АВТОМАТИЧЕСКИЙ КРИОГЕННЫЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полезная модель относится к техническим средствам прецизионного регулирования и стабилизации температуры в криогенной среде для обеспечения низкотемпературных измерений характеристик новых перспективных материалов и объектов и может быть использована для научных исследований фундаментальной и прикладной науки и критических технологий.
Известны разработки зарубежных фирм, активно развивающих исследования в указанном направлении. Следует отметить компании Oxford Instruments (Великобритания), OMEGA Engineering Inc., Linear Research Inc., LakeShore Cryotronics и Cryogenic Control Systems Inc. (США), разрабатывающие и производящие контроллеры для научных исследований и промышленного применения, а также фирмы ERBE (Германия), SY-LAB (Австрия), GALIL MEDICAL и Custom BioGenic Systems (США), изготавливающие аппаратуру для криомедицинских применений. Одним из лучших западных аналогов заявляемого автоматизированного прецизионного низкотемпературного контроллера для научных исследований считаются контроллеры фирмы Oxford Instruments (Великобритания) семейства ITC500, наиболее распространенные и сравнительно дешевые (стоимость - $2500-$3500) регуляторы температуры, созданные на базе весьма медленных АЦП по принципу преобразования напряжения в частоту (время отклика устройства ограничено величиной 250 мс). Кроме низкого быстродействия приборы серии ITC500 отличает также довольно низкая точность стабилизации температуры (в среднем 0.1 К) и наличие ограниченного объема памяти для встроенных калибровок криогенных датчиков. Известны также низкотемпературные контроллеры фирмы LakeShore Cryotronics (США). Эти приборы для научных
исследований чрезвычайно дороги (стоимость $8000-$12000) и также не отличаются высоким быстродействием, будучи построены на базе классических микроконтроллеров с ограниченным величиной не более 50 мсек временем отклика. Температурные контроллеры, выпускающиеся мелкосерийно американскими компаниями OMEGA Engineering Inc., Linear Research Inc. и Cryogenic Control Systems Inc., по своим характеристикам являются промежуточными между вышеотмеченными приборами Oxford Instruments и LakeShore Cryotronics, и, таким образом, также значительно уступают заявляемой полезной модели.
Известно устройство регулятор температуры для комби-криостатов tSTAT320, который представляет собой контроллер температуры для криостатов, использующих жидкий гелий или азот, в особенности для криостатов OptCRYO, XrayCRYO и MagnCRYO (www.crуo.ru). Это устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является и предложено в качестве прототипа.
Известный регулятор температуры включает основной управляющий микропроцессорный модуль с возможностью формирования управляющего сигнала по пропорционально-интегральному (ПИ) алгоритму для регулирования, блоки питания, управления и визуализации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) регистрации температуры с внешнего датчика, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для управления внешним нагревателем, а также компьютерный интерфейс и энергонезависимое запоминающее устройство.
Устройство tSTAT320 реализует двухконтурную регулировку температуры в интервале от 4,2 К до 300 К. Регулятор обеспечивает контроль электрического тока теплообменника и потока газообразного криоагента через образец. Последнее обеспечивается посредством регулировки положения игольчатого клапана, соединяющего шахту с
образцом с гелиевой сетью. Регулятор имеет встроенный уровнемер жидкого гелия или азота.
Для измерений температуры используется термопара Cu:Cu(Fe), которая предварительно калибруется по эталону температуры сертифицированного Госстандартом России. Используемая термопара обладает высокой термо-ЭДС в области низких температур (>10 мкВ/К). Холодный спай термопары находится в резервуаре с жидким гелием криостата. Измерительный спай термопары расположен вблизи образца.
ISTAT320 имеет компьютерный интерфейс RS-232. Процесс регулировки может осуществляться через компьютер при помощи программного обеспечения под ОС Windows или с панели прибора. Терморегулятор работает следующим образом. Рабочая температура может быть задана как в мкВ, так и в градусах Кельвина. Она может быть задана при помощи кнопок передней панели или при помощи клавиатуры. Для установки и поддержания температуры используется закон ПИ-регулировки. Измеритель уровня жидкого азота представляет собой совокупность термочувствительных элементов, расположенных с определенной частотой, сопротивление которых сильно зависит от их температуры. Скачки напряжения на уровнемере, которые возникают при соприкосновении с жидким азотом регистрируются электронной системой. Для измерения уровня жидкого гелия используется сверхпроводящая проволока, которая находится внутри защитного кожуха. Часть проволоки, которая находится в жидком гелии переходит в сверхпроводящее состояние, что регистрируется как скачок напряжения на проволоке. Известный регулятор температуры имеет ряд недостатков. Прибор имеет невысокое быстродействие (~40 мс) и достаточно низкую точность стабилизации температуры (до 0,05 К).
Задачей полезной модели является создание современных технических средств прецизионного регулирования и стабилизации температуры в
криогенной среде для обеспечения низкотемпературных измерений характеристик новых перспективных материалов и объектов, представляющих интерес для фундаментальной и прикладной науки, а также критических технологий. Актуальность задачи связана с необходимостью удовлетворения потребностей в оснащении современными высокоинтеллектуальными приборами и установками для организации научно-технических исследований и разработок.
Поставленная задача решается заявляемым автоматизированным криогенным микропроцессорным контроллером для научных исследований, включающим основной управляющий микропроцессорный модуль с возможностью формирования управляющего сигнала по пропорционально-интегральному алгоритму регулирования, блоки питания, управления и визуализации, аналого-цифровой преобразователь для регистрации температуры с внешнего датчика, цифро-аналоговый преобразователь для управления внешним нагревателем, а также компьютерный интерфейс и энергонезависимое запоминающее устройство, который дополнительно снабжен процессором цифровой обработки сигналов для обеспечения управления цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователями по пропорционально-интегрально-дифференциальному алгоритму, а также дополнительным цифро-аналоговым преобразователем и двухканальным управляемым усилителем мощности, при этом дополнительный цифро-аналоговый преобразователь через последний имеет выход на дополнительный внешний нагреватель.
Основным отличием автоматизированного низкотемпературного контроллера от прототипа является принципиально новая архитектура прибора, построенная с использованием наиболее современных технологий и комплектующих. Использование помимо управляющего микропроцессорного (УМП) модуля нового специализированного процессора цифровой обработки сигналов (ЦОС) позволило существенно
уменьшить время отклика (меньше 1 мс), и, в результате, привело к значительному повышению точности измерения и стабилизации температуры. Для примера в прототипе эту задачу решает УМП модуль, что, в сочетании с использованием микросхем логики, существенно ухудшает точность и быстродействие прибора. В заявляемой полезной модели используют многофункциональные микросхемы высокой степени интеграции. Так, наилучшим примером выполнения полезной модели является использование микропроцессора T89C51RD2, который сочетает в себе микроконтроллер с усовершенствованным ядром MSC-51, работающий на частоте 40 МГц, а также такие необходимые компоненты микропроцессорных устройств, как запоминающее устройство ЗУ (программируемое флеш ЗУ объемом 64 кб с возможностью программирования на месте через канал связи RS-232 и ресурсом 10000 циклов записи), оперативное запоминающие устройство ОЗУ (256 байт +1024 байт), энергонезависимое ЗУ для хранения настроек прибора (2048 байт с ресурсом 100000 циклов записи) и дополнительные 2 порта ввода-вывода по 8 бит каждый. Благодаря указанным дополнительным портам в заявляемом контроллере для научных исследований удалось значительно упростить конструкцию, исключив использование логических микросхем для обеспечения интерфейса с хост-портом цифрового сигнального процессора и существенно уменьшить размеры и стоимость многослойной печатной платы прибора. Другим базовым компонентом контроллера для научных исследований является один из наиболее современных процессоров цифровой обработки сигналов модели ADSP-2184. Возможность загрузки программ в этот ЦОС-процессор через порт ввода-вывода микроконтроллера, в сочетании с высокой производительностью позволяют реализовать наиболее эффективный пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) метод регулирования температуры объекта с высокой точностью (16 бит) и с временами отклика менее 0.001 сек,
являющимися недостижимым пределом для классических микроконтроллеров. Кроме того, наличие в данном приборе помимо управляющего микропроцессорного модуля процессора цифровой обработки сигнала позволяет существенно снизить наиболее трудоемкую часть разработки, связанную непосредственно с микропроцессорным программированием. Предусмотренная в приборе возможность работы с памятью программ микроконтроллера "на месте", в готовом изделии, позволяет быстро и эффективно корректировать программу, в том числе, менять алгоритмы управления прибором, расширять набор функциональных возможностей под конкретные требования заказчика. В частности, изменение полосы подавления цифрового фильтра с 50 Гц на 60 Гц (например, при организации работы таких приборов в США) сводится к изменению всего лишь одного параметра в настройках прибора, а замена алгоритма регулирования температуры влечет за собой лишь небольшое изменение микропрограммы. Аналогично, значительно упрощается добавление к контроллеру периферийных исполнительных устройств (реле и др.). Наличие процессора ЦОС позволяет вдвое уменьшить стоимость и примерно в 10 раз сократить объем соответствующего узла прибора.
Заявляемый автоматизированный низкотемпературный контроллер имеет значительно лучшие технические характеристики (таблица 1).
Таблица 1Сравнительные характеристики заявляемой полезной модели и прототипа
автоматизированный низкотемпературный контроллер
прототип
Точность измерения температуры, (К)
0.01
0.05
Точность стабилизации температуры, (К)
<0.01
0.1-0.05
Быстродействие, (мс)
~1
более 40
В заявленном контроллере по сравнению с прототипом улучшена точность регулирования температуры, а также быстродействие.
На фиг.1 приведена блок-схема заявляемой полезной модели. Устройство работает следующим образом.
Сигнал с датчика температуры поступает на предусилитель (9), преобразуется к виду, пригодному для обработки АЦП (6), который осуществляет аналого-цифровое пребразование сигнала и передает его в модуль процессора цифровой обработки сигнала (ЦОС) (5). Процессор ЦОС (5) на основе пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) алгоритма формирует управляющий сигнал, передаваемый на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП1) (7). Сигнал с ЦАП1 (7) подается на двухканальный управляемый усилитель мощности (10). Усилитель мощности (10) управляет работой нагревателя, замыкая петлю обратной связи устройства. Второй канал управления нагревателем (ЦАП2) (8) используется для облегчения процесса регулирования в режиме высоких мощностей нагрева. Информация о значении температуры с процессора ЦОС (5) поступает в управляющий микропроцессор (3) и, далее, через модуль гальванической развязки интерфейса RS-232 (1) обрабатывается прикладной программой персонального компьютера. Персональный компьютер задает управляющему микропроцессору (3) параметры регулирования ПИД для процессора ЦОС (5) и рабочие параметры предусилителя (9). В отсутствии внешнего персонального компьютера (автономный режим работы температурного контроллера) все параметры задают с клавиатуры (2). Для визуализации режима работы контроллера используют жидко-кристаллический дисплей (4). Информация о параметрах регулирования контроллера, параметрах работы предусилителя и калибровочных таблицах используемых датчиков температуры сохраняют в энергонезависимом запоминающем устройстве (ЗУ) высокой емкости (11).
Использование современного процессора ЦОС в дополнение к основному микропроцессору позволяет резко увеличить быстродействие устройства и точность стабилизации температуры, что чрезвычайно важно при работе прибора в режиме стабилизации низких и сверхнизких температур. Кроме того, высокая точность регулирования достигается благодаря использованию современных 16-разрядных АЦП, ЦАП и высоко стабильного источника опорного напряжения. Применение энергонезависимой памяти большой емкости позволяет обслуживать до 50-и различных внешних датчиков температуры.
Таким образом, заявляемый автоматизированный криогенный микропроцессорный контроллер для научных исследований имеет целый ряд несомненных и значительных преимуществ, в основе которых лежит использование наиболее современных технических решений, микроэлектронных устройств, компонентов и программного обеспечения.