0,1%, диапазон колебаний давления жидкого гелия составляет ±1,2 мбар (что эквивалентно абсолютному давлению ±120 Па), а соответствующий диапазон колебаний температуры жидкого гелия составляет 4,4 мК, то есть регулируемая температура жидкого гелия составляет 4,4 ± 0,0044 К.
Как видно из описанного в данной статье решения, только за счет использования недорогих промышленных ПИД-регуляторов вакуумного давления и датчиков давления в сочетании с клапанами регулирования давления с числовым программным управлением и пропорциональным регулятором давления KaoLu, можно достичь высокоточной регулировки давления жидкого гелия. Точность регулирования температуры достигает уровня мК, что полностью удовлетворяет потребности большинства низкотемпературных сверхпроводящих испытательных систем.
Более подробную информацию опропорциональном регуляторе давления KaoLu вы найдете на нашем сайте!