CN116679863A - 一种适用于east辐射偏滤器充气系统的数据处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，可快速计算不同进气模式下的压电阀进气速率与进气粒子数，同时实时监测压电阀上游稳压罐中的气体压强；标定压电阀电压与进气速率之间的关系，检测压电阀是否正常工作，得到最适用于EAST辐射偏滤器实验的压电阀电压；标定主等离子体辐射与杂质进气粒子数的关系并做出预测；可用于拟合和预测其他物理量与总的进气粒子数之间的关系；绘制不同等离子参数的时间演化图，用于不同信号时间演化的整体分析，分析不同物理量之间的相互影响。以上系统能极大地提高EAST辐射偏滤器实验数据处理与分析的效率，为EAST辐射偏滤器实验提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及先进全超导托卡马克实验装置（Experimental AdvancedSuperconducting Tokamak，简称EAST）辐射偏滤器充气系统的数据处理技术领域，具体是一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统。
背景技术
目前人类社会最主要的能源依然是煤炭、石油、天然气等化石能源。但化石能源属于不可再生能源，且对环境影响严重。核聚变能作为一种清洁、安全、几乎取之不竭的未来能源，将成为未来全球可持续发展的基石。但核聚变反应的条件极为苛刻，为了实现核聚变反应，所需的温度T至少为10keV(约1亿)，此时燃料粒子氘(D)和氚(T)完全电离，形成高温等离子体。上亿度的高温远远高于自然界所有物质的熔点，磁约束核聚变装置通过外加磁场和等离子体电流产生的磁场约束完全电离的等离子体。在聚变堆装置托卡马克中，偏滤器直接承受等离子体流及其所携带的热流轰击，是发生等离子体与壁材料相互作用最强烈的区域。且对于未来托卡马克长脉冲高参数稳态运行，到达偏滤器靶板的热流将远超靶板材料极限，将对装置部件造成损伤，而且损伤等离子体品质。因此，排除偏滤器部件过高的热流是托卡马克装置实现稳态高参数长脉冲运行的关键挑战之一。而实现等离子体脱靶运行能够有效地缓解到达偏滤器靶板的热流与粒子流，保护装置部件。辐射偏滤器是国际上公认的缓解偏滤器靶板热流与粒子流的最有效方法之一，它是采用主动注入杂质气体的方式增强电离、辐射等物理过程耗散能量，实现偏滤器靶板热流与粒子流的有效控制，进而实现等离子体脱靶。
目前EAST已经发展了一套比较完备的辐射偏滤器充气系统，满足EAST偏滤器靶板热流控制和脱靶物理实验要求。整套辐射偏滤器充气系统由充气管道、手动截止阀、压电阀、稳压罐、气压计和抽气泵等组成。EAST辐射偏滤器实验中的进气模式分为电压调制模式与脉宽调制模式两种，其中电压调制模式是通过控制压电阀输入电压来调整进气速率；脉宽调制模式则是电压不变，通过改变进气脉宽来调整有效进气速率。但国内托卡马克研究领域仍然缺乏一个快速高效的辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，限制了EAST辐射偏滤器实验和物理分析的进展。
在以往计算进气速率过程中，通常假定相同输入电压情况下，进气速率相同，根据气压计所测的压差进行计算，同时还需要手动输入充气前后的压差以及稳压罐的体积，在计算过程中需要按照要求不断修改代码。这种计算方式在实验过程中繁琐、效率低，且计算过程较为粗糙。辐射偏滤器充气系统的压电阀虽具有响应时间快、抗电磁干扰等突出优点，但其进气速率与输入电压并非线性关系，EAST辐射偏滤器实验中所需的辐射目标值与进气量之间也是非线性关系，这就对压电阀输入电压的设置带来一定的难度。在以往的EAST辐射偏滤器实验中压电阀的输入电压通常是经验性的，需要多个参考炮实验不断摸索，耗时耗力，效率低，且无法及时将有效信息直观地传递给实验人员。因此，开发一套适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统是必须的，这样可以提高数据分析效率及准确性，同时可为EAST辐射偏滤器实验提供可靠参考。
发明内容
鉴于以上内容，本发明提供了一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，本发明采用以下的技术方案：
该系统包括以下模块：
压电阀进气速率计算模块，该模块用于计算EAST辐射偏滤器实验前工程测试阶段及正式实验中的进气速率与进气粒子数，并监测压电阀上游稳压罐中的气体压强，当气体压强低于设定压强阈值时，进行弹窗报警，提醒实验人员执行补气、换气或者检漏操作，保障装置安全和实验顺利进行；
压电阀电压与进气速率标定模块，该模块用于在EAST辐射偏滤器实验前工程测试阶段标定压电阀电压与进气速率之间的关系，检测压电阀是否正常工作，并且得到适用于EAST辐射偏滤器正式实验的压电阀电压，为正式实验过程中压电阀的设置提供参考；
主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块，该模块用于通过统计已有的实验数据，得到主等离子体辐射与杂质进气粒子数之间的对应关系，并在辐射的爬升阶段进行二者之间的拟合，在此基础上进行预测，进而得到所需的辐射目标值并维持在目标辐射值所需的进气量，为压电阀电压、开启时刻和进气脉宽各实验参数的设置提供参考；
实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块，该模块用于拟合和预测其他相关实验数据与进气粒子数之间的依赖关系；
实验数据演化规律分析画图模块，该模块用于绘制不同等离子体参数信号时间演化图。
进一步，所述压电阀进气速率计算模块包括第一实验数据读取模块、第一数据处理模块、第一数据绘图模块、第一数据存储模块；第一数据处理模块包括充气模式模块，第一数据处理模式模块；第一实验数据读取模块包括读取炮号、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间的实验数据；然后将上述实验数据在第一数据处理模块中进行数据处理，得到数据处理结果；通过第一数据绘图模块将数据处理结果呈现；通过第一数据存储模块将数据处理结果存储到本地文件夹；在第一数据处理模块中进行数据处理包括：在充气模式模块中选择相应的充气模式，在第一数据处理模式模块中将上述实验数据带入计算公式中，得到进气粒子数及进气速率；第一实验数据读取模块还实时采集稳压罐中的气体压强，当气体压强低于设定压强阈值时，自动弹窗报警，提醒实验人员执行补气、换气或者检漏操作，保障装置安全和实验顺利进行。
进一步，所述压电阀电压与进气速率标定模块包括第二实验数据读取模块、第二数据处理模块、第二数据绘图模块、第二数据存储模块；其中，第二实验数据读取模块读取包括参考炮号区间、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间的实验数据；通过第二数据处理模块，将上述实验数据带入计算公式中，标定压电阀电压与进气速率的对应关系，得到数据处理结果，为EAST辐射偏滤器实验过程中压电阀的设置提供参考；通过第二数据绘图模块对数据处理结果进行绘图；借助第二数据存储模块将数据处理结果存储到本地文件夹。
进一步，所述主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块包括第三实验数据读取模块、第三数据处理模块、第三数据绘图模块、第三数据存储模块；第三数据处理模块包括第一数据统计模块和第一拟合与预测模块；第三实验数据读取模块读取包括炮号、主等离子体辐射值、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间的实验数据；然后通过第三数据处理模块，将上述实验数据带入计算公式中，在第一数据统计模块标定主等离子体辐射与杂质进气粒子数的关系，在第一拟合与预测模块中对辐射的爬升阶段进行拟合和预测，得到数据处理结果；将数据处理结果在第三数据绘图模块中以图形的样式呈现；借助第三数据存储模块将数据处理结果存储到本地文件夹。
进一步，所述实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块包括第四实验数据读取模块、第四数据处理模块、第四数据绘图模块和第四数据存储模块；第四数据处理模块包括第一信号选取模块、第二数据统计模块和第二拟合与预测模块；第四实验数据读取模块读取包括偏滤器靶板电子温度、单道辐射信号实验数据；在第四数据处理模块的第一信号选取模块中选取对应的实验数据，将实验数据带入计算公式中，在第四数据处理模块的第二数据统计模块中标定实验数据与进气粒子数的关系，在第四数据处理模块的第二拟合与预测模块中进行拟合和预测，得到数据处理结果；在第四数据绘图模块中将数据处理结果进行绘图；最后在第四数据存储模块中将数据处理结果存储到本地文件夹。
进一步，所述实验数据演化规律分析画图模块包括第五实验数据读取模块、第五数据处理模块、第五数据绘图模块和第五数据存储模块；第五实验数据读取模块读取包括中平面线平均密度、等离子体储能值、辐射值、稳压罐气体压强的实验数据；在第五数据处理模块中，在第二号信号选取模块选取对应的等离子体参数，在第二数据处理模式模块选择相应的数据处理模式，用于实验数据演化规律分析，得到数据处理结果；数据处理结果用第五数据绘图模块进行呈现；将数据处理结果通过第五数据存储模块存储到本地文件夹。
进一步，所述第一、第二、第三、第四、第五数据绘图模块均包括原始数据绘图及数据处理结果绘图两个模块，且所述第一、第二、第三、第四、第五数据绘图模块均能够对绘图参数、绘图样式进行选择，根据要求绘图。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，只需研究人员按照需求选择相应的模块，输入基本参数，便可迅速得到计算结果，该发明大大提高了数据处理效率及准确性。所有数据集成于一体并将呈现在同一界面，能提供给研究人员最直观的感触，能极大地提高数据分析的效率，同时可为EAST辐射偏滤器充气实验提供可靠参考。
附图说明
图1为适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统的整体框架图。
图2为压电阀进气速率计算模块示意图。
图3为压电阀电压与进气速率标定模块示意图。
图4为主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块示意图。
图5为实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块示意图。
图6为实验数据演化规律分析画图模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明：
本发明提供了一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其整体架构图如图1所示，包括以下模块：压电阀进气速率计算模块1、压电阀电压与进气速率标定模块2、主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块3、实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块4、实验数据演化规律分析画图模块5。
进一步，如图2所示，为压电阀进气速率计算模块1。该模块用于计算和监测，计算EAST辐射偏滤器实验前工程测试阶段及正式实验中的进气速率与进气粒子数，该功能适用于电压调制模式和脉宽调制模式；监测压电阀上游稳压罐中的气体压强，当低于压强阈值时，进行弹窗报警，提醒实验人员执行补气、换气或者检漏操作，保障装置安全和实验顺利进行。具体步骤如下：首先第一实验数据读取模块101读取炮号、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间；然后在第一数据处理模块102中进行数据处理：在充气模式模块102-1中选择相应的充气模式，在第一数据处理模式模块102-2中带入相应的计算公式中，得到进气粒子数及进气速率；通过第一数据绘图模块103将数据处理结果呈现；最后通过第一数据存储模块104将结果存储到本地文件夹。此外还可通过第一实验数据读取模块101对稳压罐中的气体压强进行实时采集。
如图3所示，为压电阀电压与进气速率标定模块2。该模块用于EAST辐射偏滤器实验前工程测试阶段标定压电阀电压与进气速率之间的关系，检测压电阀是否正常工作，并且得到适用于EAST辐射偏滤器正式实验的压电阀电压，为实验过程中压电阀的设置提供参考。具体步骤如下：首先第二实验数据读取模块201读取所需的参考炮号区间、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间实验数据；然后通过第二数据处理模块202，带入相应的计算公式中，然后标定压电阀电压202-1与进气速率202-2的对应关系；通过第二数据绘图模块203进行绘图；最后借助第二数据存储模块204将结果存储到本地文件夹。
如图4所示，为主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块3。该模块通过统计已有的实验数据，得到主等离子体辐射与杂质进气粒子数之间的对应关系，并在辐射的爬升阶段进行二者之间的拟合，在此基础上进行预测，进而得到后续实验达到的辐射目标值并计算维持稳定所需的进气量，可为后续实验的压电阀电压、开启时刻和进气脉宽各实验参数的设置提供参考。具体步骤如下：首先第三实验数据读取模块301读取炮号、主等离子体辐射值、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间；然后通过第三数据处理模块302，带入相应的计算公式中，在第一数据统计模块302-1标定主等离子体辐射与杂质进气粒子数的关系，在第一拟合与预测模块302-2中对辐射的爬升阶段进行拟合和预测；将结果在第三数据绘图模块303中以图形的样式呈现；最后借助第三数据存储模块304将结果存储到本地文件夹。
如图5所示，为实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块4。该模块用于拟合和预测其他相关实验数据与进气粒子数之间的依赖关系。具体步骤如下：首先第四实验数据读取模块401读取所需要的等离子体参数，包括偏滤器靶板电子温度、单道辐射信号；然后通过第四数据处理模块402，在第一信号选取模块402-1中选取相对应的实验数据，带入相应的计算公式中，在第二数据统计模块402-2中标定等离子体参数与进气粒子数的关系，在第二拟合与预测模块402-3中进行拟合和预测；在第四数据绘图模块403中将数据处理结果进行绘图；最后在第四数据存储模块404中将结果存储到本地文件夹。
如图6所示，为实验数据演化规律分析画图模块5。该模块用于绘制不同等离子体参数信号时间演化图，分析不同物理量之间的相互影响。具体步骤如下：首先第五实验数据读取模块501读取所需要的等离子体参数，包括中平面线平均密度、等离子体储能值、辐射值、稳压罐气体压强；然后在第五数据处理模块502中，第二号信号选取模块502-1选取对应的等离子体参数，第二数据处理模式模块502-2选择相应的数据处理模式，用于实验数据演化规律分析；数据处理的结果用第五数据绘图模块503进行呈现；最后将结果通过第五数据存储模块504存储到本地文件夹。
第一、第二、第三、第四、第五数据绘图模块均包括原始数据绘图及数据处理结果绘图两个模块，且数据绘图模块均能够对绘图参数、绘图样式进行选择，根据要求绘图。
本发明提供一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，具体实施以MATLAB软件为平台，利用其图形用户接口（GUI）设计交互界面，设置相应的控件，并编译实现上述各个模块功能的代码。本发明可以快速、准确地计算压电阀进气速率；标定压电阀电压与进气速率，检测压电阀是否正常工作，找出最适用于EAST辐射偏滤器实验的压电阀电压；标定主等离子体辐射与杂质进气粒子数，并对辐射的爬升阶段进行拟合和预测，可为进一步增加或减少辐射值和实现偏滤器脱靶和芯部高约束性能兼容提供参考；本发明也可拟合和预测其他物理量与进气粒子数之间的关系；也可用于绘制不同等离子体参数的时间演化图。以上的结果均可以图形的形式呈现且所有数据均在同一界面，能为研究人员提供最直观的数据，并为EAST辐射偏滤器充气实验提供可靠参考。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：该系统包括以下模块：
压电阀进气速率计算模块，该模块用于计算EAST辐射偏滤器实验前工程测试阶段及正式实验中的进气速率与进气粒子数，并监测压电阀上游稳压罐中的气体压强，当气体压强低于设定压强阈值时，进行弹窗报警，提醒实验人员执行补气、换气或者检漏操作，保障系统安全和实验顺利进行；
压电阀电压与进气速率标定模块，该模块用于在EAST辐射偏滤器实验前工程测试阶段标定压电阀电压与进气速率之间的关系，检测压电阀是否正常工作，并且得到适用于EAST辐射偏滤器正式实验的压电阀电压，为正式实验过程中压电阀的设置提供参考；
主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块，该模块通过统计已有的实验数据，得到主等离子体辐射与杂质进气粒子数之间的对应关系，并在辐射的爬升阶段进行二者之间的拟合，在此基础上进行预测，进而得到所需的辐射目标值并计算维持在辐射目标值所需的进气量，为压电阀电压、开启时刻和进气脉宽各实验参数的设置提供参考；
实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块，该模块用于拟合和预测其他相关实验数据与进气粒子数之间的依赖关系；
实验数据演化规律分析画图模块，该模块用于绘制不同等离子体参数时间演化图。
2.根据权利要求1所述的适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：所述压电阀进气速率计算模块包括第一实验数据读取模块、第一数据处理模块、第一数据绘图模块、第一数据存储模块；第一数据处理模块包括充气模式模块，第一数据处理模式模块；第一实验数据读取模块读取包括炮号、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间的实验数据；然后将上述实验数据在第一数据处理模块中进行数据处理，得到数据处理结果；通过第一数据绘图模块将数据处理结果呈现；通过第一数据存储模块将数据处理结果存储到本地文件夹；在第一数据处理模块中进行数据处理包括：在充气模式模块中选择相应的充气模式，在第一数据处理模式模块中将上述实验数据带入计算公式中，得到进气粒子数及进气速率；第一实验数据读取模块还实时采集稳压罐中的气体压强，当气体压强低于设定压强阈值时，自动弹窗报警，提醒实验人员执行补气、换气或者检漏操作，保障系统安全和实验顺利进行。
3.根据权利要求1所述的适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：所述压电阀电压与进气速率标定模块包括第二实验数据读取模块、第二数据处理模块、第二数据绘图模块、第二数据存储模块；其中，第二实验数据读取模块读取包括参考炮号区间、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间的实验数据；通过第二数据处理模块，将上述实验数据带入计算公式中，标定压电阀电压与进气速率的对应关系，得到数据处理结果，为EAST辐射偏滤器实验过程中压电阀的设置提供参考；通过第二数据绘图模块对数据处理结果进行绘图；借助第二数据存储模块将数据处理结果存储到本地文件夹。
4.根据权利要求1所述的适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：所述主等离子体辐射与杂质进气粒子数依赖关系拟合与预测模块包括第三实验数据读取模块、第三数据处理模块、第三数据绘图模块、第三数据存储模块；第三数据处理模块包括第一数据统计模块和第一拟合与预测模块；第三实验数据读取模块读取包括炮号、主等离子体辐射值、压电阀电压、稳压罐气体压强及充气时间的实验数据；然后通过第三数据处理模块，将上述实验数据带入计算公式中，在第一数据统计模块中标定主等离子体辐射与杂质进气粒子数的关系，在第一拟合与预测模块中对辐射的爬升阶段进行拟合和预测，得到数据处理结果，将数据处理结果在第三数据绘图模块中以图形的样式呈现；借助第三数据存储模块将数据处理结果存储到本地文件夹。
5.根据权利要求1所述的适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：所述实验数据与进气粒子数依赖关系拟合与预测模块包括第四实验数据读取模块、第四数据处理模块、第四数据绘图模块和第四数据存储模块；第四数据处理模块包括第一信号选取模块、第二数据统计模块和第二拟合与预测模块；第四实验数据读取模块读取包括偏滤器靶板电子温度、单道辐射信号的实验数据；在第四数据处理模块的第一信号选取模块中选取相对应的实验数据，将实验数据带入计算公式中，在第四数据处理模块的第二数据统计模块中标定实验数据与进气粒子数的关系，在第四数据处理模块的第二拟合与预测模块中进行拟合和预测，得到数据处理结果；在第四数据绘图模块中将数据处理结果进行绘图；最后在第四数据存储模块中将数据处理结果存储到本地文件夹。
6.根据权利要求1所述的适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：所述实验数据演化规律分析画图模块包括第五实验数据读取模块、第五数据处理模块、第五数据绘图模块和第五数据存储模块；第五实验数据读取模块读取包括中平面线平均密度、等离子体储能值、辐射值、稳压罐气体压强的实验数据；在第五数据处理模块中，第二号信号选取模块选取对应的等离子体参数，第二数据处理模式模块选择相应的数据处理模式，用于实验数据演化规律分析，得到数据处理结果；数据处理结果用第五数据绘图模块进行呈现；将数据处理结果通过第五数据存储模块存储到本地文件夹。
7.根据权利要求1-6任一项所述的适用于EAST辐射偏滤器充气系统的数据处理系统，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四、第五数据绘图模块均包括原始数据绘图及数据处理结果绘图两个模块，且所述第一、第二、第三、第四、第五数据绘图模块均能够对绘图参数、绘图样式进行选择，根据要求绘图。
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