Прецизионный источник тока сверхпроводящего соленоида
Полезная модель относится к средствам регулирования и стабилизации тока сверхпроводящего соленоида для обеспечения измерений характеристик новых перспективных материалов и объектов в сильном магнитном поле и может быть использована для научных исследований фундаментальной и прикладной науки и критических технологий. Задачей полезной модели является создание прецизионного источника тока сверхпроводящего соленоида, обладающего высокостабильными параметрами вне зависимости от помех сети электропитания в сочетании с высоким максимальным значением тока. Поставленная задача решается заявляемым прецизионным источником тока сверхпроводящего соленоида, содержащим основной управляющий микропроцессорный модуль, блок питания, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь напряжение ток, общий токовый шунт, компьютерный интерфейс, который содержит более одного преобразователя напряжение - ток, соединенных параллельно, локальные петли отрицательной обратной связи, состоящие из токовых шунтов и дифференциальных усилителей, при этом каждый преобразователь напряжение-ток содержит сильноточный полевой транзистор, кроме того общий токовый шунт дополнительно содержит систему стабилизации температуры, управляющий микропроцессорный модуль содержит 5 микропроцессоров, в том числе микропроцессор обработки данных АЦП и микропроцессор управления двумя ЦАП, а блок питания выполнен трехфазным на напряжение 380 В.
Полезная модель относится к техническим средствам прецизионного регулирования и стабилизации тока сверхпроводящего соленоида для обеспечения измерений характеристик новых перспективных материалов и объектов в сильном магнитном поле и может быть использована для научных исследований фундаментальной и прикладной науки и критических технологий.
Известны разработки немногочисленных российских научно-инновационных производителей, а именно компаний Cryomagnet (http://cryomagnet.ru) и Cryotrade (http://www.cryotrade.ru). Среди приборов предлагаемых этими фирмами лучшими характеристиками обладает биполярный стабилизированный источник тока VCH300-8R (Cryomagnet). Данный прибор имеет следующие параметры: максимальный ток±300 А, максимальное напряжение±6 В, нестабильность по току 10-4 (30 мА). Тем не менее, заявленная производителем точность стабилизации тока сверхпроводящего соленоида (30 мА) оказывается недостаточной в целом ряде научных экспериментов. Кроме того, данный источник тока обладает рядом других недостатков: низкая долговременная стабильность, низкая устойчивость к помехам и скачкам в сети электропитания, он подвержен «зависаниям» управляющей программы, требует водяных коммуникаций для охлаждения силовых элементов.
Известны более качественные разработки зарубежных фирм, активно развивающих исследования в указанном направлении. Особенно следует отметить компании Oxford Instruments, Omiran, Scientific Magnetics, Criogenic (Великобритания); LakeShore Cryotronics, Cryomagnetics, American Magnetics (США), разрабатывающие и производящие источники тока сверхпроводящих соленоидов для научных исследований и промышленного применения.
Общепризнанно, одним из лучших западных аналогов заявляемого прецизионного источника тока сверхпроводящего соленоида как по заявленным производителем параметрам, так и по их соответствию реально измеренным характеристиками прибора, считаются источники тока фирмы LakeShore Cryotronics, модель 625, (http://www.lakeshore.com). Обладая высокой точностью установки и стабилизации тока на уровне 4 мА, а также высокой временной стабильностью 10 мА/ч, эти приборы, в тоже время, ограничены диапазоном рабочих токов в ±60 А, что значительно сужает область их применения.
Другие производители - фирмы Omiran (Великобритания), Cryomagnetics и American Magnetics (США), выпускают приборы с большим рабочим диапазоном выходного тока вплоть до 1000 A (Omiran, http://www.omiran.co.uk), однако все эти приборы обладают заметно худшей точностью и стабильностью. Следует отметить, что некоторые фирмы (например Cryomagnetics), в спецификации к производимым источникам тока указывают параметры размыто, заявляя при этом крайне высокий параметр стабильности выходного тока вплоть до 0.1 мА. Однако, при детальном изучении оказывается, что эти приборы обладают крайне низкой долговременной стабильностью, что делает подобную спецификацию рекламным шагом, имеющим мало общего с реальными параметрами прибора.
Таким образом, наиболее близким заявляемой полезной модели по технической сущности, параметрам и достигаемому эффекту является источники тока фирмы LakeShore Cryotronics, модель 625, который и предложен в качестве прототипа.
Известный источник тока включает основной управляющий микропроцессорный модуль, блоки питания, управления и визуализации, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для регистрации напряжений на выходе прибора и токовом шунте, токовый шунт, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для управления преобразователем напряжение-ток, преобразователь напряжение-ток, реализованный на сборке полевых транзисторов, компьютерный интерфейс.
Источник тока LakeShore Cryotronics, модель 625, реализует развертку тока сверхпроводящего соленоида с заданными параметрами в диапазоне -60-+60 А. Прибор обеспечивает контроль тока и напряжения на сверхпроводящем соленоиде и производит их коррекцию в случае отличия от заданных значений. В результате достигаются следующие основные параметры: точность установки и стабилизации тока 4 мА, временная стабильность 10 мА/ч.
Недостатками прототипа являются низкая помехоустойчивость и, соответственно, невозможность использования в электросетях, не обеспечивающих высокостабильные параметры, наличие слаботочных силовых элементов, ограничивающее максимальное значение тока до 60А, тем самым, ограничивая область использования известного технического решения. Кроме того, точность стабилизации и долговременной стабильности выходного тока прибора оказываются недостаточными для целого ряда применений.
Задачей полезной модели является создание прецизионного источника тока сверхпроводящего соленоида, обладающего высокостабильными параметрами вне зависимости от помех в сети электропитания в сочетании с высоким максимальным значением тока. Актуальность задачи связана с необходимостью удовлетворения потребностей в оснащении современными высокоточными приборами и установками для организации научно-технических исследований и разработок, а именно, создание источника тока с точностью установки и стабилизации тока 2 мА, долговременной стабильностью не хуже 3 мА/ч и максимальным значением тока не менее 200 А.
Поставленная задача решается заявляемым прецизионным источником тока сверхпроводящего соленоида, содержащим основной управляющий микропроцессорный модуль, блок питания, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь напряжение-ток, общий токовый шунт, компьютерный интерфейс, который содержит более одного преобразователя напряжение - ток, соединенных параллельно, локальные петли отрицательной обратной связи, состоящие из токовых шунтов и дифференциальных усилителей, при этом каждый преобразователь напряжение-ток содержит сильноточный полевой транзистор, кроме того общий токовый шунт дополнительно содержит систему стабилизации температуры, управляющий микропроцессорный модуль содержит 5 микропроцессоров, в том числе микропроцессор обработки данных АЦП и микропроцессор управления двумя ЦАП, а блок питания выполнен трехфазным на напряжение 380 В.
Среди основных конструктивных отличий полезной модели от прототипа следует отметить наличие нескольких параллельно подключенных преобразователей напряжение-ток с локальными петлями отрицательной обратной связи, современных сильноточных полевых транзисторов, активной системы стабилизации температуры общего токового шунта, быстрых (20кГц) высокоточных (24 бит) измерительных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), высокоточного (20 бит) цифроаналогового преобразователя (ЦАП) совместно с ЦАП компенсации сдвигов нуля и временных дрейфов аналоговой части прибора, 5 микропроцессоров, использование трехфазной сети питания с напряжением 380 В.
Указанные отличия в сочетании с использованием оригинальных решений в программах микропроцессоров (петлей цифровой отрицательной обратной связи, программ динамической коррекцией сдвигов нуля и временных дрейфов цифровых и аналоговых частей прибора) позволили достичь значительно лучших технических характеристик заявляемого прецизионного источника тока сверхпроводящего соленоида (таблица 1).
| Таблица 1 | ||
| Сравнительные характеристики заявляемой полезной модели и прототипа | ||
 | Прецизионный источник тока сверхпроводящего соленоида | прототип |
| Диапазон тока, (А) | ±200 | ±60 |
| Точность установки и стабилизации тока, (мА) | 2 | 4 |
| Долговременная стабильность, (мА/ч) | 3 | 10 |
В заявленном источнике тока по сравнению с прототипом увеличен диапазон возможных значений тока и улучшена точность регулирования и стабилизации тока сверхпроводящего соленоида. На фиг.1 приведена блок-схема заявляемой полезной модели. Блок-схема включает в себя следующие блоки: интерфейс RS-232/USB, интерфейс ручного управления, центральный микропроцессор, микропроцессор управления разверткой тока, микропроцессор управления ЦАП, ЦАП1, ЦАП2, усилитель-сумматор, ПИД-регулятор, преобразователи напряжение-ток, дифференциальные усилители, токовые шунты, общий токовый шунт, АЦП1, АЦП2, микропроцессор обработки данных АЦП, цифровой индикатор тока, цифровой индикатор напряжения, датчики температуры, микропроцессор контроля температуры, диодная защита.
Устройство работает следующим образом:
С персонального компьютера через интерфейс удаленного управления RS-232/USB (1), либо кнопками интерфейса ручного управления (2) на лицевой панели прецизионного источника тока сверхпроводящего магнита передаются команды управления (запуск развертки тока, остановка) и требуемые параметры (значения максимального напряжения на сверхпроводящем магните, максимального тока I0 и скорости изменения токаdI/dt) развертки тока сверхпроводящего магнита. Введенные команды поступают на центральный микропроцессор управления прецизионным источником тока (3), являющийся основным (ведущим) элементом управления полезной модели. Микропроцессор (3) формирует управляющие команды для микропроцессора управления разверткой тока (4), управляющего, в свою очередь, микропроцессором управления ЦАП (5). Управляющие цифровые коды, формируемые микропроцессором (5), преобразуются посредством ЦАП1 (6) и ЦАП2 (7) в основное опорное напряжение и напряжение тонкой подстройки дрейфов соответственно. Указанные напряжения вместе с сигналом обратной связи складываются и усиливаются усилителем-сумматором (8) и пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (9) и, далее, полученный сигнал подается на вход преобразователей напряжение-ток (10). Каждый преобразователь напряжение-ток (10) преобразует входное управляющее напряжение в ток, подаваемый на токовый шунт (11). Напряжение с токового шунта (11), усиленное дифференциальным инструментальным усилителем (12), подается обратно на вход преобразователя напряжение-ток (10), реализуя, таким образом, локальную петлю отрицательной обратной связи. Ток с токовых шунтов (11) складывается и подается через общий токовый шунт (13) в сверхпроводящий соленоид. Напряжение с общего токового шунта (13), усиленное дифференциальным инструментальным усилителем (14), подается обратно на вход усилителя-сумматора (8), реализуя глобальную петлю отрицательной обратной связи.
Для контроля величины тока и напряжения сверхпроводящего соленоида сигнал с выхода дифференциального инструментального усилителя (14) поступает на измерительный аналогово-цифровой преобразователь АЦП1 (15), а напряжение с выводов сверхпроводящего соленоида - на АЦП2 (16) соответственно. Далее цифровой код обоих напряжений обрабатывается микропроцессором обработки данных АЦП (17) и передается в микропроцессор управления разверткой тока (4), обеспечивающий визуализацию указанных сигналов с помощью модулей цифровой индикации тока (18) и напряжения (19) и передачу данных в центральный микропроцессор управления источником тока (3). Кроме того, микропроцессор управления разверткой тока (4) производит сравнение заданного значения тока сверхпроводящего соленоида с измеренным и, в случае необходимости, производит его коррекцию, обеспечивая, таким образом, цифровую петлю отрицательной обратной связи. Для контроля тепловых режимов силовых регулирующих элементов преобразователей напряжение-ток (10) используются датчики температуры (20), опрашиваемые микропроцессором контроля температуры (21), передающим данную информацию в микропроцессор управления разверткой тока (4) и, далее, в центральный микропроцессор (3). Данные о текущем состоянии прецизионного источника тока сверхпроводящего соленоида передаются центральным микропроцессором (3) на жидкокристаллический дисплей интерфейса ручного управления (2) и, затем через интерфейс RS-232/USB (1) поступают на персональный компьютер. Для защиты сверхпроводящего соленоида от перехода в нормальное состояние в источнике тока предусмотрена пассивная диодная защита (22), а также активные программные защиты от превышения заданных максимальных значений тока и напряжения соленоида. Использование современных сильноточных полевых транзисторов в преобразователях напряжение - ток в сочетании с архитектурой параллельного их включения с локальными петлями обратной связи позволило повысить максимальный выходной ток до 200А при сохранении высокой точности прибора. В тоже время, с применением общей петли отрицательной обратной связи и высокоточного (20 бит) ЦАП совместно с ЦАП компенсации сдвигов нуля и временных дрейфов аналоговой части прибора позволило значительно повысить точность стабилизации и линейность развертки тока. В своюочередь, использование активной системы стабилизации температуры общего токового шунта, быстрых (20кГц) высокоточных (24 бит) измерительных АЦП в сочетании с программной петлей отрицательной обратной связи и динамической коррекцией сдвигов нуля и временных дрейфов измерителей, позволило повысить точность измерения и стабилизации тока до 2 мА во всем диапазоне рабочих токов 0-200А.
Таким образом, заявляемый прецизионный источник тока сверхпроводящего соленоида имеет целый ряд несомненных и значительных преимуществ, в основе которых лежит использование наиболее современных технических решений, микроэлектронных устройств, компонентов и программного обеспечения, что позволяет использовать заявляемое техническое решение для удовлетворения потребностей в оснащении современными высокоточными приборами и установками для организации научно-технических исследований и разработок, а именно в экспериментальных установках и промышленных системах для создания высокоточных сильных магнитных полей.
Прецизионный источник тока сверхпроводящего соленоида, содержащий основной управляющий микропроцессорный модуль, блок питания, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь напряжение-ток, общий токовый шунт, компьютерный интерфейс, отличающийся тем, что он содержит более одного преобразователя напряжение-ток, соединенных параллельно, локальные петли отрицательной обратной связи, состоящие из токовых шунтов и дифференциальных усилителей, при этом каждый преобразователь напряжение-ток содержит сильноточный полевой транзистор, кроме того, общий токовый шунт дополнительно содержит систему стабилизации температуры, управляющий микропроцессорный модуль содержит 5 микропроцессоров, в том числе микропроцессор обработки данных АЦП и микропроцессор управления двумя ЦАП, а блок питания выполнен трехфазным на напряжение 380 В.
