CN104952490B - 适用于east托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，包括储气容器、控制机箱、全自动抽气补气阀门、压电阀水冷系统及由Labview编写的人机操作界面。储气容器具有用于接受气体的进气口及用于输出气体的出气口，工作气体首先由压缩气缸经氧气减压阀进入储气容器，由多个阀门控制储气容器中气压大小及稳定性，最后工作气体通过一路保护阀门，由高速压电阀控制进入蜂窝状喷嘴喷出；控制机箱内部安装工控机、NI板卡、电子学器件及电磁阀；压电阀水冷系统用于将压电阀安装在真空室内部所需要满足的降温和隔绝电磁屏蔽作用；最后用Labview编写的人机操作界面实现对实验系统的设定以及实时监测。

Description

适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统
技术领域
本发明涉及EAST托卡马克装置领域，具体是一种适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统。
背景技术
能源与人类的生存和生活密切相关，能源是推动科学技术进步和经济高速发展的保障。现在，人类社会面临巨大的能源危机：地球上的化石燃料资源有限、不可再生，而且大量使用容易造成严重的环境污染，风能与水能等清洁能源也远远满足不了人类的需求。至于裂变能，则面临材料有限，核燃料和核废料均为长寿命放射性较强的元素，而且核裂变反应堆存在核事故的潜在危险等问题。正因此，目前世界上的一些国家的科学家们正在努力寻找可持续利用的新型能源，受控核聚变能就是其中比较理想的能源之一。
目前全世界对于受控核聚变所研究的热点集中于托克马克磁约束聚变装置的研究，并且对于这么大的一项人类工程全世界都采取相互公开互补保守的原则，这为研究带来了良好的合作条件。
本发明是为磁约束聚变装置（EAST）上束发射光谱所用，束发射光谱是EAST上监测内部电子温度、电子密度的关键诊断，它可以利用不同杂质激发的谱线结合其杂质所特有的碰撞辐射模型从而反演出所需要的物理信息。为了向EAST中引入杂质就是本发明所要阐明的。为了完成整个工程，主要需要解决下面三个技术问题。
1）磁约束聚变装置内部处于极端恶劣的环境条件下，内部存在着高磁场（2.5T）、高真空度（）、高真空室壁温度（200）、高温等离子体（5）。因此对于喷气系统的设计及制造要求相当严格。
2）喷气系统中首先需要满足的是喷气量要足够的小，这样才不会对EAST的内部真空度带来影响；其次为了满足喷气嘴喷出的气体能够有一定的速度这样才可以打入高温等离子体内部，需要将喷气嘴的背压比做够的小，即在小的压强下也可以喷出需要的气体速度；最后为了满足精确的控制进气，需要将高速压电阀置于真空室内部，这样就需要对高速压电阀进行水冷以及电磁屏蔽处理。
3）因为EAST装置运行期间周围会存在辐射，所以整套系统应满足可以远程操作，并且为了保证EAST运行期间控制不至于受外部网络影响，所以整个装置周围控制电脑所用网络均为内部网络，严禁与外网接通。
发明内容 本发明的目的是提供一种适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，以满足EAST托卡马克装置物理参数获得的需求。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：包括有储气容器，储气容器上开有四个刀口式法兰口，每个刀口式法兰分别连接有管接头，其中第一个管接头通过密封焊接与不锈钢管路连通，不锈钢管路中通过螺纹依次连接有三通、刀口式密封连接喷气角阀后，再密封焊连接有隔热绝缘陶瓷，不锈钢管路尾部通过密封焊接与一个不锈钢电磁屏蔽保护盒接通，不锈钢电磁屏蔽保护盒内部通过螺纹固定安装有高速压电阀，高速压电阀四周密集缠绕有铜管，且铜管两端通过手动阀门与外界水源连通形成循环管路，由外界水源向铜管内部通冷却去离子水，且去离子水由下位置铜管进入后再由上位置铜管排出形成回路带走热量，高速压电阀后端通过螺纹连接蜂窝状喷嘴，蜂窝状喷嘴与EAST大装置直接连通实现实时喷气，且不锈钢电磁屏蔽保护盒外加开一手动阀门起到紧急抽气口的作用，第二路管接头上通过刀口式法兰密封连接有规管以监测气体仓内部压强，第三路管接头通过密封焊接与另一不锈钢管路连通，第三路管接头上不锈钢管路通过螺纹依次连接三通、氧气减压阀后再与压缩气体罐连通，在第三路管接头上不锈钢管路中还安装刀口式密封连接喷气角阀来控制气路的关断，第四路管接头通过密封焊接连通有不锈钢管路，第四路管接头上不锈钢管路后端通过螺纹连接三通，第四路管接头上不锈钢管路后端三通右端与喷气角阀刀口式密封连接，第四路管接头上不锈钢管路后端三通左端依次与分子泵机组、机械泵机组抽气口可拆卸式法兰口密封连接，第四路管接头上不锈钢管路后端三通上端与规管刀口式密封连接。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：还包括一高度集成控制机箱，机箱内包含一小型工控机、一块NI控制板卡、一块220v交流电转24v直流电线性电源、两块由5v直流电控制一通道24v直流电转六通道24v直流电关断、两块由5v直流电控制24v直流电转90v直流电关断、六路24v直流电控制电磁阀用作系统中实现远程控制气路的通断、以及一块由Labview控制程序所控制的给风扇，实现对上述高度集成机箱的实时降温；所有的喷气角阀上高压控制气体与电磁阀控制气路连通，控制气路上的电磁阀控制信号通过引线同输出信号连接，输出信号的输入端由NI板卡最后连接在工控机上，规管上压强电压信号通过引线连接NI板卡最后在工控机上显示出来，高速压电阀上的控制信号直接输出信号上面的90V直流信号提供，这样可以实现远程控制工控机对系统中所有的阀门进行关断，及实时监测压强，利用工控机上编写的Labview人机界面控制NI板卡上面输出高低电平，从而控制二极管控制电路的输出信号，二极管控制电路的输出信号一部分用作控制高速压电阀的通断，一部分用作控制电磁阀的通断，电磁阀的通断控制高压控制气体的闭合，这样最终实现对喷气角阀的控制。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：还包括一由Labview编写的电气控制系统，控制版面为人机界面包括有总控制台发送的两路信号，一路作为准许喷气信号，一路作为及时关断喷气信号防止在实验条件不佳的情况下继续喷气；以及控制喷气时间、喷气脉宽、喷气次数；远程控制抽气机组运行信号；最后还包括实时监测储气容器压强信号和利用压强信号实时进行抽气、补气维持储气容器压强稳定。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：系统中总共采用18路独立阀门对工作气体进行保护，防止误操作将气体注入EAST中，系统先得到总控制台准许信号且实验条件良好信号后，气动角阀处于常开状态，前端高速压电阀接收到实验人员设定信号实现喷气的次数、脉宽和时间上的控制。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：还包括一套小型压电阀水冷系统，水冷系统由一四方体外壳包裹，外壳起到屏蔽盒以及保护盒的作用，壳体内部六面用铜管密集缠绕，铜管内通冷却去离子水一方面起到防止电磁干扰一方面起到使压电阀降温的效果。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：所述水冷系统外壳采用5毫米厚316L材质不锈钢制成，保护内部水冷系统以及防止外部电磁干扰；壳体内水冷系统采用热沉式结构将通去离子水的铜管密集缠绕在壳体的六个面上最大化的实现降温效果。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：储气容器与压缩气体罐连接管路中安装的氧气减压阀，压缩气体经氧气减压阀减压后进入储气容器，氧气减压阀包括壳体、阀芯、调节块及弹性体，阀芯置于壳体内部，壳体具有用于引导气体进入壳体内部的导气口及连接壳体内部和储气容器的气道，阀芯具有密封端和调节端，弹性体置于调节块和阀芯的调节端之间，调节块与壳体固定，阀芯具有第一位置和第二位置，在第一位置，阀芯的密封端封闭气道和导气口；在第二位置，阀芯的密封端离开气道和导气口。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：还包括两路蜂窝状喷气嘴；其蜂窝状喷气嘴由一外径8毫米316L材质不锈钢管内部安装340根外径0.21毫米316L材质不锈钢毛细管压制而成，这样可以保证喷气的准直性以及小的喷气量。
所述的适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，其特征在于：还包括两路5v直流电控制220v交流电继电器，用作远程控制分子泵、机械泵的关断。
本发明的可调压储气容器及全自动喷气系统，适用于EAST托卡马克装置中主动注入杂质，可以测量EAST边界区域的电子密度、电子温度、相关涨落的时空分布演化以及边界相关模式的演化，并可以用于主动注入杂质以观测EAST参数变化等。
本发明集成度高，操作界面简洁易行，且可以满足高真空，高磁场，高温度的恶劣环境，同时独有的喷嘴具有喷气量小、喷气准直性好的优点，最后整体系统在实验区域内网远程操作既可以实现高精度、高稳定性运行也防止了电磁辐射对实验人员的危害，为EAST物理实验提供了良好的条件。
附图说明
图1为本发明结构总装图。
图2为压电阀水冷系统剖视图。
图3为控制机箱俯视图简图。
图4为Labview电气控制系统逻辑图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统，包括有储气容器13，储气容器13上开有四个刀口式法兰口，每个刀口式法兰分别连接有管接头14，其中第一个管接头通过密封焊接与不锈钢管路4连通，不锈钢管路4中通过螺纹依次连接有三通121、刀口式密封连接喷气角阀71后，再密封焊连接有隔热绝缘陶瓷6，不锈钢管路4尾部通过密封焊接与一个不锈钢电磁屏蔽保护盒2接通，不锈钢电磁屏蔽保护盒2内部通过螺纹固定安装有高速压电阀19，高速压电阀19四周密集缠绕有铜管5，且铜管5两端通过手动阀门与外界水源10连通形成循环管路，由外界水源10向铜管内部通冷却去离子水11，且去离子水11由下位置铜管51进入后再由上位置铜管52排出形成回路带走热量，高速压电阀19后端通过螺纹连接蜂窝状喷嘴3，蜂窝状喷嘴3与EAST大装置1直接连通实现实时喷气，且不锈钢电磁屏蔽保护盒2外加开一手动阀门82起到紧急抽气口的作用，第二路管接头上通过刀口式法兰密封连接有规管151以监测气体仓内部压强，第三路管接头通过密封焊接与另一不锈钢管路连通，第三路管接头上不锈钢管路通过螺纹依次连接三通122、氧气减压阀22后再与压缩气体罐18连通，在第三路管接头上不锈钢管路中还安装刀口式密封连接喷气角阀72来控制气路的关断，第四路管接头通过密封焊接连通有不锈钢管路，第四路管接头上不锈钢管路后端通过螺纹连接三通123，第四路管接头上不锈钢管路后端三通123右端与喷气角阀刀口式密封连接，第四路管接头上不锈钢管路后端三通123左端依次与分子泵机组17、机械泵机组16抽气口可拆卸式式法兰口密封连接，第四路管接头上不锈钢管路后端三通123上端与规管152刀口式密封连接。
如图1、图2、图3所示，整体系统中所有的喷气角阀7上高压控制气体9
与电磁阀控制气路27连通，控制气路27上的电磁阀控制信号25通过引线同输出信号26连接，输出信号26的输入端20由NI板卡23最后连接在工控机24上。规管上压强电压信号21通过引线连接NI板卡23最后在工控机24上显示出来。高速压电阀19上的控制信号直接输出信号26上面的90V直流信号提供。这样可以实现远程控制工控机24对系统中所有的阀门进行关断，及实时监测压强。利用工控机24上编写的Labview人机界面控制NI板卡23上面输出高低电平，从而控制二极管控制电路26的输出信号，二极管控制电路26的输出信号一部分用作控制高速压电阀19的通断，一部分用作控制电磁阀25的通断，电磁阀25的通断控制高压控制气体27的闭合，这样最终实现对喷气角阀7的控制。
如图1、图2和图3所示，系统中一共使用了18路阀门，其中2路高速压电阀19、4路手动阀门8、4路喷气角阀7、2路氧气减压阀22及6路电磁阀25。其中涉及的手动阀门在实验开始前人为调节，实验期间不另作改动。远程控制工控机24给予数字命令从而控制NI板卡23给予数字信号，NI板卡的数字信号通过二极管控制电路转换为直流输出信号26，直流输出信号26一部分用作高速电磁阀19的开关信号，一部分用作电磁阀25的开关信号，当电磁阀25开关信号获得后将控制气路27的关断从而控制系统中的4路喷气角阀7的关断。
图4为Labview电气控制系统逻辑图；主要分为三个子系统，分别为参数设定，控制系统，及监测系统。首先在实验之前在参数设定区将系统调节至实验人员需要条件；其次在控制系统中判断总控准许信号及实验参数良好信号当两者都满足的条件下。启动喷气，否则将终止喷气；最后在监测系统中实时监测气体仓压强与设定压强做比较，当实际压强较大时自动打开抽气喷气角阀关闭进气喷气角阀，当实际压强较小时自动打开进气喷气角阀关闭抽气角阀，这样满足气体仓实际压强全自动的维持在设定压强范围内，从而满足EAST极其严格的实验要求。
图1所示为适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统结构总装图；图2所示为适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统压电阀水冷系统剖视图；图3所示为适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统控制机箱俯视图简图；图4所示为适用于EAST托卡马克装置可调压储气容器及全自动喷气系统Labview电气控制系统逻辑图。

Claims (1)

1.适用于EAST托卡马克装置的全自动喷气系统，其特征在于：包括有可调压储气容器，储气容器上开有四个刀口式法兰口，每个刀口式法兰分别连接有管接头，其中第一个管接头通过密封焊接与不锈钢管路连通，不锈钢管路中通过螺纹依次连接有三通、刀口式密封连接喷气角阀后，再密封焊连接有隔热绝缘陶瓷，不锈钢管路尾部通过密封焊接与一个不锈钢电磁屏蔽保护盒接通，不锈钢电磁屏蔽保护盒内部通过螺纹固定安装有高速压电阀，高速压电阀四周密集缠绕有铜管，且铜管两端通过手动阀门与外界水源连通形成循环管路，由外界水源向铜管内部通冷却去离子水，且去离子水由下位置铜管进入后再由上位置铜管排出形成回路带走热量，高速压电阀后端通过螺纹连接蜂窝状喷嘴，蜂窝状喷嘴与EAST大装置直接连通实现实时喷气，且不锈钢电磁屏蔽保护盒外加开一手动阀门起到紧急抽气口的作用，第二路管接头上通过刀口式法兰密封连接有规管以监测气体仓内部压强，第三路管接头通过密封焊接与另一不锈钢管路连通，第三路管接头上不锈钢管路通过螺纹依次连接三通、氧气减压阀后再与压缩气体罐连通，在第三路管接头上不锈钢管路中还安装刀口式密封连接喷气角阀来控制气路的关断，第四路管接头通过密封焊接连通有不锈钢管路，第四路管接头上不锈钢管路后端通过螺纹连接三通，第四路管接头上不锈钢管路后端三通右端与喷气角阀刀口式密封连接，第四路管接头上不锈钢管路后端三通左端依次与分子泵机组、机械泵机组抽气口可拆卸式法兰口密封连接，第四路管接头上不锈钢管路后端三通上端与规管刀口式密封连接；
还包括一由Labview编写的电气控制系统，控制板面 为人机界面包括有总控制台发送的两路信号，一路作为准许喷气信号，一路作为及时关断喷气信号防止在实验条件不佳的情况下继续喷气；以及控制喷气时间、喷气脉宽、喷气次数；远程控制抽气机组运行信号；最后还包括实时监测储气容器压强信号和利用压强信号实时进行抽气、补气维持储气容器压强稳定；
所述蜂窝状喷嘴包括两路蜂窝状喷气嘴；其蜂窝状喷气嘴由一外径8毫米316L材质不锈钢管内部安装340根外径0.21毫米316L材质不锈钢毛细管压制而成。
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