Özet: Düşük sıcaklık termostatlarındaki düşük sıcaklık ortamlarının yüksek hassasiyetli kontrolüne odaklanarak, düşük sıcaklık ortamlarının dekompresyon ve sıcaklık kontrol yöntemleri ve hava basıncı kontrol doğruluğunun düşük sıcaklık stabilitesi üzerindeki etkisi esas olarak tanıtılmaktadır. Üç ısıtma, akış kontrolü ve basınç kontrolü modu ve elektro-pnömatik akış kontrol valfleri ve detayları dahil olmak üzere karşılık gelen spesifik çalışma koşulları.

1.Giriş
Düşük sıcaklık termostatlarında, düşük sıcaklık ortamının (sıvı helyum, sıvı azot, vb.) Sıcaklık dalgalanmasının ana nedeni, kaynar düşük sıcaklık ortamının üstündeki basınçtaki (vakum) değişikliktir. Bu nedenle, düşük sıcaklık ortamının içinde sabit bir sıcaklık elde etmek için, düşük sıcaklık ortamının üstündeki hava basıncı hassas bir şekilde kontrol edilmelidir.
Uluslararası ve yerli kriyostat sıcaklık kontrolü aşağıdaki üç teknik yaklaşımı benimser:
(1) Aktif kontrol yöntemi: Isıtma devresi doğrudan vakum odasına sokulur Vakum odası sıcaklığının gerçek zamanlı izleme verileri, ısıtma devresinin akımını kontrol etmek için hedef sıcaklık değeri ile karşılaştırılır.
(2) Pasif kontrol yöntemi: düşük sıcaklık ortamının üstündeki hava basıncını kontrol eder ve düşük sıcaklık ortamının sıcaklığını stabilize eder.
(3) Kompozit kontrol yöntemi: Yukarıdaki iki kontrol yöntemini birleştirerek, ısıtma kontrol devresi doğrudan düşük sıcaklık ortamına daldırılmış bir vakum odasına sokulur ve düşük sıcaklık ortamının üzerindeki hava basıncı kontrol edilir. Direnç ısıtma sıcaklığı kontrol yöntemi zaten çok olgun bir teknolojidir. Bu makale temel olarak düşük sıcaklık ortamının üstündeki basınç kontrol yöntemini inceler, basınç kontrol doğruluğunun düşük sıcaklık stabilitesi üzerindeki etkisini ve yüksek hassasiyetli basınç kontrolünün uygulama yöntemini ve spesifik şemasını sunar.

2.Hava basıncı kontrol hassasiyeti ile sıcaklık kararlılığı arasındaki ilişki
Örnek olarak sıvı hidrojen alındığında, sıvı hidrojen doymuş buhar basıncı ve karşılık gelen sıcaklık değişim eğrisi Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil l'de gösterildiği gibi, küçük bir sıcaklık aralığında, yukarıdaki eğri düz bir çizgi ile tarif edilebilir, böylece yaklaşık 4K sıcaklık aralığında elde edilebilir; Yaklaşık 100 Pa'lık bir basınç dalgalanması, yaklaşık 1 mK'lık bir sıcaklık dalgalanmasına neden olabilir. Bu nedenle, 1 mK'dan daha az bir nabız elde edilecekse, hava basıncı nabzının 100 Pa'yı geçemeyeceği düşünülebilir.

3.Üst hava basıncı kontrolünün üç modu
Düşük sıcaklıklı ortamın üstündeki hava basıncı kontrolü genellikle üç yönteme sahiptir: direnç ısıtma, akış kontrolü ve basınç kontrolü.

3.1 Direnç ısıtma yöntemi
Düşük sıcaklık sabit sıcaklık kontrol işleminde, direnç ısıtma yöntemi, düşük sıcaklık ortamına bir direnç teli ısıtıcısı yerleştirmektir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, vakum ölçer üst hava basıncındaki değişikliği algılar ve PID kontrolörü, üst hava basıncını ayarlanan değerde sabit tutmak için ısıtma akımını değiştirerek üst hava basıncını ayarlar ve kontrol eder. Şekil 2'den görülebileceği gibi, direnç ısıtma yöntemi üst basıncın sıcaklık kontrol yöntemi için daha uygundur, ancak basınç düşürülemez ve soğutulamaz.


3.2 akış kontrol modu
Akış kontrol modu tipik bir dekompresyon soğutma modudur. Şekil 3'te gösterildiği gibi, vakum pompası, üstteki hava basıncını azaltmak için kriyostatı sürekli olarak belirli bir pompalama hızında çeker. Vakum ölçer, elektronik pnömatik akış kontrol valfi ve PID kontrolörü kapalı döngü kontrol döngüsünü oluşturur. FC serisi elektronik pnömatik akış kontrol valfi hava akışını düzenler ve üst hava basıncını vakum altında doğru ve sabit tutar. Akış kontrol yönteminin, üstteki hava basıncını azaltan soğutma ve sıcaklık kontrol yöntemleri için daha uygun olduğu, ancak basınçlandırma ve ısıtma sağlayamadığı görülebilir.
Ek olarak, akış kontrol modunda, vakum pompasının sürekli emilmesi, düşük sıcaklıklı ortamın etkisiz dağılımını daha ciddi hale getirir.
FC serisi elektronik pnömatik akış kontrol valfi hakkında daha fazla bilgi için şu adresi ziyaret edin: https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

3.3 basınç kontrol yöntemi
Basınç kontrol modu, basıncı artırabilen veya azaltabilen bir sıcaklık kontrol modudur. Şekil 4'te gösterildiği gibi, vakum pompası boşaltma için kullanıldığında, basınç düşürme yöntemidir. Hidrofor pompası kullanıldığında, basıncı artırmanın bir yoludur. Geniş bir sıcaklık aralığında sürekli sıcaklık kontrolü elde etmesini sağlayın. Kullanılan oransal basınç regülatörü bir hava girişine (atmosfer basıncı) sahiptir. Vakum pompası ile birleştirildiğinde, üst basıncı sabit basınçla kontrol ederken, düşük sıcaklıklı ortamın büyük miktarda etkisiz dağılmasını etkili bir şekilde önler.
Ek olarak, buradaki takviye yöntemi, düşük sıcaklık ortamına bir elektrikli ısıtıcı eklenerek de elde edilebilir.

4. Diğer iş detayları
Yukarıdaki üç kontrol modunu uygularken, aşağıdaki ayrıntılara özellikle dikkat edilmelidir:
(1) Vakum ölçerin seçimi Vakum ölçer, üstteki basınç değişimini ölçen bir sensördür. Kriyostat sıcaklık kontrolünün stabilitesini belirlemenin anahtarı, bu nedenle yüksek hassasiyetli bir vakum ölçer seçmelisiniz. Şu anda, yüksek hassasiyetli vakum ölçerler genellikle 0.2% genel hassasiyete sahip kapasitif film ölçerlerdir. Yukarıda belirtildiği gibi, yaklaşık 4K sıvı hidrojen sabit sıcaklık kontrol işleminde, hava basıncı dalgalanmalarının 100Pa ve ± 50Pa'yı geçmemesi gerekir. 100kPa hava basıncı kontrolüne karşılık geliyorsa, vakum göstergesinin doğruluğu ± 0.05%'den yüksek olmalıdır. 1 mK'dan daha düşük sıcaklık dalgalanmalarına sahip sabit sıcaklık kontrolü altında, daha yüksek hassasiyetli vakum göstergelerinin de gerekli olduğu görülebilir.
(2) PID kontrolörünün seçimi Sabit sıcaklık kontrolü sürecinde, PID kontrolörü vakum ölçerin ölçülen değerini A/D dönüştürücü vasıtasıyla toplar ve hesaplamadan sonra kontrol sinyalini D/A dönüştürücü vasıtasıyla aktüatöre gönderir (elektrikli iğne valfi, basınç regülatörü ve ısıtma gücü, vb.). Vakum göstergesinin yüksek hassasiyetini ve kontrol hassasiyetini ayarlamak için elektronik pnömatik akış kontrol valfinden tam olarak yararlanmak için, a/D ve D/a dönüştürücülerin doğruluğu ne kadar yüksek olursa, en az 16 bit daha iyidir.PID kontrolörü.
(3) Voltaj regülatörünün konfigürasyonu Voltaj regülatörü, vakum basınç sensörünü, kontrolörü ve valfi entegre eden bir basınç kontrol cihazıdır, ancak vakum basınç sensörünün doğruluğu film kapasitöründen çok daha düşüktür ve kontrolörün doğruluğu nispeten düşüktür. Bu nedenle, bir voltaj regülatörü kullanılırken, harici bir kontrol yöntemi seçilmelidir, yani kontrol sensörü olarak ince bir film kapasitörü kullanılır.
Ek olarak, regülatördeki kontrolörün A/D ve D/A dönüştürücülerinin doğruluğunun düşük olduğuna dikkat edilmelidir. Bu nedenle, yüksek hassasiyetli, yüksek stabiliteli kafa hava basıncı kontrolü için, özel bir yüksek hassasiyetli voltaj regülatörü kullanılmadığı sürece basınç kontrolü önerilmez.