基于压电晶体阀特性的密度

1、一、一、 研究目的研究目的二、二、PV-10PV-10阀的工作原理及参数阀的工作原理及参数三三、测试方法及实验、测试方法及实验系统系统四、测试实验与结果分析四、测试实验与结果分析 脉冲工作模式脉冲工作模式连续工作模式连续工作模式五、结论五、结论六、对六、对EAST等离子体密度控制的一点建议等离子体密度控制的一点建议Outline一、一、研究目的研究目的 目前在磁约束聚变装置上均采用压电晶体阀对装置进行燃料目前在磁约束聚变装置上均采用压电晶体阀对装置进行燃料气体的快速注入。它有两种工作模式：脉冲送气模式和连续气体的快速注入。它有两种工作模式：脉冲送气模式和连续送气模式。不同工作模式下，阀门的性能

2、参数及其进气率，送气模式。不同工作模式下，阀门的性能参数及其进气率，将会直接影响放电过程中密度控制的控制效果和控制精度。将会直接影响放电过程中密度控制的控制效果和控制精度。通过实验测出阀门脉冲送气模式下和连续送气模式下的性能通过实验测出阀门脉冲送气模式下和连续送气模式下的性能参数，以便于为参数，以便于为EAST密度负反馈控制系统的建立提供更为密度负反馈控制系统的建立提供更为完善依据。完善依据。标定阀门的进气率，为加料效率和再循环等问题的研究提供标定阀门的进气率，为加料效率和再循环等问题的研究提供必要的参数。必要的参数。二、二、PV-10PV-10阀的工作原理及参数阀的工作原理及参数 PV-10

3、阀门结构图阀门结构图工作原理：工作原理： 施加在压电陶瓷施加在压电陶瓷块上的偏振电压会块上的偏振电压会使压电陶瓷块发生使压电陶瓷块发生弯曲，固定在压电弯曲，固定在压电陶瓷块上的密封橡陶瓷块上的密封橡胶垫轻微地抬起，胶垫轻微地抬起，阀门进气端的气体阀门进气端的气体便通过小孔流入到便通过小孔流入到阀门出气端阀门出气端。PV-10PV-10阀门参数：阀门参数：最大气压0.1Mpa (阀门进气侧)漏率（阀门在关闭状态）10-10std ATM cc/s工作温度10-60 0C 气 流 调 节 范 围（H2,0.1MPa）1Torr-Liter/s(100V)给仪器的脉冲送气控制电压5V给仪器的连续送气

4、控制电压0-5V阀门响应时间2ms直流输出0-120V直流输入0-5V工作温度10-60 0C 功率放大电源的参数功率放大电源的参数PV-10PV-10阀门和电源的参数阀门和电源的参数压电阀进气率压电阀进气率的大小是通过测量标准小体积容器内的压力变化来获得的,其计算公式：tPVQktan三、阀门进气率的测试方法三、阀门进气率的测试方法其中：V 标准小体积容器的总容积 Ptank 压电阀开启前后小容器内的两次压力差 t 压电阀控制电压信号的脉冲长度单位：Pa*L/S实验实验系统系统实验条件：实验条件：实验大厅环境（冬天），现有实验大厅环境（冬天），现有EASTEAST装置装置测量对象：测量对象：

5、G601G601，10Pa10Pa；参考：；参考：G103G103；稳压罐体积：稳压罐体积：V=460mlV=460ml，误差，误差5%5%；稳压罐温度：；稳压罐温度：1010左右左右备压范围：备压范围：1.21.2* *10105 5 1.31.3* *10105 5PaPaPV-10阀门的控制电压信阀门的控制电压信号是由总控机给出，经过号是由总控机给出，经过光隔离和功率放大电源后，光隔离和功率放大电源后，电源输出电压加在电源输出电压加在PV10阀阀上；上；CDG025电容薄膜规和电容薄膜规和PKR251冷规测量数据分冷规测量数据分别由真空计读数。别由真空计读数。PSPCEAST装置内真空装

6、置内真空PV-10稳压罐储气罐G601CDG025G103PKR251四、测试实验与结果分析四、测试实验与结果分析 多周期下，脉冲送气工作模式：多周期下，脉冲送气工作模式： 1、阀门的最小响应时间与关断时间的关系； 2、关断时间对阀门进气量的影响； 3、阀门进气率与开启时间的关系； 4、阀门开启和关闭对进气量的影响 电压控制的连续送气工作模式：电压控制的连续送气工作模式： 1、阀门工作电压和阀门进气率的关系曲线及其重复性 2、摸索阀门的最小开启电压多周期脉冲工作模式测试测试1：阀门的最小响应时间与关断时间的关系：阀门的最小响应时间与关断时间的关系周期等效进气量： delt P= Ptank /

7、N，即平均每个脉冲周期内，小容器内的气压变化。说明书上提到阀门的响应时间约2ms，在关断时间小于100ms时，尽管开启时间很短（2ms），阀门仍有少量进气 ，且气量是不确定的。连续的短脉冲可将阀门打开，但这是阀门的工作死区,这时的进气量是不可控和不可精确计量的。开启时间关断时间Vt2.1ms5ms10ms30ms40ms50ms100ms0123456delt P(Pa)close time 10*0.88 20*0.88100ms：趋于稳定周期等效进气量delt P，受阀门开启时间和关断时间的影响：阀门开启时间越长，受关断时间的影响越小，关系曲线越趋于缓和。多周期脉冲工作模式测试测试2：不同

8、开启时间下，关断时间对周期等效进气量的影响：不同开启时间下，关断时间对周期等效进气量的影响 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测试测试3：阀门进气率与开启时间的关系：阀门进气率与开启时间的关系Y = 3112.85 + 105.77*X -2.53*X2开启时间: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多周期脉冲工作模式1.76ms 1.94ms 2.46ms 2.99ms 3.52ms 4.05ms 5.1ms 6.16ms 7.04ms 7.57ms 7.92ms3

10、000320034003600380040004200Q (Pa*L/s)open time Q(Pa*L/s) Polynomial Fit of Data4_B多脉冲下，关断时间为40ms时，平均每个脉冲周期的进气量与阀门开启时间满足一定的关系；依据此关系，任给出一个阀门开启时间，就可推算出其对应的进气量。 由测试2知，关断时间对进气量有影响，因此为了较准确地得到阀门进气率与开启时间的关系曲线，还应测出关断时间为10ms，100ms，1s 时的阀门进气率曲线。然后依据测试2得出的结论，可以推导出其他关断时间下，阀门进气率的关系曲线。多脉冲，关断时间多脉冲，关断时间40ms测试测试4：阀门开

11、启段和关闭段对进气量的影响：阀门开启段和关闭段对进气量的影响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 19.36ms24.46ms2

12、9.92ms35.2ms40.48ms25.52ms30.8ms35.2ms37.84ms39.6ms10*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多脉冲下，阀门打开阶段和关闭阶段对进气量的影响之和可近似为一定值。阀门开启时间在整个工作周期中所占的比例越大，打开和关闭阶段对进气量的影响就越小，7ms后，影响量约为1Pa左右。多周期脉冲工作模式VtVt控制电压multisingle测试测试1 1

13、：阀门工作控制电压和充气流量率的关系曲线：阀门工作控制电压和充气流量率的关系曲线测试测试2 2、阀门的最小开启电压摸索、阀门的最小开启电压摸索45V50V55V60V65V70V75V80V85V90V95V100V 105V 110V 115V 120V 125V-500050010001500200025003000350040004500q (Pa*L/s)voltage 100-up 100-down 300-up 300-down100ms开启脉冲预加了150ms/25V的预加电压连续工作模式t从10ms500ms设定，扫描阀门控制电压80V电压后，流量率关系曲线都基本进入线性区域，

14、近似满足了线性关系；对控制电压上升和下降两个方向扫描，流量率曲线都是吻合的；在充气t=10ms时的流量率曲线上点的离散性较大,我们分析这可能是读数误差造成的，因为10ms充气，稳压罐内压强变化值很小。（50Pa60Pa)60V电压为PV10阀的绝对开启电压。阀门的开启电压与t有关， t 大，所需的开启电压相对较小。30405060708090100110120130-1012345678910gas rate(Pa/ms)voltage(V) 300ms 300ms 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 90ms 140ms 160ms 180ms 200ms

15、250ms 300ms 350ms 400ms 450ms 500ms 10ms(9日数据） 50ms(9日数据） 100ms(9日数据） 120ms(9日数据）五、结论五、结论 脉冲工作模式： 将多脉冲控制电压加载到阀门上，开启时间2ms时，阀门的进气率又将受到关断时间的严重影响（测试2）。因此该模式下，要想对阀门的进气率做出较为精确的计算是比较困难的，而与之相关的研究也就无法获取准确的参数。 连续工作模式： 阀门进气率与加载的控制电压呈较好的线性关系，在避开开启电压死区且重复性很好的情况下，可以对阀门进气率做出相对精确的计算。 五、对EAST等离子体密度负反馈控制的一点建议1、采用电压控制

16、模式 电压控制模式，阀门进气量与加载的控制电压控制模式，阀门进气量与加载的控制电压呈较好的线性关系，在避开开启电压电压呈较好的线性关系，在避开开启电压死区且重复性很好的情况下，建议考虑尝试死区且重复性很好的情况下，建议考虑尝试电压控制充气电压控制充气现行的密度反馈控制系统，采用脉冲控制工作模式，其控制周期为2ms或8ms，在每个控制周期内，阀门可能打开也可能不开。这样整体上看就会出现阀门关断时间不等的情况：短的8ms,长的可达约几百毫秒。因此要想对每个周期内阀门的进气率做出精确的计算是比较困难的，也就使得控制系统很难对阀门的进气量进行稳定和精确的反馈控制。45V50V55V60V65V70V7

17、5V80V85V90V95V100V 105V 110V 115V 120V 125V-500050010001500200025003000350040004500q (Pa*L/s)voltage 100-up 100-down 300-up 300-down2、程序控制预设目标值为阀门的控制电压（0-5V）Ucontrolt充气量的计算dtUfPvdtQufPvtt00)()(60VLHD阀门流量率标定希望希望7室提供一个可以重复实际放电室提供一个可以重复实际放电GP0驱动电压波形的程序，驱动电压波形的程序，如果通过预设波形可以重复此电压下无等离子体时的真空室压如果通过预设波形可以重复此电压下无等离子体时的真空室压强，就可以实现程