低温超导测试系统中实现高精度液氦压力控制的解决方案.pdf

真空压力控制上海依阳实业有限公司

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低温超导测试系统中实现高精度

液氦压力控制的解决方案

SolutionofHighPrecisionLiquidHeliumPressureControl

inLowTemperatureSuperconductingTestSystem

摘要：针对目前两种典型低温超导测试系统中存在的液氦压力控制精度较差的问题，本文提

出了相应的解决方案。解决方案分别采用了直接压力控制和流量控制两种技术手段和配套数

控阀门，结合24位AD和16位DA的超高精度的PID真空压力控制器和压力传感器，大幅提高了

液氦压力控制精度，最终实现低温超导性能的高精度测试。

1.项目概述

各种超导部件如超导磁铁和超导腔体在装机前都需要在低温超导测试系统中对其性能进行测

试，为了使超导部件达到低温环境则需要将被测部件浸泡在液氦介质内，并采用低温杜瓦盛装液

氦介质。在整个测试过程中，对低温测试系统内的液氦压力要求极高，即要求杜瓦顶部氦气压强

（绝对压力）有极好的稳定性，否则会导致测试不稳定，给测试结果带来严重误差。

图1低温超导测试系统液氦压力控制装置

目前国内现有的很多低温超导测试系统都存

在液氦压力控制不稳定的严重问题，有些客户提

出了相应的技术升级改造要求。

如图1所示的低温超导测试系统中，采用了

两个不同口径的第一和第二泄压阀来粗调和细调

液氦压力，但这种调节方法的液氦压力只能控制

在1.2~1.6Bar范围内，对应4.39~4.74℃范围的

液氦温度变化，造成0.35℃的温度波动。目前客

户提出要设法将温度波动控制在0.1℃以内或更

高的稳定性上，以提高超导部件性能测试精度。图2高场超导磁体低温垂直测试系统

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如图2所示的高场超导磁体低温垂直测试系统，其压力控制范围1~1.3Bar，尽管在图2所示系

统中采用了液氦加热器来改变液氦压力，但由于压力控制阀的调节精密度不够，最终造成压力控

制精度远达不到测试要求，客户也提出了技术改造要求。

针对上述两种典型低温超导测试系统中存在的液氦压力控制精度不足的问题，本文将提出相

应的解决方案。解决方案将分别采用直接压力控制和流量控制两种技术手段和配套数控阀门，结

合超高精度的PID真空压力控制器和压力传感器，可大幅度提高液氦压力控制精度，最终减小低

温超导性能测试误差。

2.解决方案

在图1和图2所示的两种典型低温超导测试系统中，它们各自的液氦压力变化起因不同，因此

要实现液氦压力准确控制的技术手段也不同。以下是解决方案中对应的两种不同技术途径。

（1）直接压力调节法

在图1所示的低温超导测试系统中，造成液氦蒸发的因素并不可控，只能通过调节液氦上方

的氦气压力来使得测试系统保持稳定。因此，为了实现液氦上方的压强控制，解决方案采用了直

接压力调节法，如图3所示，即采用数控压力控制阀代替图1中的第一和第二泄压阀。此压力控制

阀与高精度PID控制器和压力传感器构成闭环控制回路，实现自动泄压和高精度压力控制。

数控压力控制阀是一种数控正压减压控制阀，正好可以满足低温超导测试系统的微正压控制

需求。通过氦气源和减压阀提供的驱动压力，可在控制阀出口处实现高精度的压力控制，同时还

保持很小的漏气以节省氦气。

另外，此数控压力控制阀具有很高的控制精度，结合高精度的压力传感器和PID真空压力控

制器，可将液氦压力控制在0.1%的高精度水平。

图3直接压力调节法控制装置结构图4流量调节法控制装置结构

（2）流量调节