CN114637349B - 一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法。所述液氦温区恒温装置包括：液氦容器、第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、温度计、活性炭包、超导磁悬浮核心敏感单元、真空层、液氦、压强表以及控制系统。本发明公开的液氦温区恒温装置采用两级温度控制方法，第一级把超导磁悬浮敏感单元封闭在一个真空层内，并将真空层浸泡在液氦浴中，通过控制液氦容器内饱和蒸气压的压强对液氦浴温度进行控制，从而为超导磁悬浮敏感单元提供稳定背景环境场。第二级通过惠斯通电桥精确测量超导磁悬浮敏感单元的温度，再用加热丝加热和PID控制实现对超导磁悬浮敏感单元的主动温度控制。

Description

一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法

技术领域

本发明涉及恒温控制技术领域，特别是涉及一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法。

背景技术

利用超导体的迈斯那效应、零电阻效应和极低温工作环境发展形成的超导磁悬浮仪器技术在一些精密重力、惯性等测量领域具有特殊优势和广阔应用前景。

超导磁悬浮仪器的核心优势之一是利用超导特性可以实现核心超导敏感部件的无接触悬浮。其原理基础是超导体的迈斯那效应也即完全抗磁性，当超导敏感部件处于外磁场中时，外磁场会穿透超导敏感部件表面一定深度，形成屏蔽电流，该屏蔽电流与外磁场相互作用形成斥力，也即超导磁悬浮力，从而实现超导敏感部件的无接触悬浮。受各种环境因素影响，当超导敏感部件的温度发生变化时，外磁场在超导敏感部件表面的穿透深度会随之改变，从而导致超导磁悬浮力产生变化，这种情况对于精密测量来说是不能接受的，会给仪器的输出信号带来严重干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法，用于对处于液氦温区工作的精密超导磁悬浮仪器核心超导敏感部件实现高精度温度控制，有效解决温度波动对精密超导磁悬浮仪器核心超导敏感部件的不利影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种液氦温区恒温装置，包括：液氦容器、第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、温度计、活性炭包、超导磁悬浮核心敏感单元、真空层、液氦、压强表以及控制系统；

所述液氦填充在所述液氦容器内，所述第一加热丝和所述真空层位于所述液氦容器内，所述超导磁悬浮核心敏感单元位于所述真空层内；所述活性炭包位于所述真空层内底部；所述超导磁悬浮核心敏感单元吊装于真空层内，所述温度计位于所述超导磁悬浮核心敏感单元的左侧，所述第二加热丝均匀缠绕在所述超导磁悬浮核心敏感单元上部；所述第三加热丝均匀缠绕在所述活性炭包外侧；

所述压强表位于所述液氦容器上侧三通结构的左侧；所述压强表与所述控制系统信号连接；所述控制系统还分别与所述第一加热丝、第二加热丝和第三加热丝信号连接。

可选地，还包括：第一拉杆和第二拉杆，所述超导磁悬浮核心敏感单元通过所述第一拉杆与所述真空层顶端内侧表面连接固定；所述真空层通过所述第二次拉杆与所述液氦容器顶端内侧连接固定。

可选地，还包括：第一引线插头和第二引线插头；所述第一引线插头通过焊接与所述真空层连接，所述第二引线插头通过焊接与所述液氦容器的上侧三通结构连接。

可选地，所述控制系统包括第一PID控制模块、第二PID控制模块、惠斯通电桥模块、第一加热丝电源、第二加热丝电源以及第三加热丝电源；

所述压强表的输出端子通过引线与所述第一PID控制模块的输入端子电气连接；所述第一PID控制模块的输出端子通过引线与所述第一加热丝电源的输入端子电气连接；所述第一加热丝电源的输出端子通过引线和所述第二引线插头与所述第一加热丝的引线端子电气连接；所述温度计的两个端子中每个端子分别引出两条引线均通过所述第一引线插头和所述第二引线插头与所述惠斯通电桥模块的输入端子电气连接；所述惠斯通电桥模块的输出端子与所述第二PID控制模块的输入端子电气连接；所述第二PID控制模块的输出端子通过引线与第二加热丝电源的输入端子电气连接；所述第二加热丝电源的输出端子通过引线、所述第二引线插头和所述第一引线插头与所述第二加热丝的引线端子电气连接；所述第三加热丝电源通过引线、所述第二引线插头和所述第一引线插头与所述第三加热丝的引线端子电气连接。

可选地，所述第二加热丝采用双绕方式均匀缠绕在所述超导磁悬浮核心敏感单元的上部。

可选地，所述第一拉杆和所述第二拉杆均包括圆柱形环氧杆和金属转接头；所述金属转接头设置所述圆柱形环氧杆的两端。

可选地，所述液氦容器工作时填充所述液氦的液面高度占最大液面高度的2/3～4/5。

可选地，所述第一加热丝电源、所述第二加热二电源均为压控直流电压或者电流源；所述第三加热丝电源为直流电压或者电流源。

可选地，所述温度计的测量范围为4K～300K。

本发明还提供了一种应用于液氦温区恒温装置的恒温控制方法，包括：

S1：开启制冷系统使液氦容器及真空层降温至4.2K；

S2：在降温过程中，真空层活性炭包的吸附作用随着温度降低逐渐增强直至将大部分氦气吸附完，真空层处于较高真空状态，超导磁悬浮核心敏感单元与外部结构之间的热传递能力大幅降低，导致超导磁悬浮核心敏感单元温度明显高于已处于4.2K的真空层和液氦容器；打开第三加热丝电源，对第三加热丝通电，使真空层内活性炭包温度升高，活性炭包吸附能力减弱，将吸附的氦气释放，从而增大真空层压强，增大超导磁悬浮核心敏感单元与外部结构之间的热传递能力，使超导磁悬浮核心敏感单元降温至4.2K；

S3：观察超导磁悬浮核心敏感单元温度，当超导磁悬浮核心敏感单元温度降至4.2K时，关闭第三加热丝电源，停止对活性炭包加热，活性炭包吸附能力增强，重新将真空层大部分氦气吸附完；

S4：向液氦容器内填充液氦，控制液氦液面处于最大液面高度4/5处；

S5：开启并设置压强表、第一PID控制模块和第一加热丝电源处于工作状态，设置第一PID控制模块的目标压强控制点为102kPa，第一PID控制模块根据接收的压强表信号与目标压强控制点之间的差值输出控制信号，从而控制第一加热丝电源对第一加热丝的加热功率，使液氦容器的压强保持在目标压强控制点；

S6：当液氦容器压强被稳定控制在102kPa时，开启并设置惠斯通电桥模块、第二PID控制模块和第二加热丝电源处于工作状态；设置第二PID控制模块的目标温度控制值为4.4K～4.6K范围内的任意一个固定温度值，第二PID控制模块根据接收的惠斯通电桥模块的温度测量值与目标温度控制点之间的差值输出控制信号，从而控制第二加热丝电源对第二加热丝的加热功率，使超导磁悬浮核心敏感单元的温度保持在目标温度控制点，至此完成对超导磁悬浮核心敏感单元的恒温控制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的液氦温区恒温装置采用两级温度控制方法，第一级把超导磁悬浮敏感单元封闭在一个真空层内，并将真空层浸泡在液氦浴中，通过控制液氦容器内饱和蒸气压的压强对液氦浴温度进行控制，从而为超导磁悬浮敏感单元提供稳定背景温度场。第二级通过惠斯通电桥精确测量超导磁悬浮敏感单元的温度，再用加热丝加热和PID控制实现对超导磁悬浮敏感单元的主动温度控制。本发明能够对处于液氦温区工作的精密超导磁悬浮仪器核心超导敏感部件实现高精度恒温控制，有效解决温度波动对精密超导磁悬浮仪器核心超导敏感部件的不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例液氦温区恒温装置的结构示意图；

图2为本发明实施例活性炭包的结构示意图；

图3为本发明实施例第一拉杆和第二拉杆的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法，用于对处于液氦温区工作的精密超导磁悬浮仪器核心超导敏感部件实现高精度温度控制，有效解决温度波动对精密超导磁悬浮仪器核心超导敏感部件的不利影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本发明提供的液氦温区恒温装置，包括：液氦容器1、第一引线插头2、第一加热丝3、温度计4、活性炭包5、第三加热丝6、超导磁悬浮核心敏感单元7、第二加热丝8、真空层9、第一拉杆10、第二拉杆11、液氦12、第二引线插头13、压强表14以及控制系统。所述控制系统包括第一PID控制模块、第二PID控制模块、惠斯通电桥模块、第一加热丝电源、第二加热丝电源以及第三加热丝电源。

所述液氦12填充在所述液氦容器1内，真空层9位于液氦容器1内，真空层9通过第二拉杆11与液氦容器1顶端内侧连接固定；第一加热丝3位于液氦容器1中间位置；第二引线插头13通过焊接与所述液氦容器1的上侧三通结构连接；压强表14位于液氦容器1上侧三通结构的左侧。超导磁悬浮核心敏感单元7吊装于真空层9内，超导磁悬浮核心敏感单元7通过第一拉杆10与真空层9顶端内侧表面连接固定；温度计4位于超导磁悬浮核心敏感单元7左侧；第二加热丝8采用双绕方式均匀缠绕在超导磁悬浮核心敏感单元7上部；活性炭包5位于真空层9内底部，第三加热丝6均匀缠绕在活性炭包5外侧；所述活性炭包5内装有活性炭15。第一引线插头2通过焊接与所述真空层9连接。

所述压强表14的输出端子通过引线与所述第一PID控制模块的输入端子电气连接；所述第一PID控制模块的输出端子通过引线与所述第一加热丝电源的输入端子电气连接；所述第一加热丝电源的输出端子通过引线和所述第二引线插头13与所述第一加热丝3的引线端子电气连接；所述温度计4的两个端子中每个端子分别引出两条引线均通过所述第一引线插头2和所述第二引线插头13与所述惠斯通电桥模块的输入端子电气连接；所述惠斯通电桥模块的输出端子与所述第二PID控制模块的输入端子电气连接；所述第二PID控制模块的输出端子通过引线与第二加热丝电源的输入端子电气连接；所述第二加热丝电源的输出端子通过引线、所述第二引线插头13和所述第一引线插头2与所述第二加热丝8的引线端子电气连接；所述第三加热丝电源通过引线、所述第二引线插头13和所述第一引线插头2与所述第三加热丝6的引线端子电气连接。

作为一个具体的实施例，所述压强表14的测量范围为80kPa～120kPa，测量范围集中在一个标准大气压附近；测量引线均为双绞铜线。

作为一个具体的实施例，所述第一加热丝3、第二加热丝8和第三加热丝6均为锰铜材料，电阻丝的阻值、直径和长度根据加热功率需要确定。所述第一引线插头2和第二引线插头13均为能在液氦温度下保持真空的引线插头。

作为一个具体的实施例，如图3所示，所述第一拉杆10和第二拉杆11中间部分均为圆柱形环氧杆17，由G10环氧材料加工而成，圆柱形环氧杆17上下两端开有圆孔；圆柱形环氧杆17上下两端设置有金属转接头16，由304不锈钢材料加工而成。圆柱形环氧杆17上下两端通过螺钉分别与金属转接头16连接紧固。第一拉杆10的金属转接头通过焊接方式分别与液氦容器1顶部内表面和真空层9顶部外表面连接。第二拉杆11上下两端的金属转接头通过焊接方式分别与真空层9内表面和超导磁悬浮核心敏感单元7顶部外表面连接。

作为一个具体的实施例，所述液氦容器1工作时填充液氦12的液面高度占最大液面高度的2/3～4/5比例范围内。所述第一加热丝3位置处于液氦容器1最大液面高度的1/2处。

作为一个具体的实施例，所述第一加热丝电源、第二加热二电源均为压控直流电压或者电流源。第三加热丝电源为直流电压或者电流源。

作为一个具体的实施例，所述温度计4为的测量范围为4K～300K。

作为一个具体的实施例，所述真空层9在密封前填充有一定量氦气，室温条件下，氦气填充后真空层9压强等于一个标准大气压。

本发明在液氦温区实现恒温控制思路为：

本发明采用两级温度控制方法，第一级把超导磁悬浮敏感单元封闭在一个真空层内，并将真空层浸泡在液氦浴中，通过控制液氦容器内饱和蒸气压的压强对液氦浴温度进行控制，从而为超导磁悬浮敏感单元提供稳定背景温度场。第二级通过惠斯通电桥精确测量超导磁悬浮敏感单元的温度，再用加热丝加热和PID控制实现对超导磁悬浮敏感单元的主动温度控制。

液氦饱和蒸汽压也即液氦容器内压强与液氦浴温度之间的关系为：压强变化100Pa，液氦浴温度变化1mK左右。如果将液氦容器内压强控制在10Pa，液氦浴温度即可控制在0.1mK，当热平衡后，超导磁悬浮核心敏感单元背景温度波动将小于0.1mK。再此基础上，对超导磁悬浮核心敏感单元进行主动控制控制，稳定后可使超导磁悬浮核心敏感单元温度波动被控制在10uK量级。

利用所述液氦温区恒温装置进行恒温控制的方法，具体包括：

S1：开启制冷系统使液氦容器、真空层降温至4.2K左右。

S2：在降温过程中，由于真空层活性炭包的吸附作用随着温度降低逐渐增强直至将绝大部分氦气吸附完，真空层处于较高真空状态，超导磁悬浮核心敏感单元与外部结构之间的热传递能力大幅降低，导致超导磁悬浮核心敏感单元温度明显高于已处于4.2K的真空层和液氦容器，如果不调节真空层真空度，需要经过很长时间才能使超导磁悬浮核心敏感单元的温度降至4.6K的工作温度以下。为了使超导磁悬浮核心敏感单元尽快降温至4.2K，此时需要增大真空层的氦气量。通过打开加热丝三电源，对加热丝三通电，可使真空层内活性炭包温度升高，活性炭包吸附能力减弱，会将吸附的氦气释放，从而增大真空层压强，增大超导磁悬浮核心敏感单元与外部结构之间的热传递能力，从而使超导磁悬浮核心敏感单元快速降温至4.2K。

S3：观察超导磁悬浮核心敏感单元温度，当超导磁悬浮核心敏感单元温度降至4.2K时，关闭加热丝三电源，停止对活性炭包加热，活性炭包吸附能力增强，重新将真空层绝大部分氦气吸附完。

S4：向液氦容器内填充液氦，控制液氦液面处于最大液面高度4/5处。

S5：开启并设置压强表、PID控制模块一和加热丝一电源处于工作状态，设置PID控制模块一目标压强控制点为102kPa，PID控制模块一根据接收的压强表信号与目标压强控制点之间的差值输出控制信号，从而控制加热丝一电源对加热丝一的加热功率，使液氦容器的压强保持在目标压强控制点。

S6：当液氦容器压强被稳定控制在102kPa时，开启并设置惠斯通电桥模块、PID控制模块二和加热丝二电源处于工作状态。设置PID控制模块二目标温度控制值为4.4K～4.6K范围内的任意一个固定温度值，PID控制模块二根据接收的惠斯通电桥模块的温度测量值与目标温度控制点之间的差值输出控制信号，从而控制加热丝二电源对加热丝二的加热功率，使超导磁悬浮核心敏感单元的温度保持在目标温度控制点，至此完成对超导磁悬浮核心敏感单元的恒温控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种液氦温区恒温装置，其特征在于，包括：液氦容器、第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、温度计、活性炭包、超导磁悬浮核心敏感单元、真空层、液氦、压强表以及控制系统；

所述液氦填充在所述液氦容器内，所述第一加热丝和所述真空层位于所述液氦容器内，所述超导磁悬浮核心敏感单元位于所述真空层内；所述活性炭包位于所述真空层内底部；所述超导磁悬浮核心敏感单元吊装于真空层内，所述温度计位于所述超导磁悬浮核心敏感单元的左侧，所述第二加热丝均匀缠绕在所述超导磁悬浮核心敏感单元上部；所述第三加热丝均匀缠绕在所述活性炭包外侧；

所述压强表位于所述液氦容器上侧三通结构的左侧；所述压强表与所述控制系统信号连接；所述控制系统还分别与所述第一加热丝、第二加热丝和第三加热丝信号连接；

所述液氦温区恒温装置还包括：第一引线插头和第二引线插头；所述第一引线插头通过焊接与所述真空层连接，所述第二引线插头通过焊接与所述液氦容器的上侧三通结构连接；

所述控制系统包括第一PID控制模块、第二PID控制模块、惠斯通电桥模块、第一加热丝电源、第二加热丝电源以及第三加热丝电源；

所述压强表的输出端子通过引线与所述第一PID控制模块的输入端子电气连接；所述第一PID控制模块的输出端子通过引线与所述第一加热丝电源的输入端子电气连接；所述第一加热丝电源的输出端子通过引线和所述第二引线插头与所述第一加热丝的引线端子电气连接；所述温度计的两个端子中每个端子分别引出两条引线均通过所述第一引线插头和所述第二引线插头与所述惠斯通电桥模块的输入端子电气连接；所述惠斯通电桥模块的输出端子与所述第二PID控制模块的输入端子电气连接；所述第二PID控制模块的输出端子通过引线与第二加热丝电源的输入端子电气连接；所述第二加热丝电源的输出端子通过引线、所述第二引线插头和所述第一引线插头与所述第二加热丝的引线端子电气连接；所述第三加热丝电源通过引线、所述第二引线插头和所述第一引线插头与所述第三加热丝的引线端子电气连接。

2.根据权利要求1所述的液氦温区恒温装置，其特征在于，还包括：第一拉杆和第二拉杆，所述超导磁悬浮核心敏感单元通过所述第一拉杆与所述真空层顶端内侧表面连接固定；所述真空层通过所述第二拉杆与所述液氦容器顶端内侧连接固定。

3.根据权利要求1所述的液氦温区恒温装置，其特征在于，所述第二加热丝采用双绕方式均匀缠绕在所述超导磁悬浮核心敏感单元的上部。

4.根据权利要求2所述的液氦温区恒温装置，其特征在于，所述第一拉杆和所述第二拉杆均包括圆柱形环氧杆和金属转接头；所述金属转接头设置所述圆柱形环氧杆的两端。

5.根据权利要求1所述的液氦温区恒温装置，其特征在于，所述液氦容器工作时填充所述液氦的液面高度占最大液面高度的2/3～4/5。

6.根据权利要求1所述的液氦温区恒温装置，其特征在于，所述第一加热丝电源、所述第二加热二电源均为压控直流电压或者电流源；所述第三加热丝电源为直流电压或者电流源。

7.根据权利要求1所述的液氦温区恒温装置，其特征在于，所述温度计的测量范围为4K～300K。

8.一种应用于权利要求1-7任一项所述的液氦温区恒温装置的恒温控制方法，包括：

S1：开启制冷系统使液氦容器及真空层降温至4.2K；

S2：在降温过程中，真空层活性炭包的吸附作用随着温度降低逐渐增强直至将大部分氦气吸附完，真空层处于较高真空状态，超导磁悬浮核心敏感单元与外部结构之间的热传递能力大幅降低，导致超导磁悬浮核心敏感单元温度明显高于已处于4.2K的真空层和液氦容器；打开第三加热丝电源，对第三加热丝通电，使真空层内活性炭包温度升高，活性炭包吸附能力减弱，将吸附的氦气释放，从而增大真空层压强，增大超导磁悬浮核心敏感单元与外部结构之间的热传递能力，使超导磁悬浮核心敏感单元降温至4.2K；

S3：观察超导磁悬浮核心敏感单元温度，当超导磁悬浮核心敏感单元温度降至4.2K时，关闭第三加热丝电源，停止对活性炭包加热，活性炭包吸附能力增强，重新将真空层大部分氦气吸附完；

S4：向液氦容器内填充液氦，控制液氦液面处于最大液面高度4/5处；

S5：开启并设置压强表、第一PID控制模块和第一加热丝电源处于工作状态，设置第一PID控制模块的目标压强控制点为102kPa，第一PID控制模块根据接收的压强表信号与目标压强控制点之间的差值输出控制信号，从而控制第一加热丝电源对第一加热丝的加热功率，使液氦容器的压强保持在目标压强控制点；

S6：当液氦容器压强被稳定控制在102kPa时，开启并设置惠斯通电桥模块、第二PID控制模块和第二加热丝电源处于工作状态；设置第二PID控制模块的目标温度控制值为4.4K～4.6K范围内的任意一个固定温度值，第二PID控制模块根据接收的惠斯通电桥模块的温度测量值与目标温度控制点之间的差值输出控制信号，从而控制第二加热丝电源对第二加热丝的加热功率，使超导磁悬浮核心敏感单元的温度保持在目标温度控制点，至此完成对超导磁悬浮核心敏感单元的恒温控制。

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