Niederdruckregelung eines Kryotanks

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30. Juni 2021

Die Herausforderung: Forschungsaufbau unter kryogenen Bedingungen

Unser Kunde, der Gruppe Quantenphotonik über ETH Zürich (ein universitäres Innovations- und Wissenszentrum in der Schweiz) stellte uns folgende Situation vor: Die Gruppe führt ein Experiment in einem Kryotank durch, der an eine große Gasrückgewinnungsanlage angeschlossen ist. Der Druck in diesem Tank schwankte infolge von Ereignissen im Zusammenhang mit dieser Gasrückgewinnungsanlage, die in einem Raum neben dem Forschungsbereich stattfanden. Diese Schwankungen wirkten sich negativ auf die Forschungsmessungen aus. Sie baten PCS, eine Lösung zu liefern, die die Anwendung vor diesen Schwankungen schützt, um zuverlässigere Messungen zu gewährleisten. Mit unserer Leidenschaft für präzise Prozesskontrolle wollte unser Matthias Bogar natürlich dem Kunden helfen, diese Nuss zu knacken!

Der Ansatz: Erkundung der Prozessbedingungen

Um alle Prozessanforderungen dieser kryogenen Anwendung zu erfüllen, präsentierte PCS eine Kombination aus einem Equilibar® Low Flow LF1 Vordruckregler (LF-Serie) und ein elektronischer Druckregler aus dem Hause PCS ERC-Serie; beide sind speziell auf die Prozessbedingungen dieser speziellen Anwendung zugeschnitten, um im Betrieb unter den für kryogenen Anwendungen charakteristischen sehr niedrigen Temperaturen robust zu sein. Doktorand Gian-Marco Schnüriger – Teil der Quantum Photonics Group an der ETHZ – erklärt, wie wichtig eine stabile Druckregelung ist, um mechanische Schwankungen in seiner Forschungsanwendung zu vermeiden und zu korrigieren:

„Die Fähigkeit, mechanische Schwankungen zu stabilisieren, ist ein entscheidender Faktor bei der Arbeit mit Mikrokavitäten, die von Natur aus sehr anfällig für Vibrationen sind. Lärm ist in einer Forschungsumgebung oft nicht vermeidbar, daher ist es sehr wichtig, einen Weg zur Stabilisierung der Umgebung zu finden.“

Schnüriger erklärt weiter, wie die kryogenen Temperaturen in seinem speziellen Setup eine Herausforderung darstellen:

„In unserem Fall erfordert das Experiment kryogene Temperaturen. Dazu wird ein Metallröhrchen mit der Probe in ein Bad aus flüssigem Helium getaucht. Um den Verlust von Helium zu minimieren, wird das verdampfte Gas, ca. 0,3 m3 pro Tag, wird in ein institutsübergreifendes, groß angelegtes Verwertungssystem zurückgeführt. Unsere Probe ist also mit allen anderen kryogenen Systemen in der Nähe gekoppelt, was zwangsläufig eine große Geräusch- und Vibrationsquelle darstellt.“

Wie in vielen anderen Forschungsfeldern und Anwendungen spielen optische Resonatoren im Forschungsaufbau von Schnüriger eine wichtige Rolle. Er erklärt, wie die Forschungsumgebung die Prozessstabilität weiter herausfordert, die PCS optimieren musste:

„In unserem Fall wird eine faserbasierte Mikrokavität an eine Halbleiter-Quantentopfstruktur gekoppelt, um die dabei entstehenden Hybridpartikel zu untersuchen. Zugehörige Bedingungen sind:

  • die Linienbreite des schmalen Hohlraums (30ueV);
  • das Erfordernis einer in-situ-Abstimmbarkeit der Resonatorlänge;
  • der später notwendige Freiheitsgrad

Die Erfüllung dieser Bedingungen geht mit einer großen Anfälligkeit für mechanische Schwankungen in der direkten Umgebung einher. Diese Schwankungen wirken sich hauptsächlich auf die Länge des Hohlraums und damit auf die Resonanzenergie aus. Dies beeinflusst wiederum die gemessenen Eigenschaften und kann sogar zu einer Verschiebung aus dem Parameterbereich einer gegebenen Messung führen.“

Mit anderen Worten: Diese Schwankungen gefährden die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Forschungsergebnisse und sind sehr unerwünscht.

Warum ist in diesem Fall eine stabile Druckregelung so wichtig?

Um den Einfluss von Umweltschwankungen auf die Prozessstabilität in Schnürigers Applikation zu verdeutlichen, teilt er dieses Beispiel: Die Befüllung eines weiteren Kryostaten am Ende des Korridors in Schnürigers Forschungsanlage führt zu Schwankungen in der Transmission durch die Kavität als Folge von der Änderungen des Heliumdrucks. Abbildung 1 zeigt uns, wie dies zu einer Störung, bestehend aus zwei Spitzen, führt. Eine am Anfang und eine noch größere Spitze am Ende der Befüllung, wenn das Kryostatvolumen bereits voll ist und das gesamte überschüssige Helium in die Rückgewinnungsleitung eingespeist wird.

Die Lösung von PCS

Auf Kundenwunsch lieferte PCS eine Produktlösung zur Stabilisierung des Forschungsprozesses von Schnüriger. Diese Lösung besteht aus einen Vordruckregler mit geringem Durchfluss (Modell LF1), zwischen Kryostat und Rückgewinnungssystem platziert. Die LF1-Einheit wird über einen elektronischer Referenzdruckregler die in der Lage ist, ein sehr präzises und stabiles Druckniveau im Dom des Vordruckreglers aufrechtzuerhalten. Dadurch können wir den Druck auf einen Sollwert regeln, der hoch genug ist, um die Schwankungen im Rückgewinnungssystem auszugleichen. Der Druck im Rückgewinnungssystem beträgt ca. 10 mBar und der Druck für den Kryostaten wird vom elektronischen Regler auf 80 mBar eingestellt.

Wie funktionierte diese Lösung für Schnüriger und seine Anwendung zur kryogenen Tankbefüllung?

„In der Tat, wenn wir die Hohlraumübertragung während der Füllzeiten des Kryostaten entlang des Korridors betrachten, sehen wir jetzt, dass der Einfluss dieser Schwankungen minimiert wird. Das System ist weitestgehend entkoppelt und externe Einflüsse werden auf ein Minimum reduziert.“

Die Transmission durch die Kavität im Verlauf einer 1-stündigen Messung, die den Einfluss äußerer Ereignisse zeigt, in diesem Fall die Befüllung eines Badkryostaten in einem anderen Raum auf derselben Etage. Das Diagramm zeigt 2 größere Schwankungen, die dem Beginn und dem Ende dieses Füllvorgangs entsprechen, den Druck in der Helium-Rückgewinnungsleitung erhöhen und die Transmission durch die Kavität um 60 % verschieben.

Die Wirkung der von PCS entworfenen Lösung wird deutlich, wenn wir Abbildung 1 mit Abbildung 2 vergleichen; letzteres ist eine Illustration der Messstabilität während der Füllzeiten, nach die Installation der Produktlösung von PCS. Der Unterschied zwischen diesen beiden Grafiken zeigt deutlich die starke Leistung der Produktlösung von PCS.

Wie in Abbildung 1 die Übertragung durch die Kavität während eines einstündigen Experiments, während der Gegendruckregler eingerichtet und in Betrieb ist. Angezeigt durch die schwarze Linie ist der Beginn der Befüllung eines Kryostaten im selben Raum wie in Abbildung 1 und es zeigt sich, dass keine Störung des Systems sichtbar ist.

Matthias Bogar von PCS kommentiert:

„Das von PCS an die ETH Zürich gelieferte Produkt-Setup [im Bild gezeigt] ist ein gutes Beispiel für die starke Leistung von Equilibar-Reglern unter ungewöhnlichen oder anspruchsvollen Prozessbedingungen; Es ist genau das, wofür diese Regulierungsbehörden entwickelt wurden und was sie von herkömmlichen Regulierungsbehörden unterscheidet.“

In diesem Fall war die Kombination aus niedrigen Drücken und kryogenen Temperaturen eine Herausforderung, die konventionelle Produkte nicht lösen konnten. Herkömmliche Vordruckregler (meist federbelastet) weisen eine hohe Hysterese auf, die eine stabile Tankdruckregelung bei nur wenigen mbar Überdruck fast unmöglich macht. Die Equilibar-Dome-Load-Membran-Dichtungstechnologie arbeitet reibungslos und ist in der Lage, bis zu sehr niedrigen Drücken zu regeln.

Die Vordruckregler der LF-Serie, wie in dieser Anordnung verwendet, kann ein Turndown-Verhältnis von mehr als 1:1.000.000 erreichen und ist dank der verfügbaren Materialien (SS316, Hastelloy, Monel, PEEK, PTFE, PVDF etc.) und dank seines erstaunlich breiten Cv-Bereichs von 1E-8 bis 0,07.

Die ERC-Serie (elektronische Referenzdruckregler) verwendet in dieser speziellen Anwendung ist einer Einzelventil Druckregler. Dies bedeutet, dass es einen sehr kleinen Anschnitt hat, entweder in den Controller hinein oder aus ihm heraus. Dadurch wird sichergestellt, dass das Proportionalregelventil kontinuierlich angesteuert wird, was wiederum zu einer Regelstabilität innerhalb von 0,01 % führt, was zu einer außergewöhnlichen und präzisen und stabilen Regelung des Equilibar-Vordruckreglers führt.

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