Abstract: Concentrandosi sul controllo di alta precisione del mezzo a bassa temperatura nel criostato, questo articolo introduce principalmente il metodo di decompressione e di controllo della temperatura del mezzo a bassa temperatura e l'influenza dell'accuratezza del controllo della pressione dell'aria sulla stabilità della bassa temperatura. Tre modalità di riscaldamento, controllo del flusso e controllo della pressione, nonché le corrispondenti condizioni di lavoro specifiche che incorporano la valvola elettrica pneumatica di controllo del flusso e i dettagli.

1. Introduzione
Nel criostato, la ragione principale della fluttuazione della temperatura del mezzo criogenico (elio liquido e azoto liquido, ecc.) è la variazione della pressione (vuoto) nella parte superiore del mezzo criogenico in ebollizione. Pertanto, per raggiungere una temperatura stabile all'interno del mezzo criogenico, è necessario controllare accuratamente la pressione dell'aria nella parte superiore del mezzo criogenico.
Il controllo internazionale e localizzato della temperatura dei criostati adotta per lo più i seguenti tre approcci tecnici:
(1) Metodo di controllo attivo: Il circuito di riscaldamento conduce direttamente alla camera a vuoto immersa nel mezzo a bassa temperatura e i dati di monitoraggio della temperatura in tempo reale della camera a vuoto vengono utilizzati per confrontare il valore della temperatura target e quindi controllare la corrente aggiunta al circuito di riscaldamento.
(2) Metodo di controllo passivo: Controllo della pressione dell'aria nella parte superiore del fluido a bassa temperatura per stabilizzare la temperatura del fluido a bassa temperatura.
(3) Metodo di controllo composito: I due metodi di controllo di cui sopra sono combinati e il circuito di controllo del riscaldamento conduce direttamente alla camera a vuoto immersa nel mezzo a bassa temperatura, mentre la pressione dell'aria sopra il mezzo a bassa temperatura viene controllata allo stesso tempo. Il metodo di controllo della temperatura con riscaldamento a resistenza è già una tecnologia molto matura. Questo articolo si concentrerà principalmente sul metodo di controllo della pressione nella parte superiore del fluido a bassa temperatura e introdurrà l'influenza della precisione del controllo della pressione sulla stabilità della bassa temperatura, nonché il metodo di realizzazione e lo schema specifico del controllo della pressione ad alta precisione.

2. La relazione tra l'accuratezza del controllo della pressione dell'aria e la stabilità della temperatura
Prendendo come esempio l'idrogeno liquido, la pressione di vapore saturo dell'idrogeno liquido e la corrispondente curva di variazione della temperatura sono mostrate nella Figura 1.
Come si può vedere nella Figura 1, in un intervallo di temperatura molto ridotto, la curva di cui sopra può essere descritta da una linea retta, quindi può essere ottenuta in un intervallo di temperatura di circa 4K; la fluttuazione della pressione dell'aria di circa 100Pa può causare una fluttuazione di temperatura di circa 1mK. Pertanto, si può ritenere che se si vuole raggiungere una fluttuazione inferiore a 1mK, la fluttuazione della pressione dell'aria non può superare i 100Pa.

3. Tre modalità di controllo della pressione dell'aria superiore
Le modalità di controllo della pressione dell'aria nella parte superiore del mezzo criogenico sono generalmente tre: riscaldamento a resistenza, controllo del flusso e controllo della pressione.

3.1 Modalità di riscaldamento a resistenza
Nel processo di controllo della temperatura costante del criostato, la modalità di riscaldamento a resistenza consiste nel posizionare una resistenza a filo nel mezzo a bassa temperatura. Come mostrato nella Figura 2, il vacuometro rileva la variazione della pressione dell'aria nella parte superiore e il controllore PID modifica la corrente di riscaldamento per regolare e controllare la pressione dell'aria nella parte superiore e mantenere la pressione dell'aria nella parte superiore costante al valore impostato. Dalla Figura 2 si evince che la modalità di riscaldamento a resistenza è più adatta per il metodo di controllo dell'aumento della temperatura e dell'aumento della pressione nella parte superiore, ma non può ridurre la pressione e il raffreddamento.


3.2 Modalità di controllo del flusso
La modalità di controllo del flusso è una tipica modalità di riduzione della pressione e di raffreddamento. Come mostrato nella Figura 3, la pompa del vuoto estrae continuamente il criostato a una certa velocità di pompaggio per ridurre la pressione dell'aria superiore. Il vacuometro, la valvola elettronica di controllo del flusso pneumatico e il controllore PID formano un circuito di controllo ad anello chiuso. La valvola elettronica pneumatica di controllo del flusso della serie FC regola il flusso d'aria per mantenere la pressione dell'aria superiore accurata e costante al grado di vuoto. Si può notare che la modalità di controllo del flusso è più adatta al raffreddamento e al metodo di controllo della temperatura per ridurre la pressione dell'aria superiore, ma non può raggiungere la sovralimentazione e il riscaldamento.
Inoltre, in modalità di controllo del flusso, il continuo pompaggio della pompa del vuoto rende più grave l'inefficace dissipazione del mezzo a bassa temperatura.
Per ulteriori informazioni sulla valvola elettronica pneumatica di controllo del flusso della serie FC, visitare il sito web https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

3.3 Modalità di controllo della pressione
La modalità di controllo della pressione è una modalità di controllo della temperatura che può aumentare o diminuire la pressione. Come illustrato nella Figura 4, quando si adotta la pompa del vuoto per l'evacuazione è la modalità di riduzione della pressione. Quando si adotta una pompa ausiliaria è la modalità di aumento della pressione. In questo modo è possibile ottenere un controllo continuo della temperatura in un'ampia area di temperatura. Il regolatore di pressione proporzionale utilizzato è dotato di un ingresso aria (pressione atmosferica). In combinazione con la pompa del vuoto, può evitare efficacemente una grande quantità di dissipazione inefficace del mezzo a bassa temperatura, controllando al contempo la pressione superiore a una pressione costante.
Inoltre, il metodo di sovralimentazione qui descritto può essere raggiunto anche aggiungendo un riscaldatore elettrico al mezzo a bassa temperatura.

4. Ulteriori dettagli di lavoro
Durante l'implementazione delle tre modalità di controllo sopra descritte, è necessario prestare particolare attenzione ai seguenti dettagli:
(1) Selezione del vacuometro Il vacuometro è un sensore che misura la variazione della pressione dell'aria nella parte superiore. È la chiave per determinare la stabilità del controllo della temperatura del criostato, quindi è necessario scegliere un vacuometro di alta precisione. Attualmente, i vacuometri di alta precisione sono generalmente misuratori a film capacitivo e la precisione generale è di 0,2%. Come già detto, nel processo di controllo della temperatura costante dell'idrogeno liquido intorno ai 4K, la fluttuazione della pressione dell'aria non deve superare i 100Pa e ±50Pa. Se corrisponde a un controllo della pressione dell'aria di 100kPa, la precisione del vacuometro deve essere superiore a ±0,05%. Si può notare che per il controllo della temperatura costante con fluttuazioni di temperatura inferiori a 1mK, è necessario anche un vacuometro di maggiore precisione.
(2) Selezione del controllore PID Nel processo di controllo della temperatura costante, il controllore PID raccoglie il valore misurato del vacuometro attraverso il convertitore A/D, quindi invia il segnale di controllo all'attuatore (valvola elettrica a spillo, regolatore di pressione e alimentatore di riscaldamento, ecc. ). Per questo motivo, per garantire che l'alta precisione e l'accuratezza di controllo del vacuometro possano essere pienamente utilizzate e regolate con una valvola elettronica di controllo del flusso pneumatico, maggiore è la precisione dei convertitori A/D e D/A, meglio almeno 16 bit, e si consiglia vivamente un controller PID ad alta precisione a 24 bit.
(3) Assegnazione del regolatore di tensione Il regolatore di pressione è un dispositivo di controllo della pressione che integra un sensore di pressione a vuoto, un controllore e una valvola, ma la precisione del sensore di pressione a vuoto è di gran lunga inferiore a quella del condensatore a film sottile e anche la precisione del controllore è relativamente bassa. Pertanto, quando si utilizza un regolatore di tensione, è necessario selezionare una modalità di controllo esterna, ovvero utilizzare un condensatore a film sottile come sensore di controllo.
Inoltre, va notato che i convertitori A/D e D/A del regolatore hanno una bassa precisione. Pertanto, per il controllo della pressione dell'aria superiore ad alta precisione e ad alta stabilità, la modalità di controllo della pressione non è consigliata, a meno che non si utilizzi un regolatore di tensione ad alta precisione appositamente realizzato.