Resumen: Centrándose en el control de alta precisión del medio de baja temperatura en el criostato, este artículo presenta principalmente el método de descompresión y control de la temperatura del medio de baja temperatura y la influencia de la precisión del control de la presión del aire en la estabilidad de la baja temperatura. Tres modos de calentamiento, control de flujo y control de presión, así como las correspondientes condiciones de trabajo específicas que incorporan la válvula eléctrica neumática de control de flujo y los detalles.

1. Introducción
En el criostato, la razón principal de la fluctuación de la temperatura del medio criogénico (helio líquido y nitrógeno líquido, etc.) es el cambio de presión (vacío) en la parte superior del medio criogénico en ebullición. Por lo tanto, para alcanzar una temperatura estable dentro del medio criogénico, es necesario controlar con precisión la presión del aire en la parte superior del medio criogénico.
El control internacional y localizado de la temperatura de los criostatos adopta principalmente los tres enfoques técnicos siguientes:
(1) Método de control activo: El circuito de calefacción entra directamente en la cámara de vacío sumergida en el medio de baja temperatura, y los datos de monitorización de la temperatura en tiempo real de la cámara de vacío se utilizan para comparar con el valor de la temperatura objetivo y, a continuación, controlar la corriente añadida al circuito de calefacción.
(2) Método de control pasivo: Controlar la presión del aire en la parte superior del medio de baja temperatura para estabilizar la temperatura del medio de baja temperatura.
(3) Método de control compuesto: Los dos métodos de control anteriores se combinan, y el circuito de control de la calefacción conduce directamente a la cámara de vacío inmersa en el medio de baja temperatura, y la presión del aire por encima del medio de baja temperatura también se controla al mismo tiempo. El método de control de temperatura por calentamiento por resistencia es ya una tecnología muy madura. Este artículo se centrará principalmente en el método de control de la presión en la parte superior del medio de baja temperatura, e introducirá la influencia de la precisión del control de la presión en la estabilidad de la baja temperatura, así como el método de realización y el esquema específico del control de la presión de alta precisión.

2. La relación entre la precisión del control de la presión del aire y la estabilidad de la temperatura
Tomando el hidrógeno líquido como ejemplo, la presión de vapor saturada del hidrógeno líquido y la correspondiente curva de cambio de temperatura se muestran en la figura 1.
Como puede verse en la figura 1, en un rango de temperatura muy pequeño, la curva anterior puede describirse mediante una línea recta, por lo que puede obtenerse en un rango de temperatura de unos 4K; la fluctuación de la presión atmosférica de unos 100Pa puede provocar una fluctuación de temperatura de unos 1mK. Por lo tanto, se puede considerar que si se quiere alcanzar una fluctuación inferior a 1mK, la fluctuación de la presión atmosférica no puede superar los 100Pa.

3. Tres modos de control de la presión del aire superior
Por lo general, existen tres modos de control de la presión del aire en la parte superior del medio criogénico: calentamiento por resistencia, control del flujo y control de la presión.

3.1 Modo de calentamiento por resistencia
En el proceso de control de temperatura constante del criostato, el modo de calentamiento por resistencia consiste en colocar un calentador de hilo de resistencia en un medio de baja temperatura. Como se muestra en la Figura 2, el vacuómetro detecta el cambio de la presión del aire en la parte superior, y el controlador PID cambia la corriente de calentamiento para ajustar y controlar la presión del aire en la parte superior, manteniendo la presión del aire en la parte superior constante en el valor establecido. En la figura 2 se puede observar que el modo de calentamiento por resistencia es más adecuado para el método de control de la temperatura de aumento de la presión en la parte superior, pero no puede reducir la presión y la refrigeración.


3.2 Modo de control de flujo
El modo de control de flujo es un modo típico de reducción de presión y refrigeración. Como se muestra en la figura 3, la bomba de vacío extrae continuamente el criostato a una determinada velocidad de bombeo para reducir la presión de aire superior. El vacuómetro, la válvula electrónica de control de flujo neumático y el controlador PID forman un bucle de control cerrado. La válvula electrónica de control de flujo neumático de la serie FC ajusta el flujo de aire para mantener la presión de aire superior de forma precisa y constante en el grado de vacío. Se puede observar que el modo de control de flujo es más adecuado para el método de refrigeración y control de temperatura para reducir la presión del aire superior, pero no puede alcanzar la sobrealimentación y la calefacción.
Además, en el modo de control de flujo, el bombeo continuo de la bomba de vacío hace que la disipación ineficaz del medio de baja temperatura sea más grave.
Para más información sobre la válvula neumática electrónica de control de flujo de la serie FC, visite https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

3.3 Modo de control de la presión
El modo de control de la presión es un modo de control de la temperatura que puede aumentar o disminuir la presión. Como se muestra en la Figura 4, cuando se adopta la bomba de vacío para evacuar es el modo de reducir la presión. Cuando se adopta la bomba de refuerzo es el modo de aumentar la presión. De este modo, se puede alcanzar un control continuo de la temperatura en una amplia zona de temperatura. El regulador de presión proporcional utilizado viene con una entrada de aire (presión atmosférica). En combinación con la bomba de vacío, puede evitar eficazmente una gran cantidad de disipación ineficaz del medio de baja temperatura mientras controla la presión superior a una presión constante.
Además, el método de sobrealimentación en este caso también se puede alcanzar añadiendo un calentador eléctrico al medio de baja temperatura.

4. Detalles adicionales de trabajo
Durante la aplicación de los tres modos de control anteriores, se debe prestar especial atención a los siguientes detalles:
(1) Selección del vacuómetro El vacuómetro es un sensor que mide el cambio de la presión del aire en la parte superior. Es la clave para determinar la estabilidad del control de la temperatura del criostato, por lo que hay que asegurarse de elegir un vacuómetro de alta precisión. En la actualidad, los vacuómetros de alta precisión son generalmente medidores de película capacitiva, y la precisión general es de 0,2%. Como se ha mencionado anteriormente, en el proceso de control de la temperatura constante del hidrógeno líquido alrededor de 4K, se requiere que la fluctuación de la presión del aire no exceda de 100Pa, y ±50Pa. Si corresponde a un control de la presión del aire de 100kPa, la precisión del vacuómetro debe ser superior a ±0,05%. Se puede ver que el control de la temperatura constante con la fluctuación de la temperatura menos de 1mK, también se requiere un medidor de vacío de mayor precisión.
(2) Selección del controlador PID En el proceso de control de temperatura constante, el controlador PID recoge el valor medido del medidor de vacío a través del convertidor A/D, y luego envía la señal de control al actuador (válvula de aguja eléctrica, regulador de presión y fuente de alimentación de calefacción, etc.) a través del convertidor D/A después del cálculo. ). Por esta razón, para asegurar que la alta precisión y exactitud de control del vacuómetro puede ser totalmente utilizada y regulada con una válvula electrónica de control de flujo neumático, cuanto más alta sea la precisión de los convertidores A/D y D/A, mejor, al menos 16 bits, y se recomienda encarecidamente un controlador PID de alta precisión de 24 bits.
(3) Asignación del regulador de tensión El regulador de presión es un dispositivo de control de la presión que integra un sensor de presión de vacío, un controlador y una válvula, pero la precisión del sensor de presión de vacío es mucho menor que la del condensador de película fina, y la precisión del controlador también es relativamente baja. Por lo tanto, cuando se utiliza un regulador de tensión, se debe seleccionar un modo de control externo, es decir, se utiliza un condensador de película fina como sensor de control.
Además, hay que tener en cuenta que los convertidores A/D y D/A del controlador en el regulador tienen una baja precisión. Por lo tanto, para el control de la presión del aire superior de alta precisión y alta estabilidad, no se recomienda el modo de control de la presión a menos que se utilice un regulador de voltaje de alta precisión hecho especialmente.