CN113282113A - 一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置及其控制方法。该技术方案采用负温度系数温敏电阻作为液位测定传感器,位于高、低位的双温敏电阻分别接入控制芯片,控制芯片以二者的实时电阻值为依据,控制电磁阀通断,达到自动补充液氮的目的。本发明通过使用两个在液氮温度敏感的负温度系数温敏电阻作为液位测定传感器,最大程度提高液氮补充时间和数量的精度。通过温敏电阻‑控制芯片‑电磁阀进行管路自动化调制,大大减少人工操作可能出现的问题,提高了设备稳定性和安全性。而且,本发明结构简单,制造成本低廉,实用效率更高。本发明同时满足自动化和液氮温度精确控制两个要求,具有突出的技术优势。

Description

一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及冷却***技术领域,具体涉及一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置及其控制方法。
背景技术
在表面科学研究和半导体制造等领域,冷却***作为科研和工业设备的辅助部分,在极超高真空获取、极低温获取、精密测量等过程中发挥着极为重要的作用。这些装置对于表面科学研究的实验精度,以及半导体加工制造的成品率均有着巨大影响。现有的冷却***主要是通过观察真空设备内预置热偶的温度变化,确定是否需要补充液氮;通过观察冷却夹层中液氮的溢出情况,确定是否停止添加。全过程基本依赖操作人员手动调节,以保持所需温度。
然而,对于低温条件下的连续实验,观察热偶变化添加液氮会有一定延迟,造成精密测量***的温度发生波动,不利于实验的精确控制和***稳定;通过观察液氮溢出情况判断冷却夹层是否加满会造成一定浪费;人工手动控制加液***存在潜在安全风险,比如忘记加/停液氮会造成真空设备损坏等。
而其他领域的冷却***,也均不能满足本领域的现实需求。如部分技术方案使用水作为冷却液,难以通过常温温敏电阻在液氮温度实现精确控制,且无法对液氮补充量进行自主调制;另有部分技术方案使用质量流量计对液氮补充量进行调控,未实现自动化精确控制,大量依赖人工操作。综上所述,如何实现液氮的自动化精确补充,一直以来都是本领域中有待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷,提供一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置及其控制方法,以解决常规液氮补充方式需要人工操作,自动化程度较低的技术问题。
本发明要解决的另一技术问题是,常规液氮补充方式的成本、安全性、控制精度均有待改善。
为实现以上技术目的,本发明采用以下技术方案:
一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,包括液氮罐,减压阀,液氮管路,电磁阀,控制芯片,电线,第一温敏电阻,第二温敏电阻,其中,液氮罐通过液氮管路与容器相连通,在液氮管路上分别设置有减压阀和电磁阀,第一温敏电阻和第二温敏电阻分别位于所述容器内的高位和低位,第一温敏电阻和第二温敏电阻通过电线连接至控制芯片,控制芯片通过电线连接至电磁阀。
作为优选,所述容器为冷却夹层,液氮管路的末端通过进液口与冷却夹层相连通。
作为优选,在所述容器上设置有蒸发口。
作为优选,在液氮管路的外部包覆有保温棉。
作为优选,控制芯片包括触发器和继电器,所述触发器和继电器电性连接,触发器分别与第一温敏电阻和第二温敏电阻电性连接,继电器与电磁阀电性连接。
作为优选,第一温敏电阻和第二温敏电阻为负温度系数温敏电阻。
作为优选,第一温敏电阻和第二温敏电阻的最优温度响应范围为-197℃~-175℃;在-197℃~-175℃范围内,第一温敏电阻和第二温敏电阻的阻值变化率约为70%。
作为优选,在-197℃~-196℃范围内,第一温敏电阻和第二温敏电阻的阻值变化率为20%~50%。
在以上技术方案中,液氮罐通过液氮管路与容纳液氮的容器(一般为包覆在被冷却对象外部的冷却夹层)相连,在液氮管路上设有减压阀和电磁阀。其中液氮罐储存降温所需的液氮;减压阀用于调节液氮罐出口压力;电磁阀用于接收控制芯片的电信号,并调制液氮管路通断;冷却夹层一般位于真空腔体或机械臂外层,用于蒸发液氮,达到对腔体和样品降温的目的。
控制芯片位于温敏电阻和电磁阀之间,共同构成本发明的控制电路。其中控制芯片用于将温敏电阻的阻值信号转换成电信号输出给电磁阀;温敏电阻包括接近冷却夹层顶部的第一温敏电阻和接近冷却夹层底部的第二温敏电阻,分别用于检测最高液氮位置和最低液氮位置,并将温度信号转换成阻值信号;电磁阀用于接收控制芯片的电信号,并调制液氮管路通断。
在以上技术方案的基础上,本发明进一步提供了上述装置的控制方法,当容器内液氮的液位低于第二温敏电阻时,控制芯片控制电磁阀开启;当容器内液氮的液位高于第一温敏电阻时,控制芯片控制电磁阀关闭。
作为优选,在控制芯片中分别设有针对第一温敏电阻的第一电阻值阈值和针对第二温敏电阻的第二电阻值阈值;当第二温敏电阻的电阻值低于所述第二电阻值阈值时,控制芯片控制电磁阀开启;当第一温敏电阻的电阻值高于所述第一电阻值阈值时,控制芯片控制电磁阀关闭。
以上控制方法实现了液氮的自动补充功能:通过温敏电阻检测冷却夹层内的温度信号,由控制芯片接收后调制电磁阀开闭状态,从而实现液氮由液氮罐到冷却夹层的自动补充,具体为:(1)当冷却夹层中的液氮消耗至第二温敏电阻之下,阻值急剧下降,触发控制芯片阈值,打开电磁阀,液氮罐内的液氮加入冷却夹层中。(2)当加入的液氮超过第一温敏电阻时,温敏电阻阻值瞬间达到液氮温度下的极大值,控制芯片调节电磁阀闭合,液氮停止加入。(3)由此不断循环,实现液氮自动补充。
本发明提供了一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置及其控制方法。该技术方案采用负温度系数温敏电阻作为液位测定传感器,位于高、低位的双温敏电阻分别接入控制芯片,控制芯片以二者的实时电阻值为依据,控制电磁阀通断,达到自动补充液氮的目的。本发明同时满足自动化和液氮温度精确控制两个要求,具有突出的技术优势。
本发明的有益效果还集中体现在以下方面:
(1)通过使用两个在液氮温度敏感的负温度系数温敏电阻作为液位测定传感器,最大程度提高液氮补充时间和数量的精度。
(2)通过温敏电阻-控制芯片-电磁阀进行管路自动化调制,大大减少人工操作可能出现的问题,提高了设备稳定性和安全性。
(3)装置结构简单,制造成本低廉,实用效率更高。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图;
图2是本发明实施例中控制芯片调制冷却夹层中液氮的原理图;
图中:
1、液氮罐 2、减压阀 3、液氮管路 4、电磁阀
5、控制芯片 6、电线 7、第一温敏电阻 8、第二温敏电阻
9、冷却夹层 10、进液口 11、蒸发口。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节,在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述,表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外,以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,如图1、图2所示,包括液氮罐1,减压阀2,液氮管路3,电磁阀4,控制芯片5,电线6,第一温敏电阻7,第二温敏电阻8,其中,液氮罐1通过液氮管路3与容器相连通,在液氮管路3上分别设置有减压阀2和电磁阀4,第一温敏电阻7和第二温敏电阻8分别位于所述容器内的高位和低位,第一温敏电阻7和第二温敏电阻8通过电线6连接至控制芯片5,控制芯片5通过电线6连接至电磁阀4。其中,所述容器为冷却夹层9,液氮管路3的末端通过进液口10与冷却夹层9相连通。在所述容器上设置有蒸发口11。在液氮管路3的外部包覆有保温棉。控制芯片5包括触发器和继电器,所述触发器和继电器电性连接,触发器分别与第一温敏电阻7和第二温敏电阻8电性连接,继电器与电磁阀4电性连接。第一温敏电阻7和第二温敏电阻8为负温度系数温敏电阻。第一温敏电阻7和第二温敏电阻8的最优温度响应范围为-197℃~-175℃。第一温敏电阻7和第二温敏电阻8的阻值变化在最优温度响应范围内为145000Ω~42500Ω。
在以上技术方案中,液氮罐1通过液氮管路3与冷却夹层9相连,在液氮管路3上设有减压阀2和电磁阀4。其中液氮罐1储存降温所需的液氮;减压阀2用于调节液氮罐1出口压力;电磁阀4用于接收控制芯片5的电信号,并调制液氮管路3通断;冷却夹层9位于超高真空腔体或机械臂外层,用于蒸发液氮,达到对腔体和样品降温的目的。
控制芯片5位于温敏电阻和电磁阀4之间,共同构成本发明的控制电路。其中控制芯片5用于将温敏电阻的阻值信号转换成电信号输出给电磁阀4;温敏电阻包括接近冷却夹层9顶部的第一温敏电阻7和接近冷却夹层9底部的第二温敏电阻8,分别用于检测最高液氮位置和最低液氮位置,并将温度信号转换成阻值信号;电磁阀4用于接收控制芯片5的电信号,并调制液氮管路3通断。
该自动化冷却装置的控制方法如下:当容器内液氮的液位低于第二温敏电阻8时,控制芯片5控制电磁阀4开启;当容器内液氮的液位高于第一温敏电阻7时,控制芯片5控制电磁阀4关闭。具体来看,在控制芯片5中分别设有针对第一温敏电阻7的第一电阻值阈值和针对第二温敏电阻8的第二电阻值阈值;当第二温敏电阻8的电阻值低于所述第二电阻值阈值时,控制芯片5控制电磁阀4开启;当第一温敏电阻7的电阻值高于所述第一电阻值阈值时,控制芯片5控制电磁阀4关闭。
以上控制方法实现了液氮的自动补充功能:通过温敏电阻检测冷却夹层9内的温度信号,由控制芯片5接收后调制电磁阀4开闭状态,从而实现液氮由液氮罐1到冷却夹层9的自动补充,具体为:(1)当冷却夹层9中的液氮消耗至第二温敏电阻8之下,阻值急剧下降,触发控制芯片5阈值,打开电磁阀4,液氮罐1内的液氮加入冷却夹层9中。(2)当加入的液氮超过第一温敏电阻7时,温敏电阻阻值瞬间达到液氮温度下的极大值,控制芯片5调节电磁阀4闭合,液氮停止加入。(3)由此不断循环,实现液氮自动补充。
本发明使用负温度系数温敏电阻确定液氮补充位置,其温度最优范围在-197℃至-175℃之间,相应电阻值从145000Ω骤降至42500Ω。特别的,在液氮温度范围内(-197℃~-196℃)阻值变化率为20%~50%,保证了液面变化的精确感应。
本发明通过快速蒸发液氮带走腔体中的和样品上的热量,无需设置液氮循环***。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于包括液氮罐(1),减压阀(2),液氮管路(3),电磁阀(4),控制芯片(5),电线(6),第一温敏电阻(7),第二温敏电阻(8),其中,液氮罐(1)通过液氮管路(3)与容器相连通,在液氮管路(3)上分别设置有减压阀(2)和电磁阀(4),第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)分别位于所述容器内的高位和低位,第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)通过电线(6)连接至控制芯片(5),控制芯片(5)通过电线(6)连接至电磁阀(4)。
2.根据权利要求1所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,所述容器为冷却夹层(9),液氮管路(3)的末端通过进液口(10)与冷却夹层(9)相连通。
3.根据权利要求1所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,在所述容器上设置有蒸发口(11)。
4.根据权利要求1所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,在液氮管路(3)的外部包覆有保温棉。
5.根据权利要求1所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,控制芯片(5)包括触发器和继电器,所述触发器和继电器电性连接,触发器分别与第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)电性连接,继电器与电磁阀(4)电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)为负温度系数温敏电阻。
7.根据权利要求6所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)的最优温度响应范围为-197℃~-175℃;在-197℃~-175℃范围内,第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)的阻值变化率为70%。
8.根据权利要求7所述的一种精确控制液氮补充的自动化冷却装置,其特征在于,在-197℃~-196℃范围内,第一温敏电阻(7)和第二温敏电阻(8)的阻值变化率为20%~50%。
9.权利要求1~8任一项所述装置的控制方法,其特征在于,当容器内液氮的液位低于第二温敏电阻(8)时,控制芯片(5)控制电磁阀(4)开启;当容器内液氮的液位高于第一温敏电阻(7)时,控制芯片(5)控制电磁阀(4)关闭。
10.根据权利要求9所述的控制方法,其特征在于,在控制芯片(5)中分别设有针对第一温敏电阻(7)的第一电阻值阈值和针对第二温敏电阻(8)的第二电阻值阈值;当第二温敏电阻(8)的电阻值低于所述第二电阻值阈值时,控制芯片(5)控制电磁阀(4)开启;当第一温敏电阻(7)的电阻值高于所述第一电阻值阈值时,控制芯片(5)控制电磁阀(4)关闭。
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