PEV压电晶体阀流量率标定试验

　　本文介绍了在核聚变装置中广泛应用的压电晶体阀的工作原理，并通过搭建试验平台模拟我国第一个全超导托卡马克核聚变装置EAST试验时的真空环境，来准确计算试验条件下的压电晶体阀的气体流量率，从而为核聚变试验及等离子体的仿真计算提供可靠的试验数据。

　　聚变能源是一种消耗燃料少,资源丰富的无污染的清洁能源。在聚变装置托卡马克中产生聚变能的是高温等离子体，在反应中消耗的等离子体要及时得到补充才能维持核聚变反应对等离子体密度的要求，从而试验长脉冲放电。目前在世界各国的磁约束核聚变装置上均采用了直接注气法（direct gas puff），这也是最简单、有效和方便的补气方式。在我国自主研制的第一个非圆截面全超导核聚变实验装置EAST（ExperimentalAdvanced Superconduct Tokamak）中目前主要是通过对H₂、D₂进行欧姆加热, 低杂波加热等方法得到高温等离子体。可见H₂、D₂进气量的多少将直接影响等离子体的密度。EAST装置主要是通过压电晶体阀来控制H₂和D₂的流量。压电晶体阀额定气体流量率在特定的试验条件下有较大的偏差, 如何得到实验条件下压电晶体阀准确的流量率对托卡马克聚变反应中粒子输运的计算、密度反馈控制及其他仿真计算至关重要同时也为加料效率和再循环等问题的研究提供必要的参数。PEV压电晶体阀性能稳定, 非常适合作为补气控制阀。对PEV压电晶体阀在不同工作电压下的流量率准确标定显的尤为重要。

1、PEV压电晶体阀的工作原理

　　PEV阀的安全工作电压0~100V, 工作温度10~60℃。当阀门接通电源以后,施加在压电陶瓷块上的偏振电压会使压电陶瓷块发生弯曲，偏正电压不同，致使压电陶瓷块发生弯曲的程度也不同。固定在压电陶瓷块上的密封橡胶垫轻微地抬起，阀门进气端的气体便通过小孔入到阀门出气端。其结构如图1。在EAST装置上，通过程序控制施加在压电晶体阀的偏正电压（目前主要应用在预充气阶段，密度反馈控制调节工作电压处于试验阶段）来改变压电陶瓷块的弯曲程度，从而控制储气罐到真空室的H₂和D₂流量率。

2、实验原理

　　在实验室条件下，有如下装置，其中左边罐子压强为P1,体积为V1，右边罐子为真空，压强近似为0，体积为V2。连接管很短，流导忽略不计，如图2。现瞬间打开阀门立即关闭（几十个ms），即保证左罐进入右罐的气体量不是很大。由克拉珀龙方程PV=nRT知，在没打开阀门前气体状态方程为

P₁V₁=n₁RT₁，P₂V₂=n₂RT₂=n₂RT₁=0

　　关闭阀门后，左右两罐气体达到稳定后其状态方程

P'₁V₁=n'₁RT'₁，P'₂V₂=n'₂RT'₂

　　在试验条件下，温度的变化非常小，基本可以认为是恒温，即T₁=T'₁=T'₂，则，

ΔP₁V₁=P'₁V₁- P₁V₁=n'₁RT'₁- n₁RT₁=(n'₁- n₁)RT₁=Δn₁RT₁

ΔP₂V₂ = P'₂V₂- P₂V₂= n'₂RT_'2- n₂RT₂=( n'₂- 0)RT₁= n₂RT₁

又因为n₁=n'₁+n₂，所以n'₂=- (n'₁- n₁)=-Δn₁，代入上式，得到

-ΔP₁V₁ = ΔP₂V₂

　　对上式两边同除以Δt（阀门的开启时间），得

Q=-V₁ ΔP₁/Δt = V₂ΔP₂/Δt（1）

　　这即为阀门的流量率。

图1 PEV阀门结构图  图2 工作原理示意图过程

3、试验平台设计及试验

3.1、试验平台设计

　　本PEV压电晶体阀流量率标定实验采用VC++程序计算，通过计算阀门开启前后标准罐和大罐压强的变化ΔP，再利用公式一，即可计算阀门的流量率。装置如图3。

　　在25℃的实验室里，本试验平台有两个钢质罐子，分别为体积为0.318L的小罐和体积为120L的大罐。两个真空计，一个是CDG025电容薄膜规， 其规管连接在小罐子上， 同时从其control口引一路模拟量接入PCI9112数据采集卡。另一个真空计是PKR251 冷规，其规管连接在大罐子上，也从其control 口引一路模拟量接入PCI9112 数据采集卡，PCI9112 数据采集卡在本试验主要用途是数据的采集和计算机程序控制电压的输出。一个PEV 压电晶体阀直接连接小罐和大罐，其安全工作电压为0~100 V。一个快速线性电压放大器连接PEV 阀和数据采集卡，其电压放大倍数为20 倍。一台安装了PCI9112 数据采集卡的工控机。在试验情况下，大罐的压强为2.2E- 3Pa 以下，小罐的工作压强为1.0~0.15 MPa，但由于CDG025 的满量程为133322 Pa,故试验时压强不大于1.33 ATM（EAST 装置聚变反应时其补气压强也在1.3ATM左右）。

图3 试验平台示意图

3.2、试验过程

　　在做本试验前，已验证PEV阀有2ms的开启时间。在试验前，先判断大罐和小罐的工作压强是否符合试验要求。如果不符合，调整大、小罐的压强。小罐可以通过放气和补气来实现，大罐若大于2.2E-3Pa，则可用小机组泵（分子泵和机械泵）抽气实现。若符合试验要求，关闭大罐抽气阀门和小罐补气阀门，这时观察真空计发现，大罐压强在持续上涨，而小罐却相当稳定。这是由于当大罐压强达到2.2E-3Pa后，停止抽气，其附在壁上的气体会放出来。另外PKR251冷规在从E-3量级到1.0Pa 量级转换精度不是非常理想。考虑到以上因素，以小罐压强的变化量ΔP1为计算量比较准确，大罐压强的变化量ΔP2为参考量，运用公式一后，两者流量率的数值不应相差太大。这时通过程序采集两规管的压强。由于采集来的是电压信号，在程序里要有把电压信号转换成压强的函数，CDG025规管的电压与压强的关系为：P=(V/10)133322，PKR251规管的电压与压强的关系为：P= pow(10,1.667*V-9.33)。这时通过程序发出一个脉宽为50ms，脉幅5V为脉冲到数据采集卡，该脉冲经电压放大电源施加在PEV 阀上。实际施加在PEV 阀的工作电压为100 V， 时间为50 ms。50 ms 级精确定时在VC++,主要通过以下部分完成：