双通道PID调节器用于热离子发电装置中真空压力和温度的同时控制.pdf

真空压力控制上海依阳实业有限公司

ApplicationNote：79

双通道PID调节器用于热离子发电装置中

真空压力和温度的同时控制

Dual-ChannelPIDRegulatorforSimultaneousControlofVacuum

PressureandTemperatureinThermionicEnergyConverter

摘要：本文针对真空型热离子能量转换器（发电装置）中真空压力和温度的关联性复杂控

制，提出一个简便的控制方式和控制系统的解决方案，控制系统仅采用一个双通道高精度

PID调节器。方案的核心技术思路是将一个可调参量转换为两个，即将阴极加热电源替换为两

个串联形式的小功率电源，分别调节这两个电源的功率即可实现真空室气压和阴极温度的同

时控制，由此可大幅减小设备造价且无需使用任何软件。

一、问题的提出

热离子能量转换器（TEC）是一种将热能直接转化为电能的静态装置，是一种基于热离子发

射的转换方法。TEC可分为真空、带有正离子的铯离子和由辅助放电产生的惰性气体（如氩气）

等形式。

真空型TEC的简化示意图如图1所示，电极被放

置在高真空环境中。阴极与热源热连接，阳极与热

沉连接。电极颜色反映了它们温度之间的关系。

一般情况下，最常见的商用温度控制器都能控

制TEC阴极的温度，但如果使用了钡钨分压器阴

极，因其氧化性问题则对加热过程有特殊的要求并

不可忽视。在使用前，阴极必须烘烤并激活。为了

保护阴极免受来自周围结构或焙烤过程中产品的氧

化和污染，在真空室中必须保持必要的超高真空水

平。此外，为了防止阴极可能被水分永久性污染而

造成发射能力降低和钨阴极表面损伤，阴极必须允

许浸泡在200~400℃足够长的时间，以允许完全的图1真空热离子能量转换器结构示意图

水蒸气出气。

为了防止上述情况出现，最佳控制指标就是真空压力，即真空室中的压力必须始终小于

1.33×10-4Pa。因此，在TEC运行过程中，当给阴极加热器通电时，由于出气，温度会升高，真

空室压力会增加。如果压力超过1.33×10-4Pa，则需要关闭加热器电源，直到压力降到这个水平

以下。真空室排气和焙烧后的活化是通过将钨基体中的氧化钡转化为阴极表面的游离钡来实现

的。活化速率是真空室清洁度、阴极污染、时间和温度的函数。一般来说，阴极在工作温度或略

高于工作温度时被激活。阴极温度不应超过1473K。

由此可见，在TEC运行过程中，一个重要前提条件是供电加热和温度控制应确保整个过程的

真空压力水平不应超过设定的超高真空度，即在运行过程中，除了温度控制之外，还需控制真空

室内的真空度始终不超过额定值，但只有加热功率一个可调装置。

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从上述真空型TEC的运行要求可以看出，阴极的加热过程是通过调节一个可控变量（加热功

率）来实现两个参数（气压和温度）的同时控制。

为了实现这个特殊的控制过程，文献1采用一种复杂的控制机构，此控制机构基于类似的串

级控制