ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 6, с. 114-115
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.396.6
АВТОПОДЛИВ ЖИДКОГО АЗОТА ПОД УПРАВЛЕНИЕМ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
© 2013 г. В. Л. Цымбаленко
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 Поступила в редакцию 27.02.2013 г.
Приведена конструкция модуля управления заливкой криостата жидким азотом, обеспечивающая три режима работы: индикацию показаний датчиков уровня; автоматическую поддержку уровня жидкого азота; заливку по таймеру.
БО1: 10.7868/80032816213060141
Данное устройство предназначено для автоматизации заливки и поддержания уровня жидкого азота в лабораторных криостатах. Конструкция состоит из трех узлов: переливного сифона, устанавливаемого в транспортный дюар с жидким азотом; датчиков уровня азота в заполняемом криостате; микропроцессорного модуля, выполняющего контроль показаний датчиков, индикацию и управление заливкой.
Сифон состоит из тонкостенной нержавеющей трубки 08 мм, опускаемой до дна транспортного дюара, уплотнения горла дюара, герметичного вывода проводов нагревателя, расположенного на конце трубки, и капилляра сброса испаряющегося газа. Наружная часть трубки, вне дюара и выше уплотнения, переходит в гибкий сильфонный шланг. Перелив жидкого азота инициируется избыточным давлением паров жидкого азота в объеме транспортного дюара, создаваемым при включении нагревателя. Подобная конструкция хорошо известна и апробирована в практике.
Отметим специфику данного сифона. Положительным моментом конструкции является отсутствие движущихся частей, таких как вентили или клапаны. Пассивное состояние и режим заливки определяются гидравлическим сопротивлением капилляра сброса испаряющегося газа. В пассивном режиме его величина должна обеспечивать превышение давления внутри дюара на ~0.01 атм. При этом уровень азота в сифоне выше уровня внутри дюара на ~12 см, оставаясь внутри холодной емкости. Выделение мощности на нагревателе, превышающей естественный тепло-подвод в 10—20 раз, приводит к повышению давления в объеме дюара, жидкий азот поднимается вверх по сифону и может заполнять наружную ванну. Пример расчета для транспортного дюара СДП-16 (в режиме хранения расход жидкого азота ~6 г/ч, теплоподвод на уровне ~0.4 Вт [1]): гидравлическое сопротивление капилляра сброса Z ~
~ 7 • 106 см-3 — используется капилляр внутренним диаметром 1 мм и длиной ~15—20 см; мощность, выделяемая на нагревателе в режиме заливки азота, 5—10 Вт.
В азотной ванне лабораторного криостата устанавливаются два датчика уровня жидкого азота. Нижний указывает минимальный уровень жидкости, допустимый в данном криостате, верхний — предельное его значение. В качестве датчиков в данной конструкции используются кремниевые диоды КД512, включенные в прямом направлении [2]. Вследствие перегрева диода измерительным током падение напряжения в паре на нем на ~0.5 В меньше, чем в жидкости.
Схема управляющего модуля приведена на рисунке. Порты микроконтроллера Р1С16Р73 запрограммированы следующим образом: порт А — на ввод, причем биты 0 и 1 определены в качестве входов аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.), в то время как 2 и 5 — в качестве цифровых. Порт В — цифровой выход; порт С используется для коммуникации в стандарте шины Я8-232 (частота кварцевого резонатора генератора микроконтроллера 7.372 МГц, протокол 9600, 8, N 1). Для согласования уровней ТТЬ-сигналов порта со стандартными напряжениями шины Я8-232 к разъему подсоединяется внешняя плата с микросхемой МАХ232 [3] (на рисунке не показана).
К входам а.ц.п. подсоединены датчики Д2, Д3, установленные в азотной ванне лабораторного криостата. Младшая тетрада порта В поступает на дешифратор М2, формирующий уровни для двух 7-сегментных индикаторов АЛС324Б. Биты 4 и 5 порта управляют подачей напряжения на аноды индикаторов. Управление нагревателем выполняется битом 7 порта, включающим реле РЭС-34. Для удаленного контроля за заливкой криостата изменение состояния этого бита сопровождается
АВТОПОДЛИВ ЖИДКОГО АЗОТА 115
Принципиальная схема управляющего модуля. М1 — микропроцессор Р1С16Р73, М2 — дешифратор К514ИД2; Т1 — КТ630, Т2, Т3 — КТ361; Д1 — КД203, Д2, Д3 — КД512; Р — реле РЭС-34. Два семисегментных индикатора установлены на лицевой панели и подсоединяются к разъему шлейфом (ХЕ^ — младший разряд таймера, ЬЕБ2 — старший разряд таймера).
передачей сообщения по каналу "Power on/off" RS-232.
Модуль имеет три режима работы. После включения питания устанавливается режим Mode = 0, который только выводит на индикаторы состояние датчиков. Режим автоподлива выполняется установкой Mode = 1: при снижении уровня жидкого азота в криостате ниже датчика, находящегося у дна ванны, включается нагреватель, расположенный на конце переливной трубки, и начинается заливка азота через сифон вплоть до достижения уровня верхнего датчика. Режим Mode = 2 используется для заливки азота в лабораторный криостат в заранее намеченное время по таймеру, после чего модуль переводится в режим автоподлива Mode = 1.
Модуль может быть использован с управлением по последовательной шине и автономно. Во втором случае режим его работы устанавливается кнопками, присоединенными к цифровым входам порта A. Нажатие кнопки выбора режима Кн2 переводит модуль в установку режима работы. Мода работы выбирается нажатием Кн1. При вы-
боре Mode = 0 или 1 запуск режима выполняется нажатием Кн2. В Mode = 2 после нажатия Кн2 вводится время таймера в часах — указывается задержка начала заливки от текущего момента (кнопкой Кн1), после чего таймер запускается кнопкой Кн2. Цифровые индикаторы указывают время, оставшееся до начала заливки, в часах. Управление по последовательной шине дублирует приведенные действия. Подробный перечень команд, указания по наладке модуля и HEX-файл прошивки микроконтроллера можно скачать по ссылке [4].
Автор благодарен сотруднику Института физических проблем РАН В.В. Завьялову за содействие в выполнении этой работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www.cryotrade.ru/dewars_sds.html
2. Цымбаленко ВЛ // ПТЭ. 1994. № 4. C. 207.
3. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf
4. https://vlt.newmail.ru/Rus/PapersR/N2autoHex.pdf
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 6 2013
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.