КРИОСТАТ С СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

КРИОСТАТ С СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Полезная модель относится к криогенной технике и может быть использована для температурных исследований новых материалов, в частности, высокотемпературных сверхпроводников. Известен криостат, предназначенный для использования в криогенной технике притемпературных исследованиях
фотоэлектрических и оптических свойств материалов. Криостат содержит сосуд Дьюара, хладопровод с отверстием, расположенную в тепловом контакте с ними теплоизолирующую камеру с проволочным нагревателем, термодатчик, блок управлениями № 2173435 , опубликованный в БИ № 25, 2001 г.). Недостатком данного криостата является узкий диапазон рабочих температур. Температуру образца, укрепленного на хладопроводе, соприкасающегося с жидким хладоагентом, можно регулировать лишь в низкотемпературном диапазоне вблизи температуры жидкого хладоагента. Подъем температуры на несколько десятков градусов выше температуры жидкого хладоагента потребует очень мощного нагревателя на хладопроводе и неизбежно приведет к бурному испарению хладоагента, к резкому увеличению его расхода. Причиной описанного выше недостатка известного криостата является постоянный контакт хладопровода, на котором укреплен исследуемый образец и нагреватель, с жидким хладоагентом.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является криостат с цифровым регулятором температуры,
(« Приборы и техника эксперимента, №,1991 г.,стр.247, Москва). Криостат содержит один активный датчик температуры, нагреватель, линейный двигатель с запорной иглой, измеритель уровня жидкого хладоагента, блоки усиления и оцифровывания сигнала датчика температуры, блок управления линейным двигателем, блок сопряжения с измерителем уровня жидкого хладоагента, усилитель мощности для нагревателя yseji формирования управляющих сигналов для нагревателя и линейного двигателя, панель управления всем устройством, блок сигнализации, задатчик тока для термометра сопротивления и блок КАМАК. Криостат позволяет работать в диапазоне температур от 4,2К до 273К.
MI1K.F25D3/10
-измеритель уровня хладоагента лишь измеряет текущий уровень хладоагента, информация об уровне хладоагента не учитывается узлом формирования управляющих сигналов для нагревателя и линейного двигателя;
-наличие только одного датчика температуры не позволяет производить измерения температуры с высокой точностью, т.к. датчик всегда будет регистрировать температуру в точке его местоположения, которая отличается от средней температуры рабочей камеры криостата;
-линейный двигатель статически перемещающий запорную иглу, не достаточно быстро отрабатывает управляющий сигнал.
Все выше перечисленные недостатки не позволяют известному устройству регулировать температуру с высокой точностью, Кроме того, низкая точность регулирования температуры обусловлена также невозможностью учета всех текущих параметров криостата, например, давления паров хладоагента в криостате.
Задачей полезной модели является создание криостата с повышенной точностью регулирования температуры, а также с расширенным диапазоном рабочих температур.
Поставленная задача решается предлагаемым криостатом с системой автоматического регулирования температуры, содержащим датчик температуры, нагреватель, линейный двигатель с запорной иглой, измеритель уровня жидкого хладоагента, блоки усиления и оцифровывания сигнала датчика температуры, блок управления линейным двигателем, блок сопряжения с измерителем уровня жидкого хладоагента, усилитель мощности для нагревателя, узел формирования управляющих сигналов для нагревателя и линейного двигателя, панель управления и блок сигнализации, которыйдополнительноснабжентеплообменником,
представляющим собой металлическую пористую пластину, обеспечивающую возможность прохождения жидкого хладоагента из резервуара криостата в его рабочую камеру, и датчиком давления паров хладоагента, при этом нагреватель расположен по периметру теплообменника, линейный двигатель выполнен с возможностью обеспечения принудительного колебания запорной иглы относительно ее установившегося положения, а в качестве узла формирования управляющих сигналов для нагревателя и линейного двигателя введен микроконтроллер, при этом последний связан с панелью управления, с датчиком температуры через блоки усиления и оцифровывания, с измерителем уровня жидкого хладоагента и датчиком давления паров хдадоагента через соответствующие блоки сопряжения, с линейным двигателем через блок управления
2лодШ Ш
-з
линейным двигателем, с нагревателем через усилитель мощности, со световым и звуковым сигнализаторами через блок сигназизации. Криостат содержит более одного датчика температуры, работающих одновременно.
На фиг.1 изображен криостат, содержащий резервуар 1 и рабочую камеру 2, сообщающиеся с помощью капиллярной трубки 3, по которой протекает жидкий хдадоагент 4. В резервуаре над жидким хладоагентом и рабочей камере криостата всегда присутствуют пары хладоагента. В верхней части резервуара криостата закреплен датчик давления 6 паров хладоагента и измеритель уровня 7 жидкого хладоагента. К рабочей камере пристыкован линейный двигатель 8 с запорной иглой 9. Внутри рабочей камеры криостата размещены несколько датчиков температуры 10. Внизу рабочей камеры криостата расположен нагреватель И, охватывающий теплообменник 12. Датчик давления паров хладоагента и измеритель уровня жидкого хладоагента соединены с микроконтроллером 19 через соответствующие блоки сопряжения 13 и 14. Линейный двигатель соединен с микроконтроллером через блок управления 15 линейным двигателем. Датчики температуры связаны с микроконтроллером через последовательно соединенные блок усиления 16 и блок оцифровывания 17 усиленного сигнала. Нагреватель соединен с микроконтроллером через усилитель мощности 18. С микроконтроллером соединены также блок сигнализации 20, панель управления 21 и компьютер 22.
Теплообменник, представляющий собой металлическую пористую пластину, содержащую множество микропор, установлен внизу рабочей камеры криостата в непосредственном контакте с капиллярной трубкой.. Жидкий хладоагент, поступающий по капиллярной трубке из резервуара криостата, впитывается порами теплообменника, испаряется нагревателем этого теплообменника и уже ввиде холодного пара равномерно по всему сечению рабочей камеры криостата охлаждает все пространство рабочей камеры. Температурные градиенты в рабочей камере криостата при этом резко снижаются. Точность регулирования температуры при этом повышается.
Установленный в верхней части резервуара криостата датчик давления измеряет давление паров хладоагента и через блок сопряжения передает информацию о давлении в микроконтроллер. Поскольку от давления паров над жидким хладоагентом в резервуаре криостата зависит скорость поступления жидкого хладоагента в теплообменник рабочей камеры криостата, и, соответственно, температура и скорость охлаждения рабочей
камеры, давление паров необходимо учитывать при формировании закона управления нагревателем и линейным двигателем. Эту задачу выполняет микроконтроллер. Точность регулирования температуры при этом повышается.
Сигнал об уровне жидкого хладоагента используется не только для отображения на панеле управления, но и для коррекции закона управления нагревателем и линейным двигателем. Уровень жидкого хладоагента, т.е. его масса также Информация о величине уровня жидкого хладоагента используется микроконтроллером для внесения поправок в закон управления нагревателем и линейным двигателем. Точность регулирования температуры при этом повышается.
Запорная игла линейного двигателя под воздействием управляющего сигнала открывает в большей или меньшей степени выпускное отверстие рабочей камеры криостата. Пары хладоагента с большей или меньшей скоростью выпускаются наружу. Чем больше открыто выпускное отверстие, тем ниже температура и скорость охлаждения в рабочей камере криостата.
В предлагаемом криостате запорная игла линейного двигателя не только открывает в большей или меньшей степени выпускное отверстие, но и совершает при этом возвратно-поступательные движения небольшой амплитуды относительно установившегося положения. Этим увеличивается скорость отработки управляющего сигнала и повышается точность управления запорной иглой, поскольку уменьшается трение при трогании линейного двигателя и запорной иглы из установившегося положения.Точность регулирования температуры при этом повышается. Микроконтроллер, который введен в криостат в качестве узла формирования управляющих сигналов для нагревателя и линейного двигателя, позволяет учитывать все текущие параметры криостата и вырабатывать на основе этих параметров сигналы управления нагревателем и линейным двигателем. Сигналы управления содержат также пропорциональную, интегральную и дифференциальнуюсоставляющие.Использование
микроконтроллера позволило повысить точность регулирования температуры в криостате.
Криостат работает следующим образом. Пользователь с панели управления задает требуемую температуру, скорость изменения температуры, другие параметры. Микроконтроллер на основе этого задания и всех текущих параметров криостата(текущая температура, текущее давление паров, текущий уровень жидкого хладоагента) по заложенной в него программе, начинает вырабатывать сигналы управления нагревателем и линейным
двигателем. Нагреватель и линейный двигатель, которые являются исполнительными механизмами криостата, начинают отрабатывать задание пользователя. Как только температура или скорость изменения температуры установятся равными заданию, криостат переходит в режим стабилизации этих параметров. Диапазон рабочих температур криостата от 4,2К до 400К; точность поддержания температуры ±0,005К.
Таким образом заявляемый криостат с системой автоматического регулирования температуры позволяет расширить диапазон рабочих температут при исследовании материалов и повысить точность регулирования температуры.