Instrumentos gravitatorios superconductores - Solución de control de presión y temperatura ultra fina (0,1mK)

Se requiere que la temperatura de la piscina de helio líquido sea constante en el instrumento de gravedad ultrabaja. Para alcanzar un grado de fluctuación inferior a 0,1mK, el grado de fluctuación del control de la presión del aire debe ser inferior a 10Pa. Por esta razón, este artículo se centra en un esquema técnico correspondiente en los instrumentos de gravedad superconductores. El contenido central es alcanzar el control preciso de la presión del aire del tanque de amortiguación. Se adopta el modo de control bidireccional, y se utilizan el sensor de presión de aire, la válvula de aguja electrónica y el controlador PID con una precisión de 1/10.000.

1. Pregunta
Los instrumentos gravitatorios superconductores incluyen gravímetros superconductores y gradiómetros gravitatorios superconductores, ambos utilizados para medir con precisión las señales gravitatorias.

Los instrumentos gravitatorios superconductores necesitan medir señales extremadamente débiles a baja temperatura, por lo que hay un alto requisito de baja temperatura constante, es decir, se requiere que la fluctuación de la temperatura de la piscina de helio líquido esté dentro de 0,1mK.

El control preciso de la temperatura de la pila de helio líquido en los instrumentos gravitatorios superconductores puede alcanzarse mediante el control de la presión del aire en la pila de helio líquido, lo que requiere que la medición y el control de la presión del aire alcancen un nivel muy alto. En este artículo, se propone una solución correspondiente para el control de alta precisión de la presión del aire en la celda de helio líquido en el instrumento de gravedad superconductor. La ventaja de esta solución es que la precisión del control de la temperatura de la piscina de helio líquido se ve afectada principalmente por la precisión del sensor de presión. Se selecciona el sensor de presión de ultra alta precisión, y se adopta el modo de control del flujo de bombeo aguas abajo mediante la válvula de aguja de control numérico preciso y el controlador PID de alta precisión. La fluctuación de la temperatura del helio líquido se controla de forma estable dentro de 0,1mK.

2. Esquema técnico
El principio de control preciso de la temperatura del helio líquido en los instrumentos gravitatorios superconductores se basa en la relación entre la presión de vapor saturado del helio líquido y la temperatura correspondiente. Según la relación correspondiente entre la presión de vapor saturado del helio líquido y la temperatura, la temperatura del helio líquido debe controlarse a unos 4K, y la fluctuación de la temperatura debe ser inferior a 0,1mK. Cuando la presión superior del helio líquido debe ser controlada a unos 100kPa, la fluctuación de la presión debe ser menor a 10Pa.

Para alcanzar la precisión de control de la presión atmosférica mencionada, la solución técnica propuesta en este artículo, específicamente en los instrumentos gravitatorios superconductores, incluye los siguientes aspectos:

(1) El control de la presión del aire en la parte superior de la piscina de helio líquido se puede abstraer como el control de la presión en un contenedor cerrado. Para el control de la presión del contenedor cerrado, es necesario añadir un tanque de amortiguación, a través del control de la presión del tanque de amortiguación. El sistema alcanza el control de la presión de la piscina de helio líquido, y la estructura se muestra en la Figura 1.

(2) El control de la presión del depósito intermedio adopta el modo de control bidireccional aguas arriba y aguas abajo, que se controla ajustando el flujo de entrada y salida de aire.

(3) Todo el sistema de control incluye el depósito de inercia, el sensor de presión de aire, el controlador PID, la válvula de aguja digital y la bomba de vacío.

(4) Si se controla la presión del aire a 100kPa y se requiere que la fluctuación sea inferior a 10 Pa, se requiere que la medición y el control de la presión del aire tengan una precisión de 10/100k=0,0001 (una diezmilésima), por lo que es necesario estar equipado con una precisión de una diezmilésima de barómetro y controlador PID.

En resumen, la precisión de control de la solución técnica descrita en este artículo está limitada principalmente por la precisión del sensor de presión de aire y el controlador PID. En combinación con la válvula de aguja electrónica de pequeño caudal accionada por el motor paso a paso, se puede alcanzar el gravímetro superconductor mediante el sensor y el controlador de alta precisión. Control preciso de la temperatura del helio líquido, la fluctuación de la temperatura puede ser controlada dentro de 0,1mK, y no se ve afectada por los cambios en la temperatura ambiente externa.
Para más información sobre la válvula de control de flujo proporcional, visite
https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm