CN104317336A - 低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，包括控制模块，控制模块分别与温度检测模块、压力检测模块、加热模块连接，加热模块与加热电阻丝连接，控制模块还连接有显示模块和计算机通讯模块；控制方法为：压力检测模块和温度检测模块检测的压力值和温度值转换为电信号传送给控制模块，控制模块对电信号数值进行判断，获得加热器的加热电流，控制加热模块进行加热。本发明低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，解决了现有控制装置控制安全性差的问题，特别是当压力传感器损坏或停止工作时，能够使低温超导磁体能够长期稳定可靠地工作，提高了超导磁体的安全性。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体控制技术领域，本发明涉及一种低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，本发明还涉及该装置的控制方法。
背景技术
超导磁体的正常工作需要低温条件的维持。目前超导磁体的冷却方式主要分为低温工质浸泡式和制冷机直接冷却的无冷媒制冷式。采用低温工质浸泡的优点在于磁体运行环境稳定可靠，是目前国际低温超导领域比较可靠、流行的方法。但无论采用哪种方式，磁体的漏热来源全部为传导、对流和辐射。对于有低温工质的磁体，通过以上三种方式传热到低温容器里的热负荷，被低温容器中的低温工质(如：液氦、液氖、液氮)吸收，导致冷却液体由于吸收热量蒸发成冷却气体，蒸发的冷却气体通过吸收冷量或流动到液化温区表面，冷凝成冷却液体回流至低温容器中。如果传入低温容器里的热负荷小于其他机器的制冷量或气体液化温区的制冷量，低温容器内的压力就会低于外部的大气压，如果低温容器不是真空系统或真空系统的密封性不够完好，则会导致外部空气进入磁体低温容器内。由于材料在低温下有冷脆现象，当外部空气吸入低温容器时，磁体内低温容器一些零件由于水汽、气体凝固等会受到力的作用，导致磁体受到破坏。同时，由于水汽结冰或气体固化，一些电子设备如液位传感器、温度计等测得的数值会发生不准确的情况。因此，保证磁体内低温容器正压对磁体的安全有至关重要的作用。这样，当磁体内气压低于外部气压时，需要在低温容器内安装加热器，使液体挥发成气体，使容器内气压略高于外部气压。
传统技术中采取的控制方式是：采用固定加热功率对低温容器内低温工质进行加热，但是低温容器内压力会由于杜瓦的热侵入不同而改变，如果加热功率设置不当，不利于磁体的安全；另一种方式是通过采用压力传感器监测低温容器内的压力，与大气压进行比较，从而调整磁体内加热器的功率，一旦传感器发生问题，对低温系统会造成不可逆转的破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，解决了现有控制装置控制安全性差的问题。
本发明的另一个目的是提供上述控制装置的控制方法。
本发明所采用的技术方案是：低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，包括控制模块，控制模块分别与温度检测模块、压力检测模块、加热模块连接，加热模块与加热电阻丝连接，控制模块还连接有显示模块和计算机通讯模块。
本发明的特点还在于，
控制模块的主芯片采用C8051F350单片机。
压力检测模块采用MPX7050压力传感器。
温度检测模块采用CERNOX 1050高灵敏低温温度计。
本发明所采用的另一个技术方案是：低温工质浸泡式超导磁体的压力控制方法，基于低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，包括以下步骤：
步骤1：压力检测模块检测低温容器中当前的压力值并转换为电压信号传送给控制模块，温度检测模块检测低温液体的温度值并转换为电压信号传送给控制模块；
步骤2：控制模块接收步骤1压力检测模块和温度检测模块传送的电压信号后，采用数据差分取绝对值的方法剔除不准确信号值，并将电压信号转换为电压值，然后判断压力检测模块2测得的压力值对应的压强是否在设定范围内；
压强在设定范围内，将压力检测模块测得的压力值对应的电压值与储存在控制模块中的不同压力对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组进行比较，获得加热电流，向加热模块发出加热指令和加热电流值；
压强不在设定范围内，则将温度检测模块测得的温度值对应的电压值与储存在控制模块中的不同温度对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组进行比较，获得加热电流，向加热模块发出加热指令和加热电流值；
步骤3：加热模块接收控制模块发来的加热指令和加热电流值，加热指令使电流输出控制继电器打开，可控电流源输出接收的电流值，使电阻加热丝发热，完成加热控制；
步骤4：显示模块完成压力数值与加热电流值的显示，计算机通讯模块将当前测得的压力数值、温度数值与加热电流值发送给计算机完成压力、温度与电流值的文件记录；
步骤5：重复步骤1-4。
本发明的特点还在于，
低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置包括控制模块，控制模块的主芯片采用C8051F350单片机，控制模块分别与温度检测模块、压力检测模块、加热模块连接，压力检测模块采用MPX7050压力传感器，温度检测模块采用CERNOX 1050高灵敏低温温度计，加热模块与加热电阻丝连接，控制模块还连接有显示模块和计算机通讯模块。
本发明的有益效果是：本发明低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，使用压力检测模块和温度检测模块对系统进行双重控制，解决了现有控制装置控制安全性差的问题，特别是当压力传感器损坏或停止工作时，能够通过温度检测模块的控制使低温超导磁体能够长期稳定可靠地工作，提高了超导磁体的安全性。
附图说明
图1是本发明低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置的结构示意图；
图2是本发明低温工质浸泡式超导磁体的压力控制方法流程图；
图3是本发明实施例低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置的结构示意图；
图4是本发明实施例温度值与压强值的对应关系曲线。
其中，l.温度检测模块，2.压力检测模块，3.低温容器，4.外层真空低温容器，5.磁体绕组，6.电阻加热丝，7.控制模块，8.显示模块，9.计算机通讯模块，10.加热模块，11.G-M制冷机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，如图1所示，包括控制模块7，控制模块7分别与温度检测模块1、压力检测模块2、加热模块10连接，加热模块10与加热电阻丝6连接，控制模块7还连接有显示模块8和计算机通讯模块9；其中，控制模块7的主芯片采用C8051F350单片机，压力检测模块2采用MPX7050压力传感器，温度检测模块1采用CERNOX1050高灵敏低温温度计。
上述装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：压力检测模块2检测低温容器3中当前的压力值并转换为电压信号传送给控制模块7，温度检测模块1检测低温液体的温度值并转换为电压信号传送给控制模块7；
步骤2：控制模块7接收步骤1压力检测模块2和温度检测模块1传送的电压信号后，采用数据差分取绝对值的方法剔除不准确信号值，并将电压信号转换为电压值，然后判断压力检测模块2测得的压力值对应的压强是否在1-20KPa内；
步骤2.1：压强在1-20KPa范围内，将压力检测模块2测得的压力值对应的电压值与储存在控制模块7中的不同压力对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组进行比较，该数值数组由实验测定得到，若该数值数组中记录有该电压值，则直接由该数值数组获得该电压值对应的加热电流，向加热模块10发出加热指令和加热电流值；若该数值数组中没有记录该电压值，则由该数值数组中记录的与该电压值最接近的2个电压值通过最小二乘法计算得到该电压值对应的加热电流，向加热模块10发出加热指令和加热电流值；
步骤2.2：压强不在1-20KPa范围内，则将温度检测模块1测得的温度值对应的电压值与储存在控制模块7中的不同温度对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组进行比较，该数值数组由实验测定得到，若该数值数组中记录有该电压值，则直接由该数值数组获得该电压值对应的加热电流，向加热模块10发出加热指令和加热电流值；若该数值数组中没有记录该电压值，则由该数值数组中记录的与该电压值最接近的2个电压值通过最小二乘法计算得到该电压值对应的加热电流，向加热模块10发出加热指令和加热电流值；
步骤3：加热模块10接收控制模块7发来的加热指令和加热电流值，加热指令使电流输出控制继电器打开，可控电流源输出接收的电流值，使电阻加热丝6发热，完成加热控制；
步骤4：显示模块8完成压力数值与加热电流值的显示，计算机通讯模块9将当前测得的压力数值、温度数值与加热电流值发送给计算机完成压力、温度与电流值的文件记录；
步骤5：重复步骤1-4。
压力检测模块2安装在外层真空低温容器4上部，用于检测低温容器3中的压力值，并转换为电压信号，传送给控制模块7，采用MPX7050压力传感器，最大输出电压为40mV；同样，温度检测模块1安装在磁体绕组5下部，置于低温工质液氦中，检测液氦的温度，转化成电信号并把电信号发送给控制模块7，采用CERNOX 1050高灵敏低温温度计；
控制模块7接收压力检测模块2检测到的低温容器3中的压力转化成电压信号后的数值和温度检测模块1对应的电信号，并对数值进行处理，剔除不准确信号值，将最终的数值与储存在控制模块7中的数值表进行比较，获得加热电流，向加热模块10发出加热指令和加热电流值。储存在控制模块7的数值分为两组，第一组为压力的电压值与加热电流的对应关系数组，第二组为低温液体温度的电压值与压力的对应关系数组，采用C8051F350单片机作为控制模块7的主芯片，外围电路包含RS232串口通讯和外部存储器；
储存在控制模块7中的不同压力对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组通过以下方法测得：根据磁体内部微正压的要求，在保证该要求的前提下，对加热模块10加载不同电流值，通过记录不同压力下压力检测模块2压力值对应的电压值与加热电流值即可得到不同压力对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组，整个过程中必须保证磁体内部压强在20KPa以内；
储存在控制模块7中的不同温度对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组通过以下方法测得：根据磁体内部微正压的要求，在保证该要求的前提下，对加热模块10加载不同电流值，通过记录不同温度下温度检测模块1温度值对应的电压值与加热电流值即可得到不同压力对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组，整个过程中必须保证磁体内部压强在20KPa以内；
加热模块10由继电器、加热电阻丝、可控电流源组成，可控电流源与继电器相连，继电器与加热电阻丝相连，用于接收控制模块7发来的加热指令和加热电流值，加热指令使控制电流输出的继电器打开，可控电流源输出接收来的电流值，使加热电阻丝发热，完成加热控制；
显示模块8将控制模块发出的压力数值、温度数值与加热电流值显示在屏幕上；通过控制模块7的串口通讯外围电路将测得的压力数值与加热电流值发送给计算机，完成文件记录。
实施例
对于外层真空低温容器4上安装有G-M制冷机11的零挥发液氦浸泡式磁体系统，如图3所示，当压强范围为1-20KPa时，将压力检测模块2测得的压力数值对应的电压值与储存在控制模块7中的不同压力与加热电流之间关系的数值数组进行比较，获得加热电流，按照对应的加热电流向加热模块10发出加热指令和加热电流值进行加热，保证磁体内部为正压；当压强不在1-20KPa范围内时，将温度检测模块1测得的温度值对应的电压值与储存在控制模块7中的不同温度与加热电流之间的关系数值数组进行比较，获得加热电流，向加热模块10发出加热指令和加热电流值；如图4所示温度值与压强值的对应关系为：
T＝-2.95397*exp(-P/69.19789)-1.23805*exp(-P/0.80156)+5.01082(式中，T为温度值，单位为K；P为压强值，单位为KPa)。特别地，当压力检测模块2检测到压力对应的压强值低于下限阀值1KPa时，控制模块7除向加热模块10发出加热指令和加热电流值外，还需向G-M制冷机11发出停止工作命令，待压强大于1KPa时再次向G-M制冷机11发送开始工作命令。通过该控制方法，即使当压力检测模块2出现故障时，磁体系统仍然会通过温度检测模块1对压力实行控制，从而提高了系统的可靠性。
Claims (6)
1.低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，其特征在于，包括控制模块(7)，所述控制模块(7)分别与温度检测模块(1)、压力检测模块(2)、加热模块(10)连接，所述加热模块(10)与加热电阻丝(6)连接，所述控制模块(7)还连接有显示模块(8)和计算机通讯模块(9)。
2.如权利要求1所述的低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，其特征在于，所述控制模块(7)的主芯片采用C8051F350单片机。
3.如权利要求1所述的低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，其特征在于，所述压力检测模块(2)采用MPX7050压力传感器。
4.如权利要求1所述的低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，其特征在于，所述温度检测模块(1)采用CERNOX 1050高灵敏低温温度计。
5.低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置的控制方法，其特征在于，基于低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置，包括以下步骤：
步骤1：压力检测模块(2)检测低温容器(3)中当前的压力值并转换为电压信号传送给控制模块(7)，温度检测模块(1)检测低温液体的温度值并转换为电压信号传送给控制模块(7)；
步骤2：控制模块(7)接收所述步骤1压力检测模块(2)和温度检测模块(1)传送的电压信号后，采用数据差分取绝对值的方法剔除不准确信号值，并将电压信号转换为电压值，然后判断压力检测模块(2)测得的压力值对应的压强是否在设定范围内；
压强在设定范围内，将压力检测模块(2)测得的压力值对应的电压值与储存在控制模块(7)中的不同压力对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组进行比较，获得加热电流，向加热模块(10)发出加热指令和加热电流值；
压强不在设定范围内，则将温度检测模块(1)测得的温度值对应的电压值与储存在控制模块(7)中的不同温度对应的电压值与加热电流之间关系的数值数组进行比较，获得加热电流，向加热模块(10)发出加热指令和加热电流值；
步骤3：加热模块(10)接收控制模块(7)发来的加热指令和加热电流值，加热指令使电流输出控制继电器打开，可控电流源输出接收的电流值，使电阻加热丝(6)发热，完成加热控制；
步骤4：显示模块(8)完成压力数值与加热电流值的显示，计算机通讯模块(9)将当前测得的压力数值、温度数值与加热电流值发送给计算机完成压力、温度与电流值的文件记录；
步骤5：重复步骤1-4。
6.如权利要求5所述的低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置的控制方法，其特征在于，所述低温工质浸泡式超导磁体的压力控制装置包括控制模块(7)，所述控制模块(7)的主芯片采用C8051F350单片机，所述控制模块(7)分别与温度检测模块(1)、压力检测模块(2)、加热模块(10)连接，所述压力检测模块(2)采用MPX7050压力传感器，所述温度检测模块(1)采用CERNOX 1050高灵敏低温温度计，所述加热模块(10)与加热电阻丝(6)连接，所述控制模块(7)还连接有显示模块(8)和计算机通讯模块(9)。
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