CN114893389B - 一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统，包括氦气循环系统、数据测量系统、电源、PLC控制器以及上位机；其中，氦气循环系统按照氦气流向包括依次连接的高纯氦气集装格、截止阀、氦气减压阀、稳压阀、手动球阀、氦气缓冲罐、氦减压降温泵组以及回收气袋；数据测量系统包括设于所述稳压阀与所述手动球阀之间的第一压力表、气体流量控制器和第二压力表，设于所述手动球阀与所述氦气缓冲罐之间的科氏质量流量计，以及与所述氦气缓冲罐连接的第一压力变送器、第二压力变送器和真空薄膜规。本发明还涉及一种氦减压降温泵组室温性能的测试方法，本发明简单可靠稳定，安装便易，能够在较短时间内精准测试低温泵组的性能。

Description

一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统及方法

技术领域

本发明涉及泵组测试技术领域，更具体地涉及一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统及方法。

背景技术

抽速是低温泵的一个非常重要的性能参数，是衡量泵组抽气能力大小的指标。为了定量分析低温泵抽速大小，以及在不同工况下的系统控制能力，必须对低温泵进行抽速及控制能力方面的测试。

为了对低温泵进行抽速，现有技术采用油扩散泵测抽速的方法，或者将数个低温泵装到大型真空室上去测总的平均抽速。但这些测试系统结构复杂，不易安装拆卸，且无法准确测出被测泵的具体性能参数。因此，有必要开发一种新的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，来检测低温泵组的整体性能。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统及方法，简单可靠稳定，安装便易，能够在较短时间内精准测试低温泵组的性能。

本发明提供的一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统，包括氦气循环系统、数据测量系统、用于为所述数据测量系统供电的电源、用于采集所述数据测量系统的数据的PLC控制器以及与所述PLC控制器连接的上位机；其中，所述氦气循环系统按照氦气流向包括依次连接的高纯氦气集装格、截止阀、氦气减压阀、稳压阀、手动球阀、氦气缓冲罐、氦减压降温泵组以及回收气袋；所述数据测量系统包括设于所述稳压阀与所述手动球阀之间的第一压力表、气体流量控制器和第二压力表，设于所述手动球阀与所述氦气缓冲罐之间的科氏质量流量计，以及与所述氦气缓冲罐连接的第一压力变送器、第二压力变送器和真空薄膜规。

进一步地，所述氦气减压阀与第一压力表之间设有第一变径管件，以所述对氦气减压阀与所述第一压力表之间的管路进行扩径，扩径后的管段直径大于等于DN16。

进一步地，所述氦气缓冲罐为立式固定放置的空腔结构，采用下供上回的供气模式。

进一步地，所述第一压力变送器、所述第二压力变送器和所述真空薄膜规通过测压导管安装于所述氦气缓冲罐的壳体上部。

进一步地，所述第一压力变送器与所述第二压力变送器串联，且所述第一压力变送器和第二压力变送器的量程相差一个量级，以分别监测所述氦气缓冲罐中气体工作介质的高压和低压。

进一步地，所述氦气缓冲罐与氦减压降温泵组之间设有第二变径管件，以对所述氦气缓冲罐与所述氦减压降温泵组之间的管路进行扩径，扩径后的管段压损小于等于1mbar。

进一步地，所述氦气缓冲罐的出口处设置有第一角阀，所述氦减压降温泵组的进口处设置有第二角阀。

进一步地，所述第一角阀和所述第二角阀通过波纹管分别与所述氦气缓冲罐和所述氦减压降温泵组连接。

进一步地，所述气体流量控制器与一流量显示控制器连接。

本发明还提供一种氦减压降温泵组室温性能的测试方法，包括：

步骤S1，提供如权利要求1-9所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，对所述测试系统进行安全检查，并抽真空；开启高纯氦气集装格，对氦气循环系统内残余的杂质气体进行置换；

步骤S2，开启氦气减压阀、稳压阀和手动球阀并进行调节，以使管路中各调压点至氦气缓冲罐的进口处的压力为设定值；

步骤S3，利用所述手动球阀调节气体流量控制器的背压至1.8-3.5barg，以调节管路中的氦气的压力；

步骤S4，调节压力后的氦气通过所述氦气缓冲罐静待后，缓慢启动氦减压降温泵组以使氦减压降温泵组维持在低转速下运行，打开所述第二角阀，同步调节所述稳压阀和所述手动球阀以使所述氦减压降温泵组充分吸收氦气，并保持所述测试系统的管路的压强与流量稳定；

步骤S5，被所述氦减压降温泵组吸收的氦气经管路汇集至气体回收袋中。

本发明提供的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，结构简单可靠稳定，安装便易，能够在较短时间内精准测试低温泵组的性能。本发明可以测试低温泵组在不同压力、不同流速等实验条件下的性质，即，提供稳定的氦气流量输入以监测氦气缓冲罐的压力稳定性，同时可以测量氦气的输入最大流量。因此，本发明能够对低温泵组的整体性能做出详细的评估，同时对其他类型泵组的测试方案提供设计基础。

附图说明

图1是按照本发明的氦减压降温泵组室温性能的测试系统的结构框图。

图2是图1中A处的放大图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明提供的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，包括氦气循环系统1、数据测量系统2、用于为数据测量系统2供电的电源3、用于采集数据测量系统2的数据的PLC控制器4以及与PLC控制器4连接的上位机5。其中，氦气循环系统1按照氦气流向包括依次连接的高纯氦气集装格11、截止阀12、氦气减压阀13、稳压阀14、手动球阀15、氦气缓冲罐16、氦减压降温泵组17以及回收气袋18。数据测量系统2包括第一压力表21、气体流量控制器22、第二压力表23、科氏质量流量计24、第一压力变送器25、第二压力变送器26以及真空薄膜规27，第一压力表21、气体流量控制器22和第二压力表23按照氦气流向依次连接并设于稳压阀14与手动球阀15之间，具体来说，气体流量控制器22串联于稳压阀14与手动球阀15之间，第一压力表21通过一管路连接于稳压阀14与气体流量控制器22之间的管路上，第二压力表23通过一管路连接于手动球阀15与气体流量控制器22之间的管路上，科氏质量流量计24设于手动球阀15与氦气缓冲罐16之间，第一压力变送器25、第二压力变送器26和真空薄膜规27均与氦气缓冲罐16连接。并且，气体流量控制器22、科氏质量流量计24、第一压力变送器25、第二压力变送器26和真空薄膜规27上均与PLC控制器4的输入端通信连接，并通过电源3供电。PLC控制器4的输出端与上位机5连接，以使上位机5监测并显示测试系统运行时的各参数。需要说明的是，当设有多个氦减压降温泵组时，相邻的多个泵组可共用一个氦气循环系统1或共用一个数据测量系统2。

以下对上述各部件进行详细说明。

高纯氦气集装格11用于气源供给，截止阀12用于控制管路或高纯氦气集装格11的通断，氦气减压阀13用于管路压减，气体流量控制器22用于快速控制管路流量，科氏质量流量计24用于与气体流量控制器22对照以检验质量流量，第一压力表21与第二压力表23用于显示气体流量控制器22前后压力，第一压力变送器25和第二压力变送器26用于粗监测氦气缓冲罐16内对称位置的压力，并与真空薄膜规27对照，真空薄膜规27用于高精度监测氦气缓冲罐16内的压力以提高监测质量。

其中，为防止气流速度过大，管路出现剧烈震动，氦气减压阀13与第一压力表21之间设有第一变径管件61，以对氦气减压阀13与第一压力表21之间的管路进行扩径，扩径后的管段直径大于等于DN16。如此，可以避免管路中的湍流强度过大，使管路流量稳定性更高。

稳压阀14与手动球阀15分别设置在气体流量控制器22前后的管路中，以调节气体流量控制器22管路前后的进口压力和出口背压，进而调节管路的气体流量，提供稳定的压差动力源。需要说明的是，本发明所述“前”是指氦气流向的上游，“后”是指氦气流向的下游。

氦气缓冲罐16为立式固定放置的空腔结构，采用下供上回的供气模式.如图2所示，出气导管161位于罐体上部1/3处，供气导管162位于罐体下部1/3处，进气口方向通过弯头163设置向下，从而与底部圆弧部分发生弹性散射和非弹性散射，使气体分子自由运动的速度沿着各个方向进入氦降压降温泵组或者被真空薄膜规27检测，能够起到准确替代测试远端的效果。氦气缓冲罐16相当于测试系统实际运行时的高频超导腔体，且超导腔液氦罐内压力波动在±10Pa，因高频超导腔体与氦泵运行管路系统相对复杂，管路较长。为不被条件所限，本发明设计氦气缓冲罐代替超导腔体进行测试，进而做相似性评估。

第一压力变送器25、第二压力变送器26和真空薄膜规27通过测压导管安装于氦气缓冲罐16的壳体上部，且测压侧导管的结构和测压点的位置按照ISO5011标准执行。并且，第一压力变送器25和第二压力变送器26串联安装在氦气缓冲罐16的壳体上部，第一压力变送器25和第二压力变送器26的量程相差一个量级，以分别监测氦气缓冲罐16中气体工作介质的高压和低压。

氦气缓冲罐16与氦减压降温泵组17之间设有第二变径管件62，以对氦气缓冲罐16与氦减压降温泵组17之间的管路进行扩径，扩径后的管段压损小于等于1mbar。管路系统压损对于远端装置压力稳定性有较大影响，特别是较大流量下，因此压损最大流量下设计应小于1mbar，以实现泵组最佳抽速。

氦气缓冲罐16的出口处设置第一角阀71，以控制氦气缓冲罐16的管路通断。氦减压降温泵组17的进口处设置第二角阀72，以控制氦减压降温泵组17的管路通断。并且，第一角阀71和第二角阀72通过波纹管分别与氦气缓冲罐16和氦减压降温泵组17连接。

数据测量系统2中的气体流量控制器22与单独的流量显示控制器8连接，以进行0～5g/s调节。由于气体流量控制器22的入口处和出口处均有压力要求(压力要求在1.8～3.5barg)，因而增加稳压阀14。在条件有限的情况下，通过手动球阀15粗调控，联合气体流量控制器22进行流量精调。

本发明提供的测试系统运行时，高纯氦气集装格11中的氦气依靠气源压力流入管路，依次经过氦气减压阀13、稳压阀14、气体流量控制器22、科氏质量流量计24、氦气缓冲罐16、真空薄膜规27，通过调节截止阀12、稳压阀14以及气体流量控制器22出气管路上的手动球阀15，即调节管路中的各气流参数，可使上位机5显示的流量均值与设定值相差小于1％，此时气流参数稳定，可探究室温下氦减压低温泵组运行于不同流量下的设定值能否稳定(上位机5显示的压力波动在±10Pa内，即为稳定)，并验证最大运行流量是否满足设计需求(设计需求是指，氦减压低温泵组能够运行于设定值不同流量下稳定)。

具体来说，当管路的流量超过或低于设定值时，控制手动球阀15及其他阀门进行调节，使整个测试系统的流量保持在合理预设值。测试系统的流量保持在合理预设值后，通过第一压力变送器25、第二压力变送器26和真空薄膜规27来监测氦气缓冲罐16的压力稳定性，同时可测量氦气的输入最大流量。氦气通过氦减压降温泵组17后，直接排至回收气袋18存储。

在本发明中，不仅可以通过手动调节对测试系统进行流量粗调，也可以通过数据测量系统对氦气循环系统进行流量精调。根据实际流量需求采用两种调节方式，准确度高，稳定快。

本发明设计的氦气循环系统及数据测量系统具有较好稳定性，能够保证氦减压降温泵组的稳定性。本发明的测试系统对流量的控制比较稳定，没有脉冲，能够使计量的准确性和实验效果得到保证。本发明的核心测量部件源于进口，操作性强、准确度高。

本发明还提供一种氦减压降温泵组室温性能的测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供上述氦减压降温泵组室温性能的测试系统，对测试系统进行安全检查，并抽真空；开启高纯氦气集装格11，对氦气循环系统1内残余的杂质气体进行置换。包括：

步骤S11，保证测试系统中各部件的接线及接头绝缘性完好，并保持管路的外壁清洁。

步骤S12，关闭测试系统中的所有阀门以使测试系统与大气隔绝，使用分子泵机组将测试系统的管路真空度抽至1.0×10^-3Pa量级及以下，并开启氦气检漏仪进行检漏，直至各密封接口的总漏率小于等于1.0×10-9Pa×m³/s。

步骤S13，通过抽真空与纯净气吹扫的方式反复进行置气，用高纯氦气对氦气循环系统1内残余的杂质气体置换5～6次。

步骤S2，开启氦气减压阀13、稳压阀14和手动球阀15并进行调节，以使管路中各调压点至氦气缓冲罐16的进口处的压力为设定值。在本实施例中，压力设定值为1atm。氦气循环系统1的流量通过各阀门手动调节，配合数据测量系统2的精调，能够快速准确实现系统的稳定。

高纯氦气集装格11流出的氦气通过气体流量控制器22控制流量，因而，步骤S3，利用手动球阀15调节气体流量控制器22的背压至1.8-3.5barg，以调节管路中的氦气的压力。

步骤S4，调节压力后的氦气通过氦气缓冲罐16静待后，缓慢启动氦减压降温泵组17，使氦减压降温泵组17维持在低转速下运行(低转速为0～30Hz)，并打开氦气缓冲罐16后的第二角阀72，同步调节稳压阀14和手动球阀15，使氦减压降温泵组17充分吸收氦气，并保持测试系统的管路的压强与流量稳定。在本实施例中，测试系统的管路的压强稳定在3～32mbar，流量稳定在0～5g/s。

步骤S5，被氦减压降温泵组17吸收的氦气经管路汇集至气体回收袋18中。

本发明提供的氦减压降温泵组室温性能的测试系统及方法，能够很好的满足控制需求，为远端测试装置提供近匹配的制冷量。本发明能够对低温泵组的整体性能做出详细的评估，且为其他类型泵组的测试方案提供设计基础。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，包括氦气循环系统、数据测量系统、用于为所述数据测量系统供电的电源、用于采集所述数据测量系统的数据的PLC控制器以及与所述PLC控制器连接的上位机；其中，所述氦气循环系统按照氦气流向包括依次连接的高纯氦气集装格、截止阀、氦气减压阀、稳压阀、手动球阀、氦气缓冲罐、氦减压降温泵组以及回收气袋；所述数据测量系统包括设于所述稳压阀与所述手动球阀之间的第一压力表、气体流量控制器和第二压力表，设于所述手动球阀与所述氦气缓冲罐之间的科氏质量流量计，以及与所述氦气缓冲罐连接的第一压力变送器、第二压力变送器和真空薄膜规。

2.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述氦气减压阀与第一压力表之间设有第一变径管件，以对氦气减压阀与所述第一压力表之间的管路进行扩径，扩径后的管段直径大于等于DN16。

3.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述氦气缓冲罐为立式固定放置的空腔结构，采用下供上回的供气模式。

4.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述第一压力变送器、所述第二压力变送器和所述真空薄膜规通过测压导管安装于所述氦气缓冲罐的壳体上部。

5.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述第一压力变送器与所述第二压力变送器串联，且所述第一压力变送器和第二压力变送器的量程相差一个量级，以分别监测所述氦气缓冲罐中气体工作介质的高压和低压。

6.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述氦气缓冲罐与氦减压降温泵组之间设有第二变径管件，以对所述氦气缓冲罐与所述氦减压降温泵组之间的管路进行扩径，扩径后的管段压损小于等于1mbar。

7.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述氦气缓冲罐的出口处设置有第一角阀，所述氦减压降温泵组的进口处设置有第二角阀。

8.根据权利要求7所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述第一角阀和所述第二角阀通过波纹管分别与所述氦气缓冲罐和所述氦减压降温泵组连接。

9.根据权利要求1所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，其特征在于，所述气体流量控制器与一流量显示控制器连接。

10.一种氦减压降温泵组室温性能的测试方法，其特征在于，包括：

步骤S1，提供如权利要求1-9之一所述的氦减压降温泵组室温性能的测试系统，所述氦减压降温泵组室温性能的测试系统的氦减压降温泵组的进口处设置有第二角阀，第二角阀通过波纹管与所述氦减压降温泵组连接；对所述测试系统进行安全检查，并抽真空；开启高纯氦气集装格，对氦气循环系统内残余的杂质气体进行置换；

步骤S2，开启氦气减压阀、稳压阀和手动球阀并进行调节，以使管路中各调压点至氦气缓冲罐的进口处的压力为设定值；

步骤S3，利用所述手动球阀调节气体流量控制器的背压至1.8-3.5barg，以调节管路中的氦气的压力；

步骤S4，调节压力后的氦气通过所述氦气缓冲罐静待后，缓慢启动氦减压降温泵组以使氦减压降温泵组维持在低转速下运行，打开所述第二角阀，同步调节所述稳压阀和所述手动球阀以使所述氦减压降温泵组充分吸收氦气，并保持所述测试系统的管路的压强与流量稳定；

步骤S5，被所述氦减压降温泵组吸收的氦气经管路汇集至气体回收袋中。

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