CERN LHC - Wielki Zderzacz Hadronów - CERN (2015-2018)
Koordynatorzy projektu w DAI:
Jaromir Ludwin, Piotr Jurkiewicz
e-mail: Jaromir.Ludwin@ifj.edu.pl, Piotr.Jurkiewicz@ifj.edu.pl
Pracownicy DAI zaangażowani w projekt:
Inżynierowie: Damian Wojas, Mikołaj Bednarski, Marcin Curyło, Andrzej Kotarba, Edward Górnicki
Technicy: Julian Chorążak, Marek Rachwalik, Piotr Topolski
Opis:
Dział Budowy Aparatury i Infrastruktury Naukowej (DAI) Instytutu Fizyki Jądrowej PAN bierze udział w trzech projektach mających na celu modernizację urządzeń pomiarowych używanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), to jest przyrządów do wysokonapięciowych testów izolacji obwodów nadprzewodzących (HVQ), zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze 1.9 K, systemu do weryfikacji połączeń nadprzewodzących po wymianie magnesów dipolowych (AIV) oraz modernizacja oprogramowania systemu pomiarowego TP4, używanego w testach obwodów nadprzewodzących LHC.
Modernizacja testera izolacji
Pierwszym krokiem w modernizacji wysokonapięciowego testera izolacji (High Voltage Qualification system – HVQ) było zaprojektowanie przez p. Rafała Kułagę z Akademii Górniczo-Hutniczej prototypu nowej karty do akwizycji danych (DAQ) w 2013 roku. Ze względu na nowe wymagania projektowe, oprogramowanie karty zostało zmodyfikowane oraz został stworzony nowy sterownik i testowa aplikacja. Po pomyślnym zakończeniu testów i modyfikacji oprogramowania istniejącego testera izolacji, nowa karta akwizycji danych została w nim zamontowana. Po wykonaniu serii testów wykazano przewagę nowej karty DAQ nad poprzednia jej wersją.
Ze względu na to, że cały system pomiaru izolacji ma być zmodernizowany, konieczne stały się niewielkie zmiany w nowej karcie DAQ. Drugi prototyp został wyprodukowany i przetestowany.
Głównymi elementami wielokanałowego, wysokonapięciowego testera izolacji są wysokonapięciowe przekaźniki, następnym krokiem było więc dobranie przekaźników zastępujących nieprodukowane już przekaźniki zastosowane w starej wersji testera. Nowe przekaźniki mają jednocześnie znacznie lepsze parametry. Moduł multipleksera został zaprojektowany jako dwie oddzielne płytki drukowane, aby rozdzielić m. in. przekaźniki i ich sterowanie.
Podczas projektowania płytek drukowanych szczególna uwaga została poświęcona minimalizacji prądów upływu wewnątrz urządzenia. Płytki drukowane oraz kompletny moduł zostały zmontowane w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN oraz przetestowane.
Kolejnym etapem modernizacji testera izolacji było zaprojektowanie i wyprodukowanie prototypów wszystkich pozostałych elementów: płyty głównej i jej kontrolera, kondycjonera sygnału, modułu bezpieczeństwa oraz modułu zasilania. Po wyprodukowaniu modułów zostały przeprowadzone testy mi. in. izolacji, wyznaczono częstotliwości odcięcia i rzeczywiste wzmocnienie.
Ostatecznie całość została zmontowana w kracie i przetestowana. Wykonano całościowy test prototypowego urządzenia, w tym sprawdzono kompatybilność z poprzednią wersją modułów multipleksera. Wyznaczono precyzję pomiaru prądu upływu oraz zachowanie testera w sytuacji krytycznej: zasymulowano przebicie izolacji mierzonego obwodu, przekroczenie limitu napięcia i awaryjne zatrzymanie pomiaru. Wszystkie zmierzone parametry mieściły się w założeniach projektu.
Aktualny etap projektu to produkcja dziesięciu egzemplarzy nowego wysokonapięciowego testera izolacji.
Modernizacja systemu do kontroli połączeń korekcyjnych magnesów nadprzewodzących
Kolejnym projektem, w którym udział bierze Instytut Fizyki Jądrowej PAN, jest modernizacja systemu pomiarowego do weryfikacji połączeń nadprzewodzących po wymianie magnesów dipolowych (Arc Interconnection Verification – AIV). System AIV jest kompletnym narzędziem do weryfikacji jakości połączeń elektrycznych obwodów magnesów korekcyjnych dipoli i kwadrupoli po wymianie magnesu dipolowego i, w konsekwencji, całego szeregu magnesów LHC. Nowa wersja systemu AIV opiera się na wielofunkcyjnym systemie pomiarowym TP4 i wykorzystuje wiele jego możliwości, w szczególności czteropunktowy pomiar oporu elektrycznego. W trakcie pomiarów AIV wykonywane są pomiary wielu obwodów w różnych konfiguracjach połączeń, konieczne jest więc użycie trzech demultiplekserów, aby zautomatyzować ten proces.
Ze względu na użycie czteropunktowej metody pomiaru z wykorzystaniem wielu kanałów pomiarowych, a więc wielu przekaźników, zdecydowano się na użycie półprzewodnikowych przekaźników sterowanych optycznie. Ich głównymi zaletami są niewielka moc do sterowania, stała rezystancja niezależna od ilości przełączeń i niewielkie wymiary.
Głównymi częściami systemu są trzy kraty. Krata gówna (która powstała z połączenia jednostki centralnej i środkowego demultipleksera) wyposażona jest także w zasilacz i dodatkowe komponenty konieczne do połączenia się z systemem TP4. Pozostałe dwie kraty (lewy i prawy demultiplekser) połączone są z kratą główną kablem zapewniającym zasilanie, dwukierunkową komunikację oraz połączenia pomiarowe.
Po zaprojektowaniu płytek drukowanych płyt głównych, demultiplekserów, modułów kontroli, łączności zasilania i ich wyprodukowaniu, całość została zmontowana.
Na rzeczywistym stanowisku testowym, gdy demultipleksery znajdują się na pozycjach pomiarowych, odległość pomiędzy prawą i lewą kratą wynosi ponad 100 metrów, koniecznym więc było wyposażenie systemu pomiarowego w odpowiednio długie kable. W tym celu częściowo wykorzystano kable oraz bębny transportowe pochodzące ze starej wersji systemu AIV. Pozostałe niezbędne kable zostały wyprodukowane.
Kolejnym krokiem było napisanie oprogramowania dla mikrokontrolera. Każdy demultiplekser komunikuje się z pozostałymi demultiplekserami dwukierunkowo oraz steruje przekaźnikami poprzez magistralę I2C. Dodatkowo, centralny demultiplekser komunikuje się z komputerem PXI, stanowiącym element systemu TP4 poprzez połączenie USB. Część oprogramowania mikrokontrolera jest wspólna z oprogramowaniem karty akwizycji danych systemu wysokonapięciowego testera izolacji (HVQ).
Aby wykonać całościowe testy demultiplekserów, został stworzony ich sterownik oraz aplikacja testowa. Sterownik umożliwia wykorzystanie komend zaimplementowanych w oprogramowaniu mikrokontrolera z poziomu aplikacji testowej, a sama aplikacja pozwoliła na przetestowanie poprawności przekazywania sygnałów pomiarowych poprzez demultipleksery. Następnie zostało skonstruowane stanowisko testowe, na którym system AIV został przetestowany.
W tym czasie miała miejsce wymiana jednego z magnesów w LHC, co stworzyło idealną okazję do przetestowania nowego systemu w warunkach rzeczywistych. Oprócz sprawdzenia ciągłości obwodów, dzięki zastosowaniu metody czteropunktowej było możliwe bardzo precyzyjne wyznaczenie oporu magnesów korekcyjnych. Testy zostały wykonane bez żadnych problemów i pozwoliły na kompletne sprawdzenie urządzeń pomiarowych.
Aktualny etap projektu to produkcja czterech kompletnych systemów pomiarowych.
Modernizacja oprogramowania pomiarowego
Trzecim projektem, w którym udział bierze Instytut Fizyki Jądrowej PAN jest modernizacja części oprogramowania systemu pomiarowego TP4.
Oprogramowanie systemu pomiarowego TP4 składa się z kilku części, wykorzystywanych do różnego rodzaju testów obwodów nadprzewodzących LHC. Jednym z najbardziej istotnych testów jest weryfikacja podłączeń urządzeń zabezpieczających do obwodów nadprzewodzących oraz do doprowadzeń prądowych. W czasie pomiaru, system testowy rejestruje serię spadków napięć pomiędzy parami podłączeń kontrolnych, zgodnie z ustalonym skryptem pomiaru. Na początku pomiar wykonywany jest bez zasilenia obwodu prądem, celem wyznaczenia termicznych spadków napięć. Następnie obwód jest zasilany prądem o stałym natężeniu i pomiar jest wykonywany kolejny raz. Na podstawie tych dwóch pomiarów obliczane są opory poszczególnych fragmentów obwodu i otrzymane wyniki są poddawane automatycznej ocenie. Modernizacja oprogramowania odpowiedzialnego za ten test polegała na zwiększeniu precyzji poprzez zastosowanie do pomiarów kilku różnych natężeń prądu (także ujemnych), wykonanie pomiarów spadków napięć i obliczenie oporów z wykorzystaniem regresji liniowej.
Kolejna modyfikacja oprogramowania TP4 dotyczyła testów wykonywanych na oprzyrządowaniu każdego magnesu dipolowego i kwadrupolowego LHC. Aplikacja została zmodernizowana poprzez wprowadzenie nowego rodzaju pomiaru czteropunktowego. Wprowadzone zmiany wymusiły również zmiany w lokalnej i centralnej bazie danych.
Zmodernizowana aplikacja została w pełni przetestowana na stanowisku testowym oraz w warunkach rzeczywistych, zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze 1.9K.
Ostatnią z najnowszych modyfikacji oprogramowania było zintegrowanie aplikacji pomiarowych używanych w różnych miejscach w tunelu LHC, ale według podobnego scenariusza. Niezależnie od połączenia tych dwóch aplikacji, panel użytkownika został uproszczony, zoptymalizowano działanie aplikacji celem zmniejszenia czasu trwania pojedynczego pomiaru bez utraty jego precyzji. W ramach uaktualnienia oprogramowania, znacznie zoptymalizowano również kod odpowiedzialny za synchronizację baz danych.
Reasumując, dzięki integracji tych dwóch aplikacji oraz tego, że wszystkie aplikacje systemu TP4 do testów niskonapięciowych korzystają teraz z jednej architektury, zarzadzanie kodem całej grupy oprogramowania TP4 zostało znacznie udoskonalone i ułatwione.
Materiały
« powrót do głównej
Data ostatniej modyfikacji: 18/2/2020