Температурный контроллер криогенной водородной мишени

Заказчик

ОИЯИ, г. Дубна

Особенности криоконтроллера ККВМ-10

Технические характеристики

Встроенный монитор температур (измеритель)

Дополнительные материалы

Описание

Исследования процессов столкновения элементарных частиц на выведенных пучках ускорительного комплекса NICA (ОИЯИ, г. Дубна), создаваемого в рамках мегапроекта, с помощью физической установки BM@N нуждаются в криогенных мишенях с уникальными соотношениями количества рабочего вещества (жидкого водорода, дейтерия или гелия) и вещества, из которого сделана мишень, взаимодействуя с которым пучок заряженных частиц и вторичные частицы создают фоновые события.
Термоконтроллер ККВМ-10 обеспечивает работу охлаждаемой с помощью GM-криокулера водородной мишени физической установки BM@N: устанавливает рабочую температуру криоконденсатора мишени на уровне температур до 100 Кельвин с точностью не хуже ±0,3 К для процесса конденсации рабочего вещества в мишень, находящуюся в зоне прохождения пучка заряженных частиц. В рабочем состоянии мишень должна быть наполнена жидким водородом, гелием или дейтерием.
Необходимость разработки нового термоконтроллера обусловлена сложностью (особенностью) процедуры измерений низких температур с помощью криогенных термодатчиков, а также невозможностью приобретения приборов термоконтроллеров на западе из-за экономических санкций и отказом в поставке приборов на территорию РФ.

Термоконтроллер ККВМ-10 представляет собой комплекс из 4 блоков электроники: блока питания, блока нагрева, модуля измерений и контроллера (рис. 1, 2, 3).
Блоки электроники внутри ККВМ-10 соединены между собой через интерфейс RS-485 и управляются блоком «Контроллер». Каждый составной блок электроники ККВМ-10 представляет собой законченное устройство с поддержкой управления по протоколу Modbus RTU. В блоке «Контроллер» реализован функционал Modbus RTU в режиме ведущего (для управления внутренними блоками) и ведомого (RTU over TCP) для удобного обращения со стороны пользователя.

Обобщенный принцип работы термоконтроллера ККВМ-10 следующий:

1. блок «Измеритель» периодически проводит измерения напряжения на криогенных термодатчиках, пересчитывает напряжение в температуру и обновляет переменные (свою регистровую карту);
2. блок управления «Контроллер» вычитывает показания модулей «Измеритель» и «Нагреватель»;
3. алгоритм ПИД-регулятора внутри блока управления «Контроллер» обрабатывает результаты измерений температуры и текущую мощность «Нагревателя», сравнивает с установленным значением и при необходимости корректирует регулятор управляя блоком «Нагреватель», тем самым обеспечивая стабильное и точное удержание температуры на конденсаторе водорода внутри мишени;
4. блок «Нагреватель» получает необходимые установки от «Контроллера» и поддерживает необходимую заданную мощность на нагревательном элементе.
5. далее происходит анализ установок пользователя и другие сервисные операции.

Предусмотрена возможность установки температуры регулятора как с передней панели через сенсорный дисплей, так и удаленно через интерфейс Ethernet в режиме Modbus RTU over TCP. Также предусмотрены различные сценарии аварийной работы ККВМ-10 – потеря связи с блоком измерений, повреждение измерительной цепи датчиков или отказ блока нагрева. Все настройки ККВМ-10 сохраняются в энергонезависимую память, при включении питания восстанавливаются последние установленные параметры.

Принцип работы