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一种用于超导磁体 Nb3Al 传导的精确低温测量系统
摘要：精确的温度测量对超导磁体的安全性和稳定性非常重要。工作温度的轻微波动可能导致超导磁体不稳定。本文介绍了一种基于 C8051 微控制器和 Nb3Al 温度计的低温测量系统。在数据采集过程中，采用改进的加权平均算法的微控制
器单元的数字滤波器程序。可以有效降低噪声，同时测量三个不同位置点的温度， 三个通道之间没有干扰。设计系统可以测量400 K 到4.0 K 的温度，分辨率为1 mK。该系统将应用于传导冷却 Nb3Al 超导磁体。为了证明系统的可行性，进行了测试一种小型 NbTi 非绝缘超导磁体模型。结果表明，测量系统可靠并且测量的温度 是准确的。
关键词：精密温度测量，超导磁体，C8051 微控制器，加权平均算法
1 引言
托卡马克聚变反应堆中环形场线 圈的磁场越高，反应堆的性能就越好。由于近几十年来超导磁体技术的发展，国际热核实验反应堆（ ITER ）使用
Nb3Sn 超导体来制造磁体[1]。然而， 施加在 Nb3Sn 绞合线上的应力和应变可能导致高场下临界电流的急剧下降。临界电流的这种降低限制了磁场的强度。下一代超导体 Nb3Al 在高场下具 有出色的临界电流密度和更好的应力/ 应变容差[2]。虽然目前已经完成了许 多与
Nb3Al 的性能和生产有关的工作
[3,4]。但是，Nb3Al 超导磁体在国内的研究工作很少见[5]。
超导体的临界电流取决于温度和磁场。轻微的温度波动会导致临界电流下降，甚至可能导致超导磁体的淬火。所以保持温度稳定性非常重要。传导冷却超导磁体迫切需要高分辨率温度测量。于是很难确定是否当温度接近绝对零度冷却器的冷却极限时， 温度会下降。因此，超导磁体需要精确的温度测量系统。大多数超导磁体在 4.2K 的温度下
工作。温度传感器需要小体积和薄电流
引线，因此它将产生较少的热量而不影响超导的正常操作。本文设计并建立了一种灵敏度高， 稳定性好的温度测量系统，适用于传导冷却的 Nb3Al 超导磁体的工作温度监测。
2.温度测量系统设计
/mA。使用内部 Vref 时，它在 MCU 的
温度测量系统基于C8051F350 微控
Vref 引脚上驱动，Vref-引脚连接到
MCU 的AGND。MCU 还集成了内部24.5
制器单元（MCU）[6,7]和铂电阻温度计
（PtRT）。在该系统中应用三个 Pt100电阻器。在数据采集和处理过程中， 修改的加权平均算法应用于数字滤波器[8,9,10]。 他们可以同时测量三个不同位置点的温度。该系统非常灵敏， 可以测量 400K 至 4.0K 的温度，分辨率为 1 mK。
PtRT 的电阻值随温度而变化，并具有快速的热响应。同时这种电阻和温度关系在重复的热循环中是稳定的。不仅如此，它的体积还非常小，价格便宜。
MHz 振荡器，精度为plusmn;2％。集成了通用异步接收器/发送器（UART），它允许 MCU 和计算机之间的通信。
原理图电路设计
该系统包括三个 PtRT 。它们由
MCU 的 Vref 输出供电。三个 PtRT 的示意图如图 1 所示。三个 PtRT 通过四探针法连接以消除接触电阻。电压探头连接到 MCU 的 ADC 输入。图 1 中的
R1 和 R3 是精密电阻，用于限制电流。
R2 是 100�高精度薄膜芯片电阻器，用于测量流过 PtRT 的电流。
因此，在这个设计的系统中选择PtRT。
C8051F350 器件是一款完全集成的混合信号片上系统 MCU。它集成了一个带有 8 个模拟多路复用器的 24 位差分模数转换器（ADC）。该 ADC 包 含一个可编程增益放大器（PGA），其 八个增益设置高达 128 倍。 ADC 可以
对模拟信号进行采样而不会丢失代码。片上输入缓冲器可用于提供 7MOmega;的高输入阻抗，以便直接连接到敏感的 传感器。参考电压（Vref）为 2.45V， 并集成在 MCU 中。Vref 的温度系数为15ppm /℃。负载调节率为 0.5 ppm
图 1. PtRT 的原理图电路。在该系统中应用 Pt 100 电阻温度计（0°C 时
的电阻为 100 ）。
MCU 被编程为采样四通道模拟信
号。三个通道用于温度测量。一个通道用于电流测量。
当 MCU 的 ADC 输出就绪时，可以获得目标电压
其中，Vtarg 是 ADC 目标的电压。
Vref 是 ADC 的参考电压。 这里 Vref
是 2.45 V.ADtarg 是 ADC 值的输出。每
电流测量的精度由下式给出
如上所述，流过 PtRT 的电流随温度变化。高精度薄膜芯片电阻器 R2确保电流测量的精度。并且计算的电流值用于计算每个 PtRT 的电阻。消除了三种 PtRT 之间的干扰。该电路结构确
保了温度测量的准确性。
数据处理算法
个 PtRT 的电阻通过
本设计虽然采取了谨慎的策略来
其中，RPtRT是 PtRT的计算电阻。
VPtRT 是 PtRT 的电压。R2 是 R2 的阻值
（这里的值是 100 ）。 VR2 是 R2 的电压。然后从每个 PtRT 的电阻和温度之间的关系获得温度。
电路的总电阻随温度而变化。 总电阻从 16100 changes 变为 16550。流过电路的电流从 148.036A 变化到
152.174A。因此，Vref 的精度为 2ppm。
PtRT 产生的热量极低，约为 2.25W。它几乎不会影响超导磁体的温度。
ADC 有 24 位。 Vref 为 2.45V。 因此 ADC 的分辨率由下式给出
减少信号的振动，但噪声仍然存在且无法避免。计算出的温度可能偏离实际值。数据处理需要数字滤波器。
在该系统中优选修改的加权平均算法。该算法的示意过程如图 2 所示。即时新温度值（TNew）和最后平均温度值（TAvgOld）的权重系数分别为 0.02
和 0.98。然后通过将 TNew 和 TAvgOld 的加权值相加来获得新的平均温度值
（TAvgNew）。然后 TAvgNew 用作温度输出。这种改进的算法可以有效地消除噪声。在第 3 节中示出了应用算法之前和之后的计算温度值。
加权平均算法不能对急剧的温度波动做出快速响应。从图 2 中可以看出，一个技巧用于处理温度急剧变化的情况。如果 TNew 和 TAvgOld 之间的
误差超过 0.5K，则 TNew 值直接用作新测量值。这一技巧的可行性通过第 3 节中显示的测试结果进行了验证。
该算法在 MCU中实现。MCU 将AD 数据，每个 PtRT的电阻和每个 PtRT的计
气连接。图 1 所示电路中的总电阻随待测温度而变化。流过电路的电流也会变化。电流由高精度薄膜芯片电阻器监控。因此消除了电流变化对计算温度值的影响。
算温度值传送到计算机以进行进一步处理。MCU 可以通过 LCD 模块直接显示温度值。
建议的系统建立。电路板的照片如图 3 所示。尺寸为 65mmtimes;81mm。
PtRT 是薄膜 Pt 100 电阻温度计。电路
板中的 USB 接口用于为整个系统供电并与计算机通信。系统建成后，分别校准每个 PtRT 在电阻和温度之间的关系。
3.实验结果与讨论
进行测试以证明该方法的可行性。
PtRT1 和 PtRT3 放置在温度变化缓慢的地方。PtRT2的温度变化很快。图4显示了测试结果。PtRT1的温度曲线与图 4 中
PtRT3 的曲线重叠。很明显，三个 PtRT 的计算温度值不会相互干扰。这是因为在系统的三个测量通道中已经很好地实现了光电隔离。该系统可同时测量三个不同的温度点。从图 4中还可以看出，该系统可以快速响应温度波动。
图 4.三个 PtRT 通道之间无干扰的测试结果
实验还研究了该系统的噪声水平。图 5 显示了测试结果。空心符号是应用
进行测试以调查所呈现系统的性
修改后的加权平均算法后的结果，实体
符号是应用算法之前的结果。
能。如 2.1 节所述，三个 PtRT 串联电
三个 PtRT 的温度测量结果表明，通过
早的将来，该系统将应用于传导冷却
数字滤波器中提出的加权平均算法可以有效地降低该系统的噪声。 从图 5中右上角的局部放大曲线可以看出， 测得的温度分辨率可以达到 1mK。因此，使用所设计的系统，测得的温度
非常准确。
系统建成后，将对整个系统功能 进行调查。图 6 显示了实验室中三个不同位置的测量温度曲线。这个测试持续了 2 个多小时，但是图 6 中只显示了一个小时。由于周围的人走路，
PtRT2 的曲线急剧波动。三个 PtRT 无干扰地工作。该系统可以快速响应温度变化。
Nb3Al 超导磁体，以监测工作温度。预计它将在 Nb3Al 磁体应用中表现出良好的性能。
图 7.小型 NbTi 非绝缘超导磁体模型处于冷却过程时的温度测量曲线。
4．结论
本次设计提出了一种用于传导冷
图 6.实验室中测量的温度曲线该温度测量系统应用于小型 NbTi
非绝缘超导磁体模型。整个冷却过程持续了大约 10 个小时。拟议的系统一直稳定运行。小磁铁模型的最终温度约为 4.1K。结果如图 7 所示。可以看出温度曲线平滑且不存在波纹。在较
却 Nb3Al 超导磁体的精确温度测量系统的设计思想。该系统基于 C8051F350
MCU 和铂电阻温度计。三个 PtRT 串联连接。高精度薄膜芯片电阻器用于实时测量电流。MCU 通过内部24 位ADC 收集 PtRT 的电压和精密电阻。然后计算每个 PtRT 的电阻值。根据电阻与温度的关系，得到温度值。应用修改的加权平均算法来消除电噪声。
该系统的测量温度范围为 400K 至
4.0K。温度分辨率为 1 mK。测试结果表明三种 PtRT 之间的干扰很小。通过
算法也有效地消除了噪声水平。可以快速响应快速的温度变化，因此系统对温度的测量非常敏感。该
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