Informes Técnicos Ciemat 1185Noviembre, 2009

Departamento de Investigación Básica

Operación de la Criogenia delDetector de Argón Líquido delCIEMAT

L. RomeroM. D. LealMª. de PradoJ. L. Ramírez

Toda correspondencia en relación con este trabajo debe dirigirse al Servicio de In-formación y Documentación, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Ciudad Universitaria, 28040-MADRID, ESPAÑA.

Las solicitudes de ejemplares deben dirigirse a este mismo Servicio.

Los descriptores se han seleccionado del Thesauro del DOE para describir las ma-terias que contiene este informe con vistas a su recuperación. La catalogación se ha hecho utilizando el documento DOE/TIC-4602 (Rev. 1) Descriptive Cataloguing On-Line, y la cla-sifi cación de acuerdo con el documento DOE/TIC.4584-R7 Subject Categories and Scope publicados por el Offi ce of Scientifi c and Technical Information del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Se autoriza la reproducción de los resúmenes analíticos que aparecen en esta pu-blicación.

Depósito Legal: M -14226-1995ISSN: 1135 - 9420NIPO: 471-09-065-2

Editorial CIEMAT

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CLASIFICACIÓN DOE Y DESCRIPTORES

S71CRYOGENIC FLUIDS; GASES; ARGON COMPOUNDS; CALIBRATION; NITROGEN;CRYOSTATS; CONTROL EQUIPMENT; EQUIPMENT PROTECTION DEVICES

Operación de la Criogenia del Detector de Argón Líquido del CIEMATRomero, L.; Leal, M. D.; de Prado, Mª.; Ramírez, J. L.

31 pp. 15 fi g. 1 tabla

Resumen:El Ciemat tiene una amplia experiencia en el diseño y desarrollo de detectores de partículas gaseosos. Ha participado en la construcción de experimentos para los aceleradores del CERN construyendo parte de las cámaras de muones de los experimentos L3 en LEP, y de CMS en el LHC.En tiempos recientes se han desarrollado nuevos conceptos de detectores de partículas que son la evolución natural de los construidos en el Ciemat. Estos nuevos detectores de radiación utilizan gases nobles licuados como medio activo.Se ha construido en el Ciemat un sistema de prueba para este tipo de detectores de argón licuado, el cual incluye un sistema criogénico de soporte que licúe y mantenga el argón líquido necesario para la operación del detector. Este do-cumento describe las características técnicas de este sistema criogénico. Además de documentar el sistema criogénico, este informe técnico sirve para facilitar las labores de mantenimiento y mejora del detector.Además de una introducción, el informe consta de los siguientes capítulos: El segundo es descriptivo de la criogenia y del sistema de gases. El tercer capítulo está dedicado a la electrónica de control. El cuarto capítulo lidia con el tema tan importante de la seguridad, sus sistemas y protocolos. El quinto describe las posibles maniobras criogénicas que pueden realizarse con el sistema. El informe concluye con diagramas, esquemas, fotos y tablas que faciliten el uso de la instalación.

Operating Instructions for the Cryogenics in the Liquid Argon Detector at CIEMATRomero, L.; Leal, M. D.; de Prado, Mª.; Ramírez, J. L.

31 pp. 15 fi g. 1 tabla

Abstract:Ciemat has wide experience in designing and developing gaseous particle detectors. It has taken part in the building of experiments for CERN accelerators, constructing shares of the muon chambers for L3 experiment in LEP and CMSexperiment in LHC.Recently, new concepts for particle detectors have been developed, as a natural evolution from the ones built at Ciemat. These new radiation detectors use liquefi ed noble gases as active media.A testing system for these kind of liquefi ed argon detectors has been built at Ciemat, and includes a supporting cryoge-nic system for the liquefaction and maintenance of the liquid argon needed for operating the detector. This document describes the technical features of this cryogenic system. Besides the documentation of the cryogenic system, this technical report can be of help for the management and upgrading of the detector.As well as an introduction, the report includes the following chapters: The second one is a description of the cryogenics and gas systems. The third chapter shows the controlling electronics. The fourth chapter deals with the important topic that is security, its systems and protocols. The fi fth describes the cryogenic operations possible in this equipment. The report is completed with diagrams, schemes, pictures and tables for the easier management of the setup.

INDICE: 1. Introducción. 2. Descripción de la criogenia y sistema de gases. 3. Descripción de la electrónica de control. 4. Seguridad. 5. Maniobras criogénicas. 6. Esquemas. 7. Fotos. 8. Tablas.

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1-Introducción El Ciemat tiene una amplia experiencia en el diseño y desarrollo de detectores de partículas gaseosos basados en el principio de proyección temporal. (TPC: Time Projection Chamber). El grupo de altas energías del Ciemat ha participado en la construcción de grandes experimentos para los aceleradores del CERN. Ha realizado parte de la construcción de las cámaras de muones de los experimentos L3 en LEP, y de CMS en el LHC. En tiempos recientes se han desarrollado nuevos conceptos de detectores de partículas que son la evolución natural de las TPCs construidas en el Ciemat. Estos nuevos detectores de radiación utilizan gases nobles licuados como medio activo. La ionización producida, por la radiación de interés, en el volumen de argón o xenon líquido deriva en un campo eléctrico vertical hasta alcanzar la superficie del líquido. Allí, la carga es extraida de la fase líquida, multiplicada, en fase gaseosa, mediante LEMs (Large Electron Multiplier) y capturada por un multiánodo. Se ha construido en el Ciemat un sistema de prueba para este tipo de detectores de argón licuado, el cual incluye un sistema criogénico de soporte que licúe y mantenga el argón líquido necesario para la operación del detector. Este documento describe las características técnicas de este sistema criogénico. Además de documentar el sistema criogénico, este escrito sirve para facilitar las labores de mantenimiento y mejora del detector. El documento consta tanto de texto como de esquemas y fotografías. Para facilitar la comprensión las referencias del texto a esquemas y fotografías siguen un criterio uniforme. Los elementos dentro de los esquemas están numerados de forma que una referencia, en el texto, a un elemento dado de un esquema tiene el siguiente aspecto: (EX-YY), donde X es el número de esquema e YY el número de elemento. Los elementos que se pueden observar en las fotos están señalados por una flecha y un número. Las referencias a estos elementos se realizan análogamente: (FX-YY), donde X es el número de foto e YY es el número de elemento. El esquema E1 corresponde al sistema criogénico, el esquema E2 al sistema de gases, el esquema E3 al cableado eléctrico del detector, el esquema E4 al panel de control y el esquema E5 a la electrónica montada en el circuito impreso del panel de control que incluye un circuito de medida del nivel de argón líquido. En el texto, las referencias se harán principalmente a los esquemas, solo cuando un elemento no se encuentre en ningún esquema se referencia la foto que lo muestra. Para un uso más fácil de este manual, se incluye al final una tabla con referencias cruzadas, de forma que cada elemento de los esquemas queda identificado en las fotografías. 2-Descripción de la criogenia y sistema de gases El sistema criogénico del detector, mostrado en el esquema 1, está centrado en dos criostatos de argón líquido, gemelos, tipo CF1618 de la marca CRYOFAB, de una capacidad de unos 60 litros cada uno. Uno de estos criostatos (E1-14), que llamaremos de medida, contiene el detector de argón líquido. El segundo criostato (E1-21), que llamaremos auxiliar, sirve como recipiente del argón líquido durante la apertura, para modificación o mantenimiento, del criostato de medida. Ambos criostatos están prolongados en su parte superior por sendos cuellos iguales que proveen de servicios a su respectivo criostato. Cada uno de estos cuellos tienen las siguientes conexiones: Toma de alto vacío (E1-18)(E1-19), conexión al sistema de gases (E1-13)(E1-22), Conexión al otro criostato (E1-17), pasamuros eléctrico (F6-7)(F7-6), válvula de

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seguridad (E1-15),(E1-16), sensor de presión (E1-23),(E1-24) y conexiones criogénicas de nitrógeno líquido (F6-3)(F7-5). La pared cilíndrica externa está aislada térmicamente por una cámara de vacío (F6-6)(F7-3). Estas conexiones se pueden ver en la foto 6, para el criostato de medida, y en la 7, para el auxiliar. Dentro de cada cuello se encuentra una parrilla, hecha de tubo de acero inoxidable de 8mm, por cuyo interior circula nitrógeno líquido. La función de estas parrillas es compensar las pérdidas caloríficas ocurridas en el criostato durante la operación del detector, para ello condensan en su exterior el argón gaseoso, estableciéndose una presión de equilibrio entre la fase líquida y gaseosa del argón determinada por la temperatura de la parrilla. Esta, a su vez, es la temperatura que tiene el nitrógeno líquido de su interior. Controlando la presión del nitrógeno gaseoso se determina la temperatura de equilibrio entre la fase líquida y gaseosa del nitrógeno. La parrilla no solo tiene como función enfriar el argón para compensar las pérdidas de calor, sino también condensar el argón para llenar el criostato. La parrilla está situada en medio gaseoso y está rodeada por un faldón de plástico (Delrin) que impide la convección de gas frío cuando el criostato está lleno de líquido. De esta forma la tasa de transferencia de frío es alta con el criostato vacío, debido a la convección, y baja con el criostato lleno. La temperatura de cada una de las parrillas se mide mediante un sensor de resistencia de platino PT100. El controlador de estos sensores es un módulo (F5-1) Cryocon 14. La presión dentro de los criostatos de argón se mide mediante manómetros electrónicos, de un rango de medida de 0 a 2 bares, (E1-23) para el criostato de medida y (E1-24) para el auxiliar. Estos sensores están controlados por el módulo (F2-9) modelo Membranovac DM12 de Leybold. Este controlador tiene incorporado dos interruptores eléctricos que abren sendos circuitos cuando la presión, bien en el criostato de medida, bien en el auxiliar, supera un límite prefijado (1600 mBar). Los criostatos de argón poseen un circuito de seguridad que impide una elevación peligrosa de la presión. Cada criostato dispone de una válvula, (E1-15) para el de medida y (E1-16) para el auxiliar, que a presión inversa, es estanca a alto vacío, y a presión directa se abre a partir de una presión de 0,5 bares. Estas válvulas están conectadas a un circuito común que ó bien se puede conectar a la atmósfera a través de la válvula de alivio manual (E1-8) ó bien se puede disponer a una presión fija limitada por la válvula de control (E1-10) y que se puede ajustar entre 0,1 y 0,5 bares. Una válvula de seguridad (E1-9), tarada a 1 bar, completa el sistema. La presión de este circuito de argón gaseoso se mide mediante el manómetro (E1-11). El nivel de argón líquido dentro de los criostatos de argón se mide mediante los tres sensores de un módulo JC-Controls (F5-3) modificado. La modificación consiste en añadir un circuito integrado LM324, el cual es un comparador cuádruple, que activa tres correspondientes LEDs y reemite las señales de los sensores al panel de control central. Cada uno de estos tres sensores tienen dos estados, correspondientes a la inmersión, o no, en argón líquido. De los tres sensores dos están situados en el fondo de cada uno de los criostatos y sirven como testigos de la presencia de argón líquido. El tercer sensor se halla en el criostato auxiliar a una altura conveniente para su llenado, la activación de este sensor señala el llenado del criostato. Además de estos tres sensores, en el criostato de medida hay un cuarto sensor de nivel de argón líquido, este sensor es capacitivo y genera una señal analógica proporcional al nivel de llenado. La calibración de este sensor se presenta en la figura 1. Los datos se ajustan a la recta de calibración siguiente: Nivel(mm) = (Capacidad(nF) - 8,645) * 19,488.

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Donde el origen del nivel se encuentra en el punto medio de la altura del sensor. El error de medida del nivel capacitivo de argón líquido es del orden de ±0,7 mm. Por su mayor sensibilidad se usa este sensor para el llenado del criostato de medida. Su electrónica de control se describe más adelante. Cada uno de los criostatos de argón líquido tiene en su fondo una resistencia de 140 W para evaporar el argón líquido. Los volúmenes de ambos criostatos de argón se pueden poner en comunicación mediante la válvula (E1-17). El Ciemat tiene un acuerdo con la empresa L´Air Liquide para reparto de nitrógeno líquido en el centro. Periódicamente una camioneta rellena los depósitos del Ciemat. El detector de argón liquido posee un depósito Dewar presurizado (F1-5) EuroCyl de 450 litros de nitrógeno líquido. La camioneta de reparto rellena periódicamente este depósito. Figura 1

CALIBRACION DEL SENSOR DE NIVEL

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

10,5

-30,0 -20,0 -10,0 0,0 10,0 20,0 30,0

Nivel (mm)

Cap

acid

ad d

el s

enso

r (n

F)

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

Residuos (mm)

El depósito, tal como vino de fábrica, está dotado de dos válvulas de seguridad redundantes taradas a 20 bares. Sin consumo, por tanto, el depósito se presurizaría a dicha presión, excesiva para nuestros propósitos. Por ello, se le ha incorporado una válvula automática (F8-3) que regula la presión del depósito hasta situarla en un valor que se puede ajustar en un rango de 1.7 a 5.2 bares. Sendos diales en el depósito proporcionan información de la presión interna (F8-9) y del nivel (F8-10), y por tanto cantidad, de nitrógeno líquido. El nitrógeno líquido se transfiere a través de la línea (F1-2), aislada con ARMACELL, desde el depósito principal a un criostato pequeño presurizado (E1-4) (F1-3), tipo CF9524 de la marca CRYOFAB, de una capacidad de unos 30 litros. La electroválvula (E1-3), normalmente cerrada, permite el llenado de nitrógeno líquido del

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criostato (E1-4). La electroválvula (E1-3) es accionada por un módulo electrónico (F5-5) de JC Controls. Este módulo dispone de tres sensores discretos de nivel de nitrógeno líquido dispuestos a tres alturas dentro del criostato CF9524 . Cuando el nivel es inferior al más bajo de los sensores se activa la electro-válvula (E1-3) y el nitrógeno líquido penetra en el criostato, hasta que el nivel supera al sensor intermedio. Entonces se desactiva la electroválvula. Por seguridad, si el nivel de nitrógeno líquido supera el sensor superior, el circuito de la electro-válvula se fuerza a abrirse. Este módulo ha sido también modificado con un comparador cuádruple LM324 que activa tres LEDs, los cuales muestran en el frontis del módulo (F5-5) el estado de los tres sensores. La distribución de nitrógeno líquido desde el criostato pequeño hacia las parrillas de los criostatos de argón líquido se realiza, por gravedad, mediante dos tuberías de cobre, aisladas con ARMACELL y conectadas a la parte inferior del criostato de nitrógeno y a la superior de los criostatos de argón. Dos válvulas de bola permiten la alimentación criogénica del criostato de medida (E1-12) (F4-2) y del criostato auxiliar (E1-21) (F4-1). El retorno de nitrógeno gaseoso de ambos criostatos de argón se realiza a través de sendas electroválvulas, normalmente abiertas, (E1-25) para el criostato de medida y (E1-27) para el auxiliar. Estas electroválvulas se activan al tiempo que la electroválvula (E1-3), de llenado del depósito pequeño de nitrógeno líquido. Su función es evitar fluctuaciones del nivel de nitrógeno en la parrilla de enfriado, debidas al incremento súbito de presión en el depósito pequeño, y a la vaporización instantánea del nitrógeno líquido que se produciría. Las electroválvulas están conectadas al depósito pequeño (E1-4) a través de un tubo estructural de aluminio (F3-2). Este tubo está conectado a la parte superior gaseosa del criostato de nitrógeno (F3-7), a una válvula manual de alivio de presión (E1-5) (F2-5), que conecta el circuito de nitrógeno gaseoso con la atmósfera, a una válvula de seguridad (E1-7) (F2-1) tarada a 2 bares, y a una válvula automática de control de presión (E1-6) (F2-4) que se abre a una presión ajustable entre 0,5 y 2,8 bares. La presión de este circuito de nitrógeno gaseoso es medida mediante el manómetro (E1-2) (F3-4). El nitrógeno gaseoso que retorna de las parrillas está a baja temperatura, los conductos por los que pasa se enfrían y si su temperatura desciende por debajo de la del punto de rocío, la humedad ambiental se condensa en ellos, pudiendo gotear y poner en peligro los elementos eléctricos que haya por debajo. Para evitar este riesgo se han situado tres sensores de temperatura. Dos de ellos se encuentran en los entronques con la viga central (F3-2) de las conducciones de salida de las parrillas de los criostatos. El tercer sensor de temperatura se encuentra en la conducción que lleva a las válvulas de venteo (F2-4). Cuando la temperatura desciende de 10ºC en cualquiera de los sensores, se activan automáticamente unos calefactores,de 200W, próximos al sensor, que calientan la conducción correspondiente y el gas que por ella circula. El sistema de vacío consta de una bomba de membrana seca para el vacío previo (F5-8), y de una bomba turbomolecular (F5-6) para el alto vacío, ambas de LEYBOLD, tipo PT300-dry. La medida del vacío se realiza mediante un sensor dual (F5-4) de la marca LEYBOLD, tipo Combivac 200, que incorpora un sensor Pirani para bajo vacío y un sensor de ionización para alto vacío. El módulo de control (F2-8) de la cabeza de medida cambia automáticamente de un sensor a otro. La línea de alto vacío está conectada al criostato de medida a través de la válvula (E1-18), al criostato auxiliar a través de la válvula (E1-19), y al aislamiento del cuello de ambos criostatos a través de la válvula (F5-2). La línea de vacío previo posee una válvula (E2-6) para evacuar el sistema de gases. El circuito de gases se muestra en el esquema 2, es un circuito de distribución dividido en cuatro secciones separadas por válvulas manuales de bola (E2-3),(E2-

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8),(E2-5),(E2-10). La sección superior tiene conectado un manovacuometro (E2-7) de -1 a 4 bares, una conexión a la línea de vacío previo a través de la válvula (E2-6) y la conexión a la botella de gas a través de un medidor de flujo (E2-2) y una electroválvula (E2-1) accionada por el sistema de control. Hay la posibilidad de añadir otra entrada auxiliar de gas. La sección lateral izquierda está conectada al criostato de medida a través de la válvula de alto vacío (E1-13) y la sección lateral derecha está conectada al criostato auxiliar a través de la válvula (E1-22). Ambas líneas laterales tienen su conexión (E2-4), (E2-9) a un cartucho (E2-11) de purificación OXISORB. La sección inferior del circuito de gases es una línea de venteo al exterior. 3-Descripción de la electrónica de control Cada cable instalado en el detector posee dos etiquetas en ambos extremos con la denominación del cable. El esquema E3 muestra todos los dispositivos descritos en el apartado anterior y su conexionado, incluyendo la denominación de todos los cables, lo que resulta muy útil para el mantenimiento del detector. El esquema E4 y las fotos F11, F12 y F13, muestran el panel de control. La foto F11 muestra la parte frontal, la foto F12 la trasera y la foto F13 es una vista ampliada del circuito impreso de control. Las señales de entrada al panel son las siguientes: los tres niveles de argón líquido que vienen del módulo de JC-Controls a través del cable plano NIVELES LAR (F12-3), la señal que viene del sensor de nivel analógico del criostato de medida a través del cable coaxial SENSOR NIVEL (F12-6), la señal que refleja el estado de la presión en ambos criostatos de argón liquido, que viene por el cable RELE PRESION, y , por último, las tres señales de los sensores de temperatura del circuito de nitrógeno gaseoso (TEMP_GN2_CAM, TEMP_GN2_AUX y TEMP_GN2_OUT). La activación de las salidas de potencia del panel de control viene reflejada en la parte frontal del panel por los respectivos neones rojos. Hay 3 salidas para calentar el circuito del nitrógeno gaseoso, (220_GN2_CAM, 220_GN2_AUX y 220_GN2_OUT) con neones etiquetados: LADO CAMARA, TUBO SALIDA y LADO AUXILIAR (F11-10). De las restantes tres salidas, solo una puede estar activada. La salida de potencia 220 GAS IN (F11-3)) actúa sobre la electroválvula de entrada de argón gaseoso (E2-1),(F9-4). Por último, las dos salidas restantes se usan para calentar las resistencias que vaporizan el argón líquido en el criostato de medida (220 CAL CAM) y en el auxiliar (220 CAL AUX) . Mediante el interruptor (E4-SW6) (F11-1), bien se desactiva el panel, bien se activa la válvula de entrada de argón o bien se activan los vaporizadores. En este último caso, el interruptor (E4-SW1) (F11-2) controla cual de ellos, el del criostato de la cámara o el del auxiliar, se activa. Todas las salidas de potencia pasan a través de interruptores de estado sólido que acoplan las señales internas de baja potencia y voltaje a los 220V necesarios para manejar electroválvulas y calefactores. Las señales son de permiso y positivas, es decir, cuando la tensión de la señal es positiva respecto de tierra, el LED correspondiente se enciende y el interruptor se cierra dejando pasar los 220 voltios de la red. El led PRESION BAJA (E4-D4),(F11-4) es activado por la señal del cable RELE_PRESION. Esta señal se torna alta cuando se cierran ambos interruptores del DM12 (E3-U1),(E3-U2) y se permite a los 12 V de alimentación retornar por el cable. El DM12 está programado de forma que sus interruptores se cierren cuando la presión medida en el correspondiente criostato sea menor que una presión programada. (1600 mbar). De esta forma el interruptor de estado sólido global (E4-LS1)(F12-2) se abre,

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desactivando los calefactores de los criostatos y la entrada de gas, cuando la presión en cualquiera de los dos criostatos supera la presión programada. El led CRIO CAM CON LIQUIDO (E4-D3),(F11-5) es activado por una señal generada en el circuito impreso por el transistor (E5-Q5)(F13-5) y el comparador (E5-U5),(F13-7). Esta señal se hace positiva cuando la señal LAR_CAM_IN del hilo 2 del cable plano de entrada NIVELES LAR, proveniente del controlador JC (F5-3), se hace, así mismo, positiva, lo cual sucede cuando el sensor de nivel del fondo del criostato de la cámara se sumerge en argón líquido. Esta señal cierra el interruptor de estado sólido (E4-LS2),(F12-4) y permite operar al calefactor del criostato de la cámara. El led CRIO AUX CON LIQUIDO (E4-D1),(F11-6) es activado por una señal generada en el circuito impreso por el transistor (E5-Q6)(F13-3) y el comparador (E5-U5),(F13-7). Esta señal se hace positiva cuando la señal LAR_AUX_IN del hilo 3 del cable plano de entrada NIVELES LAR, proveniente del controlador JC (F5-3), se hace, así mismo, positiva, lo cual sucede cuando el sensor de nivel del fondo del criostato auxiliar se sumerge en argón líquido. Esta señal cierra el interruptor de estado sólido (E4-LS3),(F12-5) y permite operar al calefactor del criostato auxiliar. El led NIVEL AUX BAJO (E4-D2),(F11-8) es activado por una señal generada en el circuito impreso por el transistor (E5-Q7)(F13-8) y el comparador (E5-U5),(F13-7). Esta señal se hace positiva cuando la señal NIVEL_AUX_IN del hilo 4 del cable plano de entrada NIVELES LAR, proveniente del controlador JC (F5-3), se hace negativa, lo cual sucede cuando el sensor de nivel superior del criostato auxiliar se encuentra fuera del argón líquido. El led NIVEL CAM BAJO (E4-D5),(F11-7) es activado por una señal generada en el circuito impreso por el transistor (E5-Q4)(F13-11) y el comparador (E5-U5),(F13-7). Esta señal se hace positiva cuando la señal NIVEL_CAM, generada según se explica más adelante dentro del mismo circuito impreso, es menor que la tensión puesta por el potenciómetro (E5-R28),(F13-9). El interruptor (E4-SW2),(F11-3) selecciona cual de las dos señales anteriores, NIVEL CAM BAJO ó NIVEL AUX BAJO, controla el interruptor de estado sólido (E4-LS4),(F12-7) permitiendo la activación de la electroválvula de entrada de argón gaseoso (E2-1),(F9-4). Dos voltímetros de cristal líquido, uno analógico (E4-M2) (F11-9) y otro digital (E4-M1) (F11-11), muestran la señal NIVEL_CAM. El voltímetro analógico señala el grado de inmersión en argón líquido del sensor de nivel capacitivo del criostato de medida. Según sea la posición del interruptor (E4-SW39,(F11-12), el voltímetro digital muestra bien el nivel de la señal NIVEL_CAM, bien el límite de tensión a partir del cual se desactiva la señal NIVEL CAM BAJO. Este límite está determinado por el potenciómetro (E5-R28),(F13-9). El circuito de medida del sensor del nivel capacitivo se encuentra en el circuito impreso, (Esquema 5). Está construido alrededor de un circuito temporizador 555 (E5-U1),(F13-1) que funciona en modo astable. Cuando se dispara el 555, su salida pasa a un estado alto que carga positivamente la capacidad del sensor de nivel a través de R6, D1 y D2. Después de un cierto tiempo, determinado por el condensador C2 y la resistencia R5, el 555 vuelve a su estado de reposo con la salida en nivel bajo y con D1 y D2 cortados. El sensor de nivel se descarga a través del sumidero de precisión de intensidad constante formado por (E5-U2)(F13-12) y (E5-Q1). La rampa de descarga es transcrita por el seguidor de emisor formado por el amplificador de entrada FET (E5-U3),(F13-4), el cual también anula, mediante R7, la corriente inversa de D1. Cuando la rampa desciende por debajo del nivel de disparo del 555, un tercio de su tensión de alimentación, el 555 se dispara y el ciclo comienza de nuevo. El valor de la capacidad

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del sensor de nivel es, por tanto, proporcional al tiempo que la señal de salida del 555, PERIODO, permanece en estado bajo. Durante este tiempo el transistor (E5-Q2) permanece cortado y la capacidad (E5-C3) se carga por la fuente de intensidad constante formada por (E5-U4C) y (E5-Q3). La altura de la rampa es proporcional al tiempo de carga y proporcional, por tanto, a la capacidad del sensor de nivel. La rampa es alisada por el detector de pico formado por (E5-U4D) y (E5-D3) cuya constante de descarga, determinada por R12 y C7, es del orden de segundos. La señal resultante es una señal continua con un rizado de algunos milivoltios. El amplificador operacional (E5-U4B) resta a la señal el valor fijo de tensión correspondiente a la capacidad del sensor sin argón líquido. Este valor se ajusta mediante el potenciómetro (F13-10) de forma que la señal resultante NIVEL_CAM sea próxima a cero con el sensor sin argón líquido, y próxima a 200 mV con el sensor cubierto. Esta señal es la que se muestra en los voltímetros analógico y digital. El valor de la capacidad del sensor en función del valor mostrado en el voltímetro digital del panel se ajusta a la siguiente ecuación: Capacidad(nF) = Valor_Panel(mV) * 0,0172 + 6,7 El nivel del argón líquido con respecto al punto medio de la altura del sensor es: Nivel(mm) = Valor_Panel(mV) * 0,3352 – 37,9 4-Seguridad. Los riesgos asociados al uso de líquidos criogénicos son dos, por una parte se pueden sufrir quemaduras de frío y por otra hay un riesgo de asfixia. El riesgo de quemadura criogénica está muy reducido debido al hecho de que los líquidos criogénicos están, en todo momento, confinados. No hay riesgo, por tanto, de proyección de líquido sobre el operario y es innecesario el uso de gafas y mandiles de protección. No obstante, existe el riesgo de quemaduras por el contacto de la piel con puntos fríos. Para prevenir esto, hay unos guantes criogénicos a disposición del operario. Los puntos fríos se delatan por la condensación de la humedad ambiental, lo cual es un problema añadido debido al posible goteo de agua sobre aparatos electrónicos sensibles. Normalmente los puntos fríos se evitan mejorando el aislamiento. Un punto frío problemático es el causado por el nitrógeno gaseoso frío generado en los condensadores de los criostatos en su camino al venteo. Para solucionar este punto frío se hace circular el nitrógeno gaseoso frío por una tubería estructural (F3-2), térmicamente acoplada al ambiente, y, además, calentada eléctricamente mediante resistencias. Las válvulas de alimentación de nitrógeno líquido (E1-12) y (E1-21), pese a estar aisladas, son también dos puntos fríos y deben ser manipuladas con los guantes criogénicos. Otros puntos fríos, como la electroválvula de llenado de nitrógeno líquido (F3-3) son de difícil acceso. El riesgo más preocupante de una instalación criogénica es el de asfixia. Por ello, tanto el nitrógeno como el argón gaseosos producidos en la instalación son conducidos al exterior a través de líneas de venteo. La relación de volúmenes entre la fase gaseosa y la líquida es del orden de 600 para el nitrógeno ó argón líquido. Un pequeño vertido de líquido produce un gran volumen de gas que puede ser peligroso en el relativamente reducido recinto de la IR02. Para evitar roturas accidentales que den lugar a vertidos, las presiones de trabajo deben estar limitadas. Por ello, todos los volúmenes criogénicos aislables están protegidos por válvulas de seguridad. El depósito grande de 450 litros posee dos válvulas de seguridad en paralelo taradas a 20 bares. La tubería de carga de nitrógeno líquido (F1-2) está protegida por la válvula (F8-1) tarada a 4 bares. El criostato de nitrógeno líquido (F1-3), las líneas de distribución (F4) y los condensadores constituyen un único volumen puesto

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que están unidos por la tubería de nitrógeno gaseoso (F3-2). Este volumen está protegido por la válvula (F2-1) tarada a 2 bares. Ambos criostatos de argón líquido poseen una válvula de ruptura (E1-15), (E1-16) que se abre con una diferencia de presión de 0,5 bares. Estas válvulas conducen a un volumen común protegido por una válvula de seguridad (F2-3) tarada a 1 bar. De forma completamente independiente, un sistema de seguridad, instalado por la firma L´Air Liquide, proteje al personal frente al riesgo de asfixia. Este sistema consta de dos partes, por un lado un extractor de aire (F8-2) limpia la parte inferior de la instalación mediante una red de tubos (F1-8) que extraen el aire del suelo del local y lo expulsan al exterior. Por otra parte, un par de sensores (F8-8) monitorizan la concentración de oxigeno en el aire. El sistema se completa con un armario de electrónica y con una alarma acústica y luminosa dentro del local y fuera, en el pasillo de acceso. Si la concentración de oxígeno en el aire baja de un 19% se activa un primer nivel de alarma poniéndose en marcha el extractor. Si la concentración baja del 18%, se activan las alarmas acústicas y luminosas. El extractor se pone automáticamente en marcha, durante una hora, en las últimas horas de la noche, previas a la llegada del personal por la mañana. La seguridad de la instalación se completa con un equipo de respiración autónomo situado, fuera de la instalación, en un armario en el pasillo de acceso, y con señales de advertencia del peligro. La norma de actuación del personal frente a una alarma de gas es simple, evacuar inmediatamente la instalación conteniendo la respiración. El tiempo de evacuación ha de ser menor que 10 segundos. Todo el personal que trabaja en el detector de argón líquido está entrenado tanto en la maniobra de evacuación como en el uso del equipo de respiración autónomo. 5- Maniobras criogénicas Un factor de seguridad importante es definir las posibles maniobras criogénicas que se puedan realizar con el sistema de forma que cada una de ellas tenga un procedimiento establecido y un protocolo de actuación en caso de anomalía. 5.1 Llenado del depósito EuroCyl de nitrógeno líquido. (LN2) Esta es una tarea que realizan los técnicos de L´Air Liquide, estos conectan un tubo, suministrado por ellos, entre su furgoneta cisterna, situada en el exterior del edificio, y la entrada de carga del depósito EuroCyl. Antes de que procedan al llenado se debe cerrar la válvula (F8-4) de alimentación de LN2 a nuestro sistema y la válvula (F8-5) para evitar la salida de gas frio a través del control automático de presión. Los técnicos de L´Air Liquide abren las válvulas de llenado (F8-6) y de rebose (F8-7) y proceden a la recarga del depósito. Cuando el LN2 sale al exterior por la válvula de rebose el depósito está lleno. Cierran la válvula de rebose (F8-7) y es conveniente, para cargar el máximo LN2 posible, que presurizen el depósito continuando la carga de LN2 con la válvula de rebose cerrada. Al alcanzar unos 3 bares, cierran la valvula de llenado y retiran la tubería. Al terminar no debemos olvidar abrir las válvulas (F8-4) de alimentación de LN2 y (F8-5) de control de presión. Si, por error, la válvula (F8-5) queda cerrada, la presión del EuroCyl sube hasta los 20 bares de las válvulas de seguridad. Para rebajar la presión se debe abrir la válvula de rebose (F8-7).

11

5.2 Llenado del criostato CF9524 de nitrógeno líquido. (LN2) El estado inicial se supone que es con todos los circuitos en caliente, con el control de llenado de LN2 desactivado y con LN2 disponible en el depósito EuroCyl, al menos 100 litros. Antes de proceder asegurarse que la válvula de venteo del circuito de nitrógeno gaseoso (E1-5) está abierta y de que las válvulas de distribución de LN2, (E1-12) y (E1-21), estén cerradas. Procedimiento: Abrir la válvula manual (F8-4) de dispensado de LN2 del depósito, la tubería de transvase del depósito al criostato de LN2 se presurizará con nitrógeno gaseoso. Si esta presión es mayor que la de tarado de la válvula de seguridad (F8-1) de dicha tubería (4 bares) se producirán pérdidas de LN2. Disminuir, en este caso, la presión del depósito, ajustando el punto de apertura de la válvula (F8-3), hasta situarla por debajo de la presión de tarado. Poner el interruptor del control de LN2 en modo automático, el chivato de la electroválvula de llenado (F3-3), que se encuentra en su controlador (F5-5), se debe encender, la electroválvula se debe abrir y debe comenzar el llenado de nitrógeno líquido. El llenado dura hasta que el sensor de nivel de LN2 superior del criostato se activa, se apaga entonces el chivato y se cierra la electroválvula. Si a pesar de haberse llenado el criostato, el chivato no se apaga, entonces entra en acción el nivel de LN2 de seguridad, el cual desconecta y cierra la electroválvula de entrada de LN2. Este caso indicaría un fallo en el control de llenado de LN2 que sería necesario corregir. Con esto queda completado el procedimiento. El control automático de llenado de LN2 abre periódicamente la electroválvula de llenado para, cuando el nivel baja hasta el sensor inferior, rellenar con LN2 el criostato. 5.3- Llenado de un criostato CF1618 de argón líquido. (LAR) El estado inicial se supone que es con ambos circuitos de LAR en caliente, con el control de llenado y transvase de LAR desactivado y con LN2 disponible en su criostato. Antes de proceder asegurarse que las válvulas de venteo de los circuitos de nitrógeno y argón gaseoso están abiertas y de que las válvulas de distribución de LN2, (E1-12) y (E1-21), foto 4, estén cerradas. Procedimiento: Se realiza vacío en el criostato de LAR, de medida ó auxiliar, a llenar. Mediante las válvulas (E1-13), (E1-22) se puede usar este vacío para purgar el aire de las lineas del circuito de gases. Una vez conseguido un vacío aceptable (10-4 – 10-5 mbares) se abre la válvula de distribución de LN2, (E1-12) ó (E1-21), correspondiente al criostato de LAR a llenar. Se controla la temperatura en el condensador del criostato, cuando baje a unos 100 ºK se procede con el llenado. Para ello se abre la botella de gas y se establece una presión de salida del manorreductor de la botella de 0,8 bares relativos en caso de llenado directo o de 1,8 bares relativos en caso de llenado a través del purificador OXISORB. Se dispone el circuito de gases de la siguiente manera: en caso de llenado directo se abre la válvula de llenado, (E2-3) ó (E2-8), del criostato correspondiente y se cierran las demas. En caso de llenado a través del purificador se abre la válvula de llenado del criostato contrario y ambas válvulas de purificación, (E2-4) y (E2-9). Por último, se cierra la válvula de venteo del circuito de argón gaseoso (E1-8) y se rompe el vacío abriendo la válvula, (E1-13) ó (E1-22), de entrada de gas del criostato correspondiente y se activa la electroválvula de entrada de gas (E2-1) poniendo el interruptor (F11-1) del panel de control de llenado en la posición GAS IN. El gas penetra en el criostato incrementándose la presión hasta el nivel de disparo (unos 1640 mBar absolutos) fijado en el dispositivo de medida de presión (F2-9). Entonces se apaga el LED de presión baja (F11-4) y se cierra la electroválvula de

12

entrada de gas (E2-1), estabilizándose la presión. El condensador enfría y condensa el gas, la presión en el interior se reduce hasta alcanzar una presión de 1600 mbar, entonces se abre de nuevo la electroválvula de entrada de gas (E2-1) y se enciende el LED correspondiente (F11-4). Este mecanismo mantiene la presión en un valor medio de 1620 mBar, con una histeresis de ±20 mBar. Al llenarse de gas el criostato, la temperatura del condensador sube hasta unos 220 ºK para ir bajando paulatinamente, hasta unos 190 ºK, a medida que se enfria el gas y se empieza a condensar. El llenado del criostato prosigue bién hasta que se alcance el nivel de argón líquido adecuado, o bién hasta que el suministro de argón gaseoso se agote, en cuyo caso se cambia la botella de argón, se purga el sistema de gases y se reanuda el llenado. El control del nivel de llenado se puede realizar de dos formas, bien mediante las señales de los sensores de nivel de ambos criostatos o bien controlando la cantidad de argón que se introduce en el criostato. Para esto último, se cuenta el número de botellas de argón presurizado usadas en la carga, ó, si no han sido completamente vaciadas, la parte proporcional a la presión final con respecto a la presión de carga (200 bares). Cada botella grande tamaño B50 tiene una carga de 10,5 m3 de gas en condiciones normales, lo que equivale a unos 15 litros de gas licuado. Hacen falta, por tanto, unas 4 botellas para llenar un criostato. La dinámica del llenado se presenta en la figura 1, que muestra un llenado parcial del criostato auxiliar. Para esta prueba se dispuso el medidor capacitivo de nivel en el fondo del criostato. La figura muestra, en función del tiempo, la temperatura de la parrilla del condensador y la capacidad del medidor de nivel en función del tiempo.

LLENADO DEL CRIOSTATO AUXILIAR

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0

min

Tem

per

atu

ra d

e la

par

rilla

(K

)

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

10,5

Cap

acid

ad d

el n

ivel

(n

F)

Al principio el criostato está caliente y en vacío. Al abrirse la válvula de LN2, en el tiempo cero, la temperatura baja rápidamente, en 20 minutos, hasta 110ºK. A continuación se llena de gas el criostato, hasta una presión de 1640 mbar. La temperatura asciende entonces hasta 200 ºK. El gas del fondo del criostato, donde está el nivel, se enfria rapidamente, aumentando su densidad y permeabilidad. Esto explica el escalón inicial del valor de la capacidad. Los picos de la gráfica se deben a que cada cierto tiempo (35-40 minutos) el criostato de LN2 alcanza su nivel mínimo y se rellena abriéndose la válvula (F3-3) de

13

repostaje del depósito. Durante los 3 minutos del rellenado el flujo de LN2 a los condensadores se corta y sube la temperatura de la parrilla y la presión del gas. A medida que avanza el tiempo el gas se va licuando y el nivel de argón líquido aumenta. A los 160 minutos el nivel alcanza la parte inferior del sensor capacitivo y a partir de entonces la capacidad aumenta linealmente con el nivel y con el tiempo. A los 450 minutos el sensor es cubierto completamente por el argón líquido y, aunque el gas sigue condensándose, la capacidad del sensor se estabiliza. El percance sucedido a los 360 minutos fué debido al vaciado de la botella de argón comprimido y a su sustitución. 5.4-Transvase de argón líquido de un criostato a otro. Supongamos que en el estado inicial, un criostato está lleno de argón líquido y el otro abierto y a temperatura ambiente. Los controles de llenado y transvase están desactivados y el circuito de LN2 esta activo enfriando el criostato lleno. El primer paso es cerrar el criostato de destino y hacer vacío en el para extraer el aire de su interior. Una vez conseguido un vacío aceptable (10-4 – 10-5 mbares) se permite el paso de LN2 a traves de la válvula correspondiente, (E1-12) ó (E1-21), y se rompe el vacío, llenando el criostato de argón gaseoso a una presión constante de 1600 mbares. Se enfría el criostato de destino hasta que el argón gaseoso empieza a condensarse, se cierra la válvula de entrada de gas, (E1-13) ó (E1-22), y se espera a que la presión en el criostato destino baje y se iguale a la del criostato origen. Entonces se procede con el transvase según uno de dos modos posibles. En el primer modo el trasvase se realiza a traves del sistema de gases con el argón en forma gaseosa. Se abren ambas válvulas, (E1-13) y (E1-22), de conexión al sistema de gases y (E2-3) y (E2-8) del sistema de gases, de forma que los volúmenes gaseosos de ambos criostatos queden comunicados. Se cierra la válvula de refrigeración de LN2, (E1-12) ó (E1-21), del criostato origen. Al calentarse el condensador del criostato origen, el argón líquido contenido en el se evapora pasando al criostato destino donde se condensa en la parrilla refrigerada con LN2. Este proceso se acelera calentando el LAr del criostato origen, para ello se pone el interruptor (E4-SW6) en posición 220 CALEFAC y el interruptor (E4-SW1) señalando al criostato origen CALEFACTOR CAM ó CALEFACTOR AUX. En este modo, el transvase puede hacerse a través del cartucho purificador OXISORB. Para ello se cierran las válvulas (E2-3) y (E2-8) y se abren las válvulas (E2-4) y (E2-2) del sistema de gases. Este modo de transvase es lento y energeticamente ineficiente. En el segundo modo el trasvase se realiza directamente con el argón en forma líquida. Para ello se abre la válvula (E1-17) con lo que ambos criostatos quedan comunicados a través de un tubo que termina en sus respectivos fondos. Se cierra la válvula de refrigeración de LN2, (E1-12) ó (E1-21), del criostato origen. Al ser privado de refrigeración, el gas del criostato origen comienza a aumentar su presión, la cual empuja al argón líquido, por efecto sifón, a traves del tubo de comunicación con el criostato destino. El LAr enfría el tubo vaporizándose, para condensarse en el criostato destino que está refrigerado por LN2. Cuando el tubo está lo suficientemente frio, el LAr empieza a pasar directamente. El proceso de transvase puede acelerarse incrementando la presión en el criostato origen. La presión se incrementa calentando el LAr con la resistencia del fondo, como en el caso anterior, o bién introduciendo argón gaseoso fresco directamente.

14

5.5- Vaciado del detector. El vaciado y calentamiento del detector se consigue cerrando la entrada de nitrógeno líquido (F8-4). Las válvulas manuales de venteo (E1-5; E1-8) han de estar abiertas. El controlador de la electroválvula de entrada de nitrógeno líquido (E4-JC2) ha de estar desactivado o apagado.

15

6- Esquemas E1- Sistema criogénico

DepósitoLAr

DepósitoLAr

DepósitoLN2

Nivel

Condensador Condensador

LN2 4 atm

Vacio

Trans GArTrans GAr

LN2LN2

GN2

Control de presión GN2

RupturaRuptura

Detector de Argón LíquidoSistema criogénico

Version 5 2-Febrero-2009

Electroválvula

Sistema de gases

Alivio manual GN2

Alivio manual GArVentilación

Válvula de seguridad GN2

Válvula de seguridad GAr

Valvula UHV Valvula UHV

P

Valvula UHV

Límite de presión GAr

Válvula de seguridad LN2

Valvula UHV Valvula UHV

Sistema de gases

Manómetro

PManómetro

1

5

6

7

2

3

48

9

10

12

15

14

13

11

16

18

17

19

21

20

22

ESQUEMA 1

P P23 24

25

2628

27

E2- Sistema de gases

Detector de Argón LíquidoSistema de gases Version 4 13-Mayo-2008

Purificador OXISORB

P

FF

Vacío

Manómetro

Gas auxiliar

Criostatoauxiliar

Ventilación

Criostatode medida

Argón

FlúxmetroFlúxmetro

3

4E1-13 9

8

1

11

105

132

12 6

E1-22

7

Electroválvula

ESQUEMA 2

16

E3-Hojas 1 y 2. Cableado del detector

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

CONTROL DE LA CRIOGENIA

A

1 2Tuesday , Nov ember 10, 2009

P1

PANEL_DE_CONTROL

220-U220-V

CAL_AUX_VCAL_CAM_VCAL_AUX_UCAL_CAM_U

GAS_IN_UGAS_IN_V

RELE_PRESIONLAR_CAM_INLAR_AUX_INNIVEL_AUX_INGNDSENSOR_NIVELVCC

RELE_PRESION_P

220-V220_CAL_GN2_A

220_CAL_GN2_OUT12 VCC

220_CAL_GN2_AUX

TEMP_GN2_AUXTEMP_GN2_VCCTEMP_GN2_OUT

220_CAL_GN2_CAMTEMP_GN2_CAM

V1

220V AC

R1CALEFACTOR CAMARA

R2

CALEFACTOR AUXILIAR

L2

VALVULA GAR

TOPLOWALARMGND GND

LAR_CAMLAR_AUX

FULL_AUX

VAL_UVAL_V

220_U220_V

JC1

CONTROLADOR_JC

G O

S4

NIVEL_FULL_AUX

G O

S5

NIVEL_LAR_AUX

G O

S6

NIVEL_LAR_CAM

C2

RELE PRESION

GNDGND

C21

220 TEMP

C15

NIV LAR AUX SUP

C16

NIV LAR AUX INF

C17

NIV LAR CAM INF

C27

TEMP COND CAM

C3

220 CAL AUX

C4

220 GAS IN

C5

220 CAL CAM

C28

TEMP COND AUX

220_U220_V GND

12VDC

PW1

12VDC

GNDGND

C22

220 NIV TEMP

C1SENSOR DE NIVEL

GNDGND

C23

220 MAIN PANEL

C26

220 CAL GN2 OUT

T8 GNDGND

C35

TEMP_GN2_OUT

T5

T1

PT100_CAM

T2

PT100_AUX

T6

1S1P2S2P 22

0_U

220_

V

P1A

TEMP_CAM

R4

RES GN2 OUT

Controlador criogénico de Argón líquido

GNDGND

C24

220 PRESION

1S1P2S2P 22

0_U

220_

V

P1B

TEMP_AUX

T3

PRESION CAM

T4

PRESION AUX

U1 MEMBRANOVAC DM12

GNDGND

C29

TEMP_GN2_AUX

U2 MEMBRANOVAC DM12

GNDGND

C30

TEMP_GN2_CAM

C31

220_CAL_GN2_CAM

C32

220_CAL_GN2_AUX

R5

RES GN2 CAM

R6

RES GN2 AUX

C6

12V MAIN PANEL

C7

SENSOR NIVEL

220-U

C8

NIVELES LAR

220-V

GNDGND

C18

220 NIV LAR

GNDGND

C20

220 CRIOGENIA

L1 VALVULA LN2

TOPLOWALARMGND GND

LAR_CAMLAR_AUX

FULL_AUX

VAL_UVAL_V

220_U220_V

JC2

CONTROLADOR_JC

G O

S1

NIVEL_ALTO

G O

S2

NIVEL_BAJO

G O

S3

NIVEL_ALARMA

C10

NIVELES LN2

C11

NIV LN2 INF C9

220 LN2 IN

C12

NIV LN2 ALARM

C13

NIV LN2 SUP

1 5

4 8

T7

TR_220_110

GNDGND

C19

220 NIV LN2

L3 VALVULA GN2 CAM

L4 VALVULA GN2 AUX

C33

110_GN2_CAM

C34

110_GN2_AUX

220-V

220-U

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

CONTROL DE LA CRIOGENIA

A

2 2Thursday , September 03, 2009

17

E4- Hojas 1 y 2. Panel de control

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

PANEL_DE_CONTROL

A

1 2Monday , March 02, 2009

SW1

SW DPDT

IN+

3

IN-

4O

UT

PU

T2

OU

TP

UT

1

LS1

EZ

-240

-D5 IN

+3

IN-

4O

UT

PU

T2

OU

TP

UT

1

LS2

EZ

-240

-D5

IN+

3

IN-

4O

UT

PU

T2

OU

TP

UT

1

LS3

EZ

-240

-D5

IN+

3

IN-

4O

UT

PU

T2

OU

TP

UT

1

LS4

EZ

-240

-D5

DS3 CA

LEF

AC

TO

R A

UX

DS4

CA

LEF

AC

TO

R C

AM

220-U 1

220-V 2

TEMP_GN2_OUT

LAR_CAM_IN

TEMP_GN2_VCC

LAR_AUX_IN

TEMP_GN2_GND

NIVEL_AUX_IN

CAL_AUX_V6

CAL_CAM_V4

CAL_AUX_U5

GND 11

CAL_CAM_U3

SENSOR_NIVEL 12

220-U

220-V SW6

SW DPDT

CAL_GN2_OUT

12 VCC

J2-1

D5

NIVEL CAM BAJO

910R5

CAL_GN2_CAM

RELE_PRESION_P

VCC

GAS_IN_U7

GAS_IN_V8

CAL_GN2_AUX

DS5

GA

S_I

N

RELE_PRESION J2-2

GND 9

SW2

SW SPDT

Controlador criogénico de Argón líquido

D1

CRIO AUX CON LIQUIDOD2

NIVEL AUX BAJOD3

CRIO CAM CON LIQUIDO

NIVEL DE ARGON EN CAMARA

D4

PRESION BAJA

910R1

CAL_GN2_GND

VALOR

910R2

910R3

NIVEL AUX

LIMITE

NIVEL CAM

910R4

220 GAS IN

220 CALEFAC

CALEFACTOR AUX

CALEFACTOR CAM

OFFOFF

TEMP_GN2_AUX

TEMP_GN2_CAM

V

M1

DIGITAL 0-1V 000-199

V

M2

ANALOGICO 0-200mV

CI

CIRCUITO_IMPRESO

VCC0

SENSOR_NIVELLAR_CAM_INLAR_AUX_INNIVEL_AUX_IN

LAR_AUX_OUTNIVEL_AUX_OUT

VOLT_DIG_SIGVOLT_ANA_SIGLAR_CAM_OUT

NIVEL_CAM_OUTNIVEL_CAM_SET

VOLT_POWER

TEMP_GN2_AUXTEMP_GN2_CENTEMP_GN2_OUTTEMP_GN2_CAM

CAL_GN2_OUTCAL_GN2_CAMCAL_GN2_AUXCAL_GN2_CEN

TEMP_GN2_VCCTEMP_GN2_GND

CAL_GN2_GND

SW3

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

PANEL DE CONTROL

A

2 2Monday , March 02, 2009

DS7

CA

LEF

AC

TO

R G

N2

OU

T

220-V

220-U

IN+3

IN-4

OUTPUT2OUTPUT1

LS5

EZ-240-E6

IN+3

IN-4

OUTPUT2OUTPUT1

LS6

EZ-240-E6

DS8

CA

LEF

AC

TO

R G

N2

CA

M

DS9

CA

LEF

AC

TO

R G

N2

AU

X

220_CAL_GN2_CAM

220_CAL_GN2_AUX

220-V

220-V

IN+3

IN-4

OUTPUT2OUTPUT1

LS7

EZ-240-E6

CAL_GN2_CAM

CAL_GN2_AUX

220_CAL_GN2_OUT

220-V

CAL_GN2_GND

18

E5- Hojas 1 y 2. Circuito impreso del panel de control

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

CIRCUITO IMPRESO

A

1 4Tuesday , October 28, 2008

GND

1

OUTPUT3

CONTROL5

THRESHOLD6

DISCHARGE7

VCC

8

TRIGGER2

RESET4

U1

555C

+3

-2

V+7

V-4

OUT6

B25

B11

U2

LF355/NS

+3

-2

V+7

V-4

OUT6

B25

B11

U3

LF355/NS

D1D1N4448

D2D1N4448

Q1

Q2N222210nC1

220nC2

10kR1

2kR2

470kR3

1megR4

10kR5

2k

R6

10k

R7

10k

R8

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

VCC

J1-1

0

J1-2

V112Vdc

VCC

SENSOR_NIVEL

J1-3

0

+ IC= 11.5

PERIODO

Controlador criogénico de Argón líquido

LA CAPACIDAD C1 EMULA AL SENSOR DE NIVEL EN LA SIMULACION DE P-SPICE.EL VALOR DE C1 VARIA DESDE 6.5 nF SIN LAR HASTA (6.5x1.53) nF CON EL SENSOR CUBIERTO DE LAR.

+ IC= 0

+3

-2

V+

4

V-11

OUT1

U4A

LM324/NS

NIVEL_CAM

VCC

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

CIRCUITO IMPRESO

A

2 4Tuesday , October 28, 2008

+10

-9

V+

4

V-11

OUT8

U4C

LM324/NS

+12

-13

V+

4

V-11

OUT14

U4D

LM324/NS

+5

-6

V+

4

V-11

OUT7

U4B

LM324/NS

Q2

Q2N2222

Q3

Q2N2907

470nC3

10uC4

30kR9

10kR10

15kR11

470kR12

9.35kR13

6.45kR14

12k

R15

12kR16

10k

R17

VCC

VCC

VCC

VCC VCC

VCC

D3

D1N4448

PERIODO

R46130k

Controlador criogénico de Argón líquido

12k

R18

1.3kR47

8.2k

R19+ IC= 4

El valor real de R13 y R14 es de 9k1 y 6k2, entre e llos hayun potenciómetro, no dibujado por compatibilidad co n P-Spice,

de 500 ohmios, que se supone centrado y que añade 2 50 ohmiosa cada resistencia.

El voltaje del cursor del potenciómetro aumenta al girar eltornillo a derechas.

+ IC= 4

47uC7

19

E5- Hojas 3 y 4. Circuito impreso del panel de control

R438.2k

R448.2k

VOLT_POWER

J1-12

20kR26

10kR27

R3913k

R4013k

R4113k

R4213k

R285k

Q4 Q2N2222

Q5 Q2N2222 Q6 Q2N2222

Q7 Q2N2222

VCC

VCC

R311.3k R32

1.3k

R3318k

R3418k

VCC

NIVEL_CAM_SET

J1-6

R458.2k

VCC

VCC

VCC

+ C5CAP POL

+ C6CAP POL

R37

110k

R3511k

R364.3k

VCC

El voltaje del cursor del potenciómetro

aumenta al girar el tornillo a derechas.

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

CIRCUITO IMPRESO

A

3 4Monday , September 28, 2009

11

1013

312

-

+

U5D

LM339

5

42

312

-

+

U5B

LM339R38

15k

9

814

312

-

+

U5C

LM339

7

61

312

-

+

U5A

LM339

IN3

OUT1

U6

7806/TO92

NIVEL_CAM

LAR_CAM_IN

J2-2

NIVEL_AUX_IN

J2-4

LAR_AUX_IN

J2-3

LAR_AUX_OUT

J1-8

NIVEL_AUX_OUT

J1-11

VOLT_DIG_SIG

J1-5

VOLT_ANA_SIG

J1-4

R5968k

R6068k

LAR_CAM_OUT

J1-7

NIVEL_CAM_OUT

J1-10

VCC

VCCVCC

VCCVCC

TEMP_GN2_VCC J3-11

TEMP_GN2_GND

J3-10

VCC

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

CIRCUITO IMPRESOA

4 4Monday , Nov ember 03, 2008

7

61

312

-

+

U7A

LM339

5

42

312

-

+

U7B

LM339

9

814

312

-

+

U7C

LM339

11

1013

312

-

+

U7D

LM339

Q8

Q2N2222

Q9

Q2N2222

Q10

Q2N2222

Q11

Q2N2222

R4810K

R4910K

R5010K

R5110K

R5213K

R5313K

R5413K

R5513K

R56

500

VCCVCC

VCCVCC

VCC

VCCVCC

VCC VCC

CAL_GN2_CAM

J3-4

CAL_GN2_AUX

J3-5

CAL_GN2_CEN

J3-2CAL_GN2_OUT

J3-3

TEMP_GN2_OUT

J3-7

TEMP_GN2_CEN

J3-6

TEMP_GN2_AUX

J3-9

TEMP_GN2_CAM

J3-8

CAL_GN2_GND

J3-1

R57

2k4

R5812k

20

7- Fotos F1 Vista general

1. Polipasto. 2. Tubería de entrada de nitrógeno líquido. 3. Criostato de nitrógeno líquido. 4. Criostato de medida. 5. Depósito EuroCyl de nitrógeno líquido. 6. Criostato auxiliar. 7. Extintor. 8. Tubo de evacuación de gases de seguridad

1

3

4

5

6

2

7

8

21

F2 Válvulas de alivio

1. Válvula de seguridad del circuito de nitrógeno. 2. Manómetro del circuito de argón. 3. Válvula de seguridad del circuito de argón. 4. Controlador de presión del circuito de nitrógeno. 5. Válvula de alivio del circuito de nitrógeno. 6. Controlador de presión del circuito de argón. 7. Válvula de alivio del circuito de argón. 8. Controlador del manómetro de alto vacío. 9. Controlador de los manómetros de presión.

1

3

4

5

6

2

7

8

9

22

F3 Parte superior del criostato de LN2

F4 Línea de distribución de LN2

1- Transformador 220-110

3- Electroválvula de carga de

4- Manómetro de GN2

5- Pasamuros de señales de nivel

6- Tubo de entrada de LN2

2- Tubo nitrógeno gaseoso

7- Criostato de LN2

1- Válvula de LN2 (Auxiliar)

2- Válvula de LN2 (Medida)

23

F5 Línea de vacío.

1- Controlador de termómetros criogénicos (Cryocon 14). 2- Válvula de alto vacío para los cuellos de los criostatos. 3- Controlador de niveles de LAr (JC-Controls). 4- Cabezal de medida de alto vacío. 5- Controlador de niveles de LN2 (JC-Controls). 6- Bomba turbomolecular de alto vacío. 7- Bomba de membrana seca de vacío previo.

1

3

4

5

6

2

7

8

24

F6 Vista superior del criostato de medida

1- Válvula de alto vacío. 2- Válvula de seguridad. 3- Entrada/Salida de LN2. 4- Línea de transvase entre criostatos. 5- Entrada de gases. 6- Conexión del vacío de aislamiento. 7- Pasamuros de señales de niveles y temperaturas.

1

3

4

5

6

2

7

25

F7 Vista superior del criostato auxiliar

1- Válvula de alto vacío. 2- Válvula de seguridad. 3- Conexión del vacío de aislamiento. 4- Línea de transvase entre criostatos. 5- Entrada/Salida de LN2. 6- Pasamuros de señales de niveles y temperaturas. 7- Entrada de gases.

1

3

4

5

6

2

7

26

F8 Parte superior del depósito de 450 litros de nitrógeno líquido.

1- Válvula de seguridad de la tubería de alimentación de LN2. 2- Bomba de extracción de seguridad. 3- Controlador de la presión del depósito. 4- Válvula manual de alimentación de LN2. 5- Válvula de cierre del controlador de presión. 6- Válvula manual de llenado del depósito. 7- Válvula manual de rebose del depósito. 8- Detector de concentración de O2 en aire. 9- Manómetro. 10- Indicador de nivel.

1

4

5

6

8

3

9

10

2

7

27

F9 Sistema de distribución de gases

1- Manovacuómetro (E2-7). 2- Toma de vacío (E2-6). 3- Medidor de flujo (E2-2). 4- Electroválvula de entrada de gas (E2-1). 5- Entrada de gas al circuito de medida (E2-3). 6- Entrada de gas al circuito auxiliar (E2-8). 7- Venteo del circuito de medida (E2-5). 8- Venteo del circuito auxiliar (E2-10). 9- Purificación del circuito de medida (E2-4). 10- Purificación del circuito auxiliar (E2-9).

1

3

4

5

6

2

7

8

9

10

28

F11 Panel de control.

1- Interruptor principal (E4-SW6). 2- Selección del calefactor (E4-SW1). 3- Control de la entrada de gas (E4-SW2). 4- Indicador de presión baja en ambos criostatos (E4-D4). 5- Criostato de cámara con LAr en el fondo (E4-D3). 6- Criostato auxiliar con LAr en el fondo (E4-D1). 7- Nivel de LAr de cámara bajo (E4-D5). 8- Nivel de LAr auxiliar bajo (E4-D2). 9- Nivel analógico de LAr en cámara (E4-M2). 10- Testigos de los calefactores de GN2. (E4-DS7,8,9) 11- Nivel digital de LAr en cámara (E4-M1). 12- Selección de lo mostrado en el nivel digital (E4-SW3).

1

3 4 5 6

2

7 8 9 10 11 12

29

F12 Parte trasera del panel de control

1- Regleta de entrada/salida. 2- Interruptor de estado sólido principal (E4-LS1). 3- Cable plano de niveles de argón (E3-C8). 4- Interruptor del calefactor de la cámara (E4-LS2). 5- Interruptor del calefactor auxiliar (E4-LS3). 6- Cable coaxial del sensor de nivel (E3-C7). 7- Interruptor de entrada de gas (E4-LS4). 8- Neones testigos de los calefactores de GN2 (E4-DS7,8,9).

1

3

4

5

6

2

7

8

30

F13 Circuito impreso

1- Circuito 555. (E5-U1). 2- Condensador de conversión tiempo voltaje (E5-C3). 3- Transistor de salida (E5-Q5). 4- Amplificador FET LF355 (E5-U3). 5- Transistor de salida (E5-Q6). 6- Amplificador cuádruple LM324 (E5-U4). 7- Comparador cuádruple LM339 (E5-U5). 8- Transistor de salida (E5-Q7). 9- Resistencia de ajuste de ganancia(E5-R28). 10- Resistencias de resta de pedestal (E5-R13+R14). 11- Transistor de salida (E5-Q4). 12- Amplificador FET LF355 (E5-U2).

1

3

4

5

6

2

7

8

9

10 11

12

31

8- Tablas Tabla 1 Correspondencia entre esquemas y fotos.

Esq 1 Esq 2 Esq 4 Esq 51 F8-1 1 F9-4 SW1 F11-2 U1 F13-11 F10-1 1 F11-11 SW2 F11-3 U2 F13-122 F3-4 2 F9-3 SW3 F11-12 U3 F13-43 F3-3 3 F9-5 SW6 F11-1 U4 F13-64 F1-3 4 F9-9 SW7 F11-10 U5 F13-75 F2-5 5 F9-7 D4 F11-4 R28 F13-96 F2-4 6 F9-2 D1 F11-6 C3 F13-27 F2-1 7 F9-1 D2 F11-8 R13+R14 F13-108 F2-7 8 F9-6 D3 F11-5 Q5 F13-39 F2-3 9 F9-10 D5 F11-7 Q4 F13-1110 F2-6 10 F9-8 M2 F11-9 Q6 F13-511 F2-2 11 LS1 F12-2 Q7 F13-812 F4-2 LS2 F12-413 F6-7 LS3 F12-514 F1-4 LS4 F12-715 F6-2 Esq 316 F7-2 P1A F5-117 F5-7 P1B F5-118 F6-1 U1 F2-919 F7-1 U2 F2-920 F1-6 JC1 F5-321 F4-1 JC2 F5-522 F7-5