中性束注入系统低温冷凝泵温度测量技术研究

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低温真空系统是中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)的一个关键子系统,其性能对束的生成与传输有至为重要的影响。采用低温冷凝泵作为真空主抽泵构成NBI真空系统已成为当前NBI设计的主流选择。低温冷凝泵的运行性能主要由其液氮冷却的辐射挡板与液氦冷却的低温冷凝板的温度决定,为了监测低温冷凝泵运行期间的温度变化,须在辐射挡板和低温冷凝板上分别设置一定数量的温度测量点,同时要求温度测量至少具有0.1K的精度。NBI工作在恶劣电磁环境中,尤其是中性束注入系统高压上电瞬间产生的强烈电磁干扰,要求温度的测量具备一定的抗干扰能力。低温冷凝泵各部件工作时具有不同的温度范围,对此选择了不同的温度传感器,辐射挡板的温度测量采用铂电阻温度传感器,低温冷凝板的温度测量则采用碳电阻温度传感器,因此温度测量硬件必须具有支持不同的温度传感器的能力。由于低温冷凝泵需要大量的温度测量点,从灵活性和可扩展性考虑,须采用模块化设计,通过多套相同的测量模块构成完整的低温冷凝泵温度测量。  为满足低温冷凝泵的需求,进行了面向低温冷凝泵温度测量所需的硬件和软件技术研究,实现了可在复杂电磁环境下进行长时间连续的多通道、高精度温度测量,并且硬件具有支持多种温度传感器能力。为减小硬件设计的复杂性以及考虑低温冷凝泵温度测量的灵活性,每套测量硬件共设置八路高精度恒流源,支持八路温度测量,每路可以程控输出四种高精度电流驱动四线制温度传感器,通过高精度程控恒流源的方式实现对多种温度传感器的支持(每套温度测量硬件及软件系统以下均简称测量系统)。为减小噪声以及环境中的电磁干扰,温度传感器输出的电压信号首先经过截止频率在50Hz以内的差分式低通滤波。经过低通滤波器的输出信号先经过自稳零运放AD8639构成的差分缓冲电路,以减小传感器引线电阻的影响,再输入到24位∑-△模数转换(Analog-to-Digital Converter, ADC)芯片AD7193执行模数转换。同时在AD7193内部存在一个数字滤波器,经过合理的设置可对50Hz工频干扰进行陷波。为了满足通信和组网的要求,设计了基于ADM3251E的RS232串口通信和基于W5500的以太网通信电路。在测量系统的硬件关键部位使用抑制浪涌的电路,防止复杂电磁环境下的电磁干扰对测量系统产生致命影响,在硬件保护的基础上,同时增加了软件保护措施,包括开启看门狗、程序实时检查相关电路状态,尤其是模数转换电路以及以太网通信电路,如果卡死则执行软件复位。系统采用ARM芯片STM32F103ZET6控制恒流源、ADC转换以及数据通信等。  所研制的低温冷凝泵温度测量系统硬件经过实际测试,其恒流源输出电流精度在0.2%;传感器输出电压比较低时,缓冲及ADC转换部分仅具有2~3微伏的电压波动。在使用电阻型温度传感器时,系统具有0.01%的测量精度。低温冷凝泵温度测量硬件和软件系统已经成功应用于中性束注入实验中,其精度和稳定性均满足实验运行要求,运行稳定可靠。
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