Регулировка вакуумного давления в криостате
Аннотация: В данной статье, посвященной высокоточному управлению низкотемпературной средой в криостате, рассматриваются методы декомпрессии и регулирования температуры низкотемпературной среды, а также влияние точности регулирования давления воздуха на низкотемпературную стабильность. Представлены три режима нагрева, регулирования потока и регулирования давления, а также соответствующие условия работы, включающие использование электропневматического клапана регулирования потока и другие детали.
1. Введение
В криостате основной причиной колебаний температуры криогенной среды (жидкого гелия, жидкого азота и т. д.) является изменение давления (вакуума) на поверхности кипящей криогенной среды. Поэтому для достижения стабильной температуры внутри криогенной среды необходимо точно контролировать давление воздуха на поверхности криогенной среды.
В международном и локальном системах контроля температуры криостатов чаще всего используются следующие три технических подхода:
(1) Метод активного управления: Нагревательный контур напрямую подается в вакуумную камеру, погруженную в низкотемпературную среду, и данные мониторинга температуры вакуумной камеры в реальном времени используются для сравнения с целевым значением температуры, а затем для управления током, подаваемым в нагревательный контур.
(2) Метод пассивного управления: регулирование давления воздуха в верхней части низкотемпературной среды для стабилизации температуры низкотемпературной среды.
(3) Комбинированный метод управления: Два вышеуказанных метода управления объединены, и схема управления нагревом напрямую подает тепло в вакуумную камеру, погруженную в низкотемпературную среду, при этом одновременно регулируется и давление воздуха над низкотемпературной средой. Метод регулирования температуры с помощью резистивного нагрева уже является очень зрелой технологией. В данной статье основное внимание будет уделено методу регулирования давления над низкотемпературной средой, рассмотрено влияние точности регулирования давления на стабильность при низких температурах, а также предложены методы реализации и конкретные схемы высокоточного регулирования давления.
2. Взаимосвязь между точностью регулирования давления воздуха и стабильностью температуры.
В качестве примера рассмотрим жидкий водород. На рисунке 1 показаны давление насыщенного пара жидкого водорода и соответствующая кривая изменения температуры.
Как видно на рисунке 1, в очень узком диапазоне температур приведенная выше кривая может быть описана прямой линией, поэтому ее можно получить в диапазоне температур около 4 К; колебания давления воздуха около 100 Па могут вызвать колебания температуры около 1 мК. Следовательно, можно считать, что если колебания должны быть менее 1 мК, то колебания давления воздуха не могут превышать 100 Па.
3. Три режима регулировки давления воздуха в верхней части кузова.
Как правило, в верхней части криогенной среды используются три режима регулирования давления воздуха: резистивный нагрев, регулирование потока и регулирование давления.
3.1 Режим резистивного нагрева
В процессе поддержания постоянной температуры в криостате режим резистивного нагрева заключается в размещении резистивного проволочного нагревателя в низкотемпературной среде. Как показано на рисунке 2, вакуумметр отслеживает изменение давления воздуха в верхней части, а ПИД-регулятор изменяет ток нагрева для регулирования и контроля давления воздуха в верхней части, поддерживая постоянное давление воздуха в верхней части на заданном значении. Из рисунка 2 видно, что режим резистивного нагрева больше подходит для повышения температуры за счет повышения давления в верхней части, но он не позволяет снижать давление и охлаждать.
3.2 Режим управления потоком
Режим регулирования потока — это типичный режим снижения давления и охлаждения. Как показано на рисунке 3, вакуумный насос непрерывно откачивает воздух из криостата с определенной скоростью, чтобы снизить верхнее давление воздуха. Вакуумметр, электронный пневматический клапан регулирования потока и ПИД-регулятор образуют замкнутый контур управления. Электронный пневматический клапан регулирования потока серии FC регулирует поток воздуха для точного и постоянного поддержания верхнего давления воздуха на уровне вакуума. Видно, что режим регулирования потока больше подходит для охлаждения и регулирования температуры путем снижения верхнего давления воздуха, но он не позволяет достичь сверхнагнетания и нагрева.
Кроме того, в режиме регулирования потока непрерывная откачка вакуумным насосом приводит к более серьезному неэффективному рассеиванию низкотемпературной среды.
Для получения дополнительной информации об электронно-пневматических клапанах регулирования потока серии FC, пожалуйста, посетите https://ru.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm
3.3 Режим регулирования давления
Режим регулирования давления — это режим регулирования температуры, позволяющий повышать или понижать давление. Как показано на рисунке 4, при использовании вакуумного насоса для откачки используется режим понижения давления. При использовании бустерного насоса используется режим повышения давления. Это позволяет обеспечить непрерывное регулирование температуры в широком диапазоне температур. Используемый пропорциональный регулятор давления имеет один воздушный вход (атмосферное давление). В сочетании с вакуумным насосом он позволяет эффективно избежать значительного неэффективного рассеивания низкотемпературной среды, поддерживая при этом постоянное давление в верхней части теплообменника.
Кроме того, метод сверхбыстрого наддува может быть достигнут путем добавления электрического нагревателя к низкотемпературной среде.
4. Дополнительные сведения о работе
При реализации вышеуказанных трех режимов управления следует обратить особое внимание на следующие детали:
(1) Выбор вакуумметра. Вакуумметр — это датчик, измеряющий изменение давления воздуха в верхней части. Он является ключевым фактором, определяющим стабильность регулирования температуры криостата, поэтому обязательно выбирайте высокоточный вакуумметр. В настоящее время высокоточные вакуумметры, как правило, представляют собой емкостные пленочные датчики, общая точность которых обычно составляет 0,2%. Как упоминалось выше, в процессе поддержания постоянной температуры жидкого водорода около 4 К колебания давления воздуха не должны превышать 100 Па и ±50 Па. Если это соответствует регулированию давления воздуха в 100 кПа, точность вакуумметра должна быть выше ±0,05%. Таким образом, для поддержания постоянной температуры с колебаниями температуры менее 1 мК также требуется более точный вакуумметр.
(2) Выбор ПИД-регулятора. В процессе регулирования постоянной температуры ПИД-регулятор получает измеренное значение вакуумметра через АЦП, а затем передает управляющий сигнал исполнительному механизму (электрическому игольчатому клапану, регулятору давления и источнику питания нагрева и т. д.) через ЦАП после вычислений. Поэтому, чтобы обеспечить полное использование и регулирование высокой точности вакуумметра с помощью электронного пневматического клапана регулирования потока, чем выше точность АЦП и ЦАП, тем лучше, как минимум 16-битный, а настоятельно рекомендуется использовать 24-битный высокоточный ПИД-регулятор.
(3) Размещение регулятора напряжения. Регулятор давления — это устройство управления давлением, объединяющее датчик вакуумного давления, контроллер и клапан, но точность датчика вакуумного давления значительно ниже, чем у тонкопленочного конденсатора, а точность контроллера также относительно низка. Поэтому при использовании регулятора напряжения следует выбирать внешний режим управления, то есть в качестве управляющего датчика используется тонкопленочный конденсатор.
Кроме того, следует отметить, что АЦП и ЦАП контроллера в регуляторе имеют низкую точность. Таким образом, для высокоточной и высокостабильной регулировки давления воздуха режим регулирования давления не рекомендуется, если не используется специально изготовленный высокоточный стабилизатор напряжения.