基于壓電晶體閥特性的密度

1、一、一、 研究目的研究目的二、二、PV-10PV-10閥的工作原理及參數(shù)閥的工作原理及參數(shù)三三、測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)、測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)四、測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析四、測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 脈沖工作模式脈沖工作模式連續(xù)工作模式連續(xù)工作模式五、結(jié)論五、結(jié)論六、對(duì)六、對(duì)EAST等離子體密度控制的一點(diǎn)建議等離子體密度控制的一點(diǎn)建議Outline一、一、研究目的研究目的 目前在磁約束聚變裝置上均采用壓電晶體閥對(duì)裝置進(jìn)行燃料目前在磁約束聚變裝置上均采用壓電晶體閥對(duì)裝置進(jìn)行燃料氣體的快速注入。它有兩種工作模式：脈沖送氣模式和連續(xù)氣體的快速注入。它有兩種工作模式：脈沖送氣模式和連續(xù)送氣模式。不同工作模式下，閥門(mén)的性能

2、參數(shù)及其進(jìn)氣率，送氣模式。不同工作模式下，閥門(mén)的性能參數(shù)及其進(jìn)氣率，將會(huì)直接影響放電過(guò)程中密度控制的控制效果和控制精度。將會(huì)直接影響放電過(guò)程中密度控制的控制效果和控制精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出閥門(mén)脈沖送氣模式下和連續(xù)送氣模式下的性能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出閥門(mén)脈沖送氣模式下和連續(xù)送氣模式下的性能參數(shù)，以便于為參數(shù)，以便于為EAST密度負(fù)反饋控制系統(tǒng)的建立提供更為密度負(fù)反饋控制系統(tǒng)的建立提供更為完善依據(jù)。完善依據(jù)。標(biāo)定閥門(mén)的進(jìn)氣率，為加料效率和再循環(huán)等問(wèn)題的研究提供標(biāo)定閥門(mén)的進(jìn)氣率，為加料效率和再循環(huán)等問(wèn)題的研究提供必要的參數(shù)。必要的參數(shù)。二、二、PV-10PV-10閥的工作原理及參數(shù)閥的工作原理及參數(shù) PV-10

3、閥門(mén)結(jié)構(gòu)圖閥門(mén)結(jié)構(gòu)圖工作原理：工作原理： 施加在壓電陶瓷施加在壓電陶瓷塊上的偏振電壓會(huì)塊上的偏振電壓會(huì)使壓電陶瓷塊發(fā)生使壓電陶瓷塊發(fā)生彎曲，固定在壓電彎曲，固定在壓電陶瓷塊上的密封橡陶瓷塊上的密封橡膠墊輕微地抬起，膠墊輕微地抬起，閥門(mén)進(jìn)氣端的氣體閥門(mén)進(jìn)氣端的氣體便通過(guò)小孔流入到便通過(guò)小孔流入到閥門(mén)出氣端閥門(mén)出氣端。PV-10PV-10閥門(mén)參數(shù)：閥門(mén)參數(shù)：最大氣壓0.1Mpa (閥門(mén)進(jìn)氣側(cè))漏率（閥門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)）10-10std ATM cc/s工作溫度10-60 0C 氣 流 調(diào) 節(jié) 范 圍（H2,0.1MPa）1Torr-Liter/s(100V)給儀器的脈沖送氣控制電壓5V給儀器的連續(xù)送氣

4、控制電壓0-5V閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間2ms直流輸出0-120V直流輸入0-5V工作溫度10-60 0C 功率放大電源的參數(shù)功率放大電源的參數(shù)PV-10PV-10閥門(mén)和電源的參數(shù)閥門(mén)和電源的參數(shù)壓電閥進(jìn)氣率壓電閥進(jìn)氣率的大小是通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)小體積容器內(nèi)的壓力變化來(lái)獲得的,其計(jì)算公式：tPVQktan三、閥門(mén)進(jìn)氣率的測(cè)試方法三、閥門(mén)進(jìn)氣率的測(cè)試方法其中：V 標(biāo)準(zhǔn)小體積容器的總?cè)莘e Ptank 壓電閥開(kāi)啟前后小容器內(nèi)的兩次壓力差 t 壓電閥控制電壓信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度單位：Pa*L/S實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)大廳環(huán)境（冬天），現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)大廳環(huán)境（冬天），現(xiàn)有EASTEAST裝置裝置測(cè)量對(duì)象：測(cè)量對(duì)象：

5、G601G601，10Pa10Pa；參考：；參考：G103G103；穩(wěn)壓罐體積：穩(wěn)壓罐體積：V=460mlV=460ml，誤差，誤差5%5%；穩(wěn)壓罐溫度：；穩(wěn)壓罐溫度：1010左右左右備壓范圍：備壓范圍：1.21.2* *10105 5 1.31.3* *10105 5PaPaPV-10閥門(mén)的控制電壓信閥門(mén)的控制電壓信號(hào)是由總控機(jī)給出，經(jīng)過(guò)號(hào)是由總控機(jī)給出，經(jīng)過(guò)光隔離和功率放大電源后，光隔離和功率放大電源后，電源輸出電壓加在電源輸出電壓加在PV10閥閥上；上；CDG025電容薄膜規(guī)和電容薄膜規(guī)和PKR251冷規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)分冷規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)分別由真空計(jì)讀數(shù)別由真空計(jì)讀數(shù)。PSPCEAST裝置內(nèi)真空裝置

6、內(nèi)真空PV-10穩(wěn)壓罐儲(chǔ)氣罐G601CDG025G103PKR251四、測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析四、測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 多周期下，脈沖送氣工作模式：多周期下，脈沖送氣工作模式： 1、閥門(mén)的最小響應(yīng)時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的關(guān)系； 2、關(guān)斷時(shí)間對(duì)閥門(mén)進(jìn)氣量的影響； 3、閥門(mén)進(jìn)氣率與開(kāi)啟時(shí)間的關(guān)系； 4、閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)進(jìn)氣量的影響 電壓控制的連續(xù)送氣工作模式：電壓控制的連續(xù)送氣工作模式： 1、閥門(mén)工作電壓和閥門(mén)進(jìn)氣率的關(guān)系曲線及其重復(fù)性 2、摸索閥門(mén)的最小開(kāi)啟電壓多周期脈沖工作模式測(cè)試測(cè)試1：閥門(mén)的最小響應(yīng)時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的關(guān)系：閥門(mén)的最小響應(yīng)時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的關(guān)系周期等效進(jìn)氣量： delt P= Ptank /N

7、，即平均每個(gè)脈沖周期內(nèi)，小容器內(nèi)的氣壓變化。說(shuō)明書(shū)上提到閥門(mén)的響應(yīng)時(shí)間約2ms，在關(guān)斷時(shí)間小于100ms時(shí)，盡管開(kāi)啟時(shí)間很短（2ms），閥門(mén)仍有少量進(jìn)氣 ，且氣量是不確定的。連續(xù)的短脈沖可將閥門(mén)打開(kāi)，但這是閥門(mén)的工作死區(qū),這時(shí)的進(jìn)氣量是不可控和不可精確計(jì)量的。開(kāi)啟時(shí)間關(guān)斷時(shí)間Vt2.1ms5ms10ms30ms40ms50ms100ms0123456delt P(Pa)close time 10*0.88 20*0.88100ms：趨于穩(wěn)定周期等效進(jìn)氣量delt P，受閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的影響：閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，受關(guān)斷時(shí)間的影響越小，關(guān)系曲線越趨于緩和。多周期脈沖工作模式測(cè)試測(cè)試2：不同開(kāi)

8、啟時(shí)間下，關(guān)斷時(shí)間對(duì)周期等效進(jìn)氣量的影響：不同開(kāi)啟時(shí)間下，關(guān)斷時(shí)間對(duì)周期等效進(jìn)氣量的影響 2.1ms 5ms10ms 30ms 40ms 50ms 100ms400ms600ms700ms800ms1s891011121314151617181920delt P (Pa)close time 7*2 14*22.1ms5ms10ms 40ms 50ms 100ms400ms600ms700ms800ms1s505254565860626466deltP (Pa)close time 2*7 4*710ms100ms500ms600ms700ms1000ms262830323436deltP (

9、Pa)close time 1*4 10*4 20*4 30*4 40*4 50*4測(cè)試測(cè)試3：閥門(mén)進(jìn)氣率與開(kāi)啟時(shí)間的關(guān)系：閥門(mén)進(jìn)氣率與開(kāi)啟時(shí)間的關(guān)系Y = 3112.85 + 105.77*X -2.53*X2開(kāi)啟時(shí)間:10*1.76ms10*1.936ms10*2.464ms10*2.992ms10*3.52ms10*4.048ms 5*5.1ms 5*6.16ms 5*7.04ms 5*7.568ms 5*7.92ms多周期脈沖工作模式1.76ms 1.94ms 2.46ms 2.99ms 3.52ms 4.05ms 5.1ms 6.16ms 7.04ms 7.57ms 7.92ms30

10、00320034003600380040004200Q (Pa*L/s)open time Q(Pa*L/s) Polynomial Fit of Data4_B多脈沖下，關(guān)斷時(shí)間為40ms時(shí)，平均每個(gè)脈沖周期的進(jìn)氣量與閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間滿足一定的關(guān)系；依據(jù)此關(guān)系，任給出一個(gè)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，就可推算出其對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣量。 由測(cè)試2知，關(guān)斷時(shí)間對(duì)進(jìn)氣量有影響，因此為了較準(zhǔn)確地得到閥門(mén)進(jìn)氣率與開(kāi)啟時(shí)間的關(guān)系曲線，還應(yīng)測(cè)出關(guān)斷時(shí)間為10ms，100ms，1s 時(shí)的閥門(mén)進(jìn)氣率曲線。然后依據(jù)測(cè)試2得出的結(jié)論，可以推導(dǎo)出其他關(guān)斷時(shí)間下，閥門(mén)進(jìn)氣率的關(guān)系曲線。多脈沖，關(guān)斷時(shí)間多脈沖，關(guān)斷時(shí)間40ms測(cè)試測(cè)試4：閥門(mén)開(kāi)啟

11、段和關(guān)閉段對(duì)進(jìn)氣量的影響：閥門(mén)開(kāi)啟段和關(guān)閉段對(duì)進(jìn)氣量的影響17.6ms 19.36ms24.46ms29.92ms 35.2ms 40.48ms25.52ms 30.8ms 35.2ms 37.84ms 39.6ms050100150200250300350400delt P (Pa)open time sigle multi sub1.76ms1.936ms 2.464ms 2.992ms3.52ms4.048ms 5.1ms 6.16ms 7.04ms7.568ms7.92ms051015202530delt P (Pa)open time B17.6ms 19.36ms24.46ms29

12、.92ms35.2ms40.48ms25.52ms30.8ms35.2ms37.84ms39.6ms10*1.7610*1.93610*2.46410*2.99210*3.5210*4.0485*5.15*6.165*7.045*7.5685*7.92P（17.6ms）- P（10*1.76ms）P（17.6ms）- P（10*1.76ms） /N多脈沖下，閥門(mén)打開(kāi)階段和關(guān)閉階段對(duì)進(jìn)氣量的影響之和可近似為一定值。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間在整個(gè)工作周期中所占的比例越大，打開(kāi)和關(guān)閉階段對(duì)進(jìn)氣量的影響就越小，7ms后，影響量約為1Pa左右。多周期脈沖工作模式VtVt控制電壓multisingle測(cè)試測(cè)試1 1：

13、閥門(mén)工作控制電壓和充氣流量率的關(guān)系曲線：閥門(mén)工作控制電壓和充氣流量率的關(guān)系曲線測(cè)試測(cè)試2 2、閥門(mén)的最小開(kāi)啟電壓摸索、閥門(mén)的最小開(kāi)啟電壓摸索45V50V55V60V65V70V75V80V85V90V95V100V 105V 110V 115V 120V 125V-500050010001500200025003000350040004500q (Pa*L/s)voltage 100-up 100-down 300-up 300-down100ms開(kāi)啟脈沖預(yù)加了150ms/25V的預(yù)加電壓連續(xù)工作模式t從10ms500ms設(shè)定，掃描閥門(mén)控制電壓80V電壓后，流量率關(guān)系曲線都基本進(jìn)入線性區(qū)域，近

14、似滿足了線性關(guān)系；對(duì)控制電壓上升和下降兩個(gè)方向掃描，流量率曲線都是吻合的；在充氣t=10ms時(shí)的流量率曲線上點(diǎn)的離散性較大,我們分析這可能是讀數(shù)誤差造成的，因?yàn)?0ms充氣，穩(wěn)壓罐內(nèi)壓強(qiáng)變化值很小。（50Pa60Pa)60V電壓為PV10閥的絕對(duì)開(kāi)啟電壓。閥門(mén)的開(kāi)啟電壓與t有關(guān)， t 大，所需的開(kāi)啟電壓相對(duì)較小。30405060708090100110120130-1012345678910gas rate(Pa/ms)voltage(V) 300ms 300ms 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 90ms 140ms 160ms 180ms 200ms 2

15、50ms 300ms 350ms 400ms 450ms 500ms 10ms(9日數(shù)據(jù)） 50ms(9日數(shù)據(jù)） 100ms(9日數(shù)據(jù)） 120ms(9日數(shù)據(jù)）五、結(jié)論五、結(jié)論 脈沖工作模式： 將多脈沖控制電壓加載到閥門(mén)上，開(kāi)啟時(shí)間2ms時(shí)，閥門(mén)的進(jìn)氣率又將受到關(guān)斷時(shí)間的嚴(yán)重影響（測(cè)試2）。因此該模式下，要想對(duì)閥門(mén)的進(jìn)氣率做出較為精確的計(jì)算是比較困難的，而與之相關(guān)的研究也就無(wú)法獲取準(zhǔn)確的參數(shù)。 連續(xù)工作模式： 閥門(mén)進(jìn)氣率與加載的控制電壓呈較好的線性關(guān)系，在避開(kāi)開(kāi)啟電壓死區(qū)且重復(fù)性很好的情況下，可以對(duì)閥門(mén)進(jìn)氣率做出相對(duì)精確的計(jì)算。 五、對(duì)EAST等離子體密度負(fù)反饋控制的一點(diǎn)建議1、采用電壓控制模

16、式 電壓控制模式，閥門(mén)進(jìn)氣量與加載的控制電壓控制模式，閥門(mén)進(jìn)氣量與加載的控制電壓呈較好的線性關(guān)系，在避開(kāi)開(kāi)啟電壓電壓呈較好的線性關(guān)系，在避開(kāi)開(kāi)啟電壓死區(qū)且重復(fù)性很好的情況下，建議考慮嘗試死區(qū)且重復(fù)性很好的情況下，建議考慮嘗試電壓控制充氣電壓控制充氣現(xiàn)行的密度反饋控制系統(tǒng)，采用脈沖控制工作模式，其控制周期為2ms或8ms，在每個(gè)控制周期內(nèi)，閥門(mén)可能打開(kāi)也可能不開(kāi)。這樣整體上看就會(huì)出現(xiàn)閥門(mén)關(guān)斷時(shí)間不等的情況：短的8ms,長(zhǎng)的可達(dá)約幾百毫秒。因此要想對(duì)每個(gè)周期內(nèi)閥門(mén)的進(jìn)氣率做出精確的計(jì)算是比較困難的，也就使得控制系統(tǒng)很難對(duì)閥門(mén)的進(jìn)氣量進(jìn)行穩(wěn)定和精確的反饋控制。45V50V55V60V65V70V75

17、V80V85V90V95V100V 105V 110V 115V 120V 125V-500050010001500200025003000350040004500q (Pa*L/s)voltage 100-up 100-down 300-up 300-down2、程序控制預(yù)設(shè)目標(biāo)值為閥門(mén)的控制電壓（0-5V）Ucontrolt充氣量的計(jì)算dtUfPvdtQufPvtt00)()(60VLHD閥門(mén)流量率標(biāo)定希望希望7室提供一個(gè)可以重復(fù)實(shí)際放電室提供一個(gè)可以重復(fù)實(shí)際放電GP0驅(qū)動(dòng)電壓波形的程序，驅(qū)動(dòng)電壓波形的程序，如果通過(guò)預(yù)設(shè)波形可以重復(fù)此電壓下無(wú)等離子體時(shí)的真空室壓如果通過(guò)預(yù)設(shè)波形可以重復(fù)此電壓下無(wú)等離子體時(shí)的真空室壓強(qiáng)，就可以實(shí)現(xiàn)程