精密真空计

[color=#ff0000]摘要：针对便携式真空计校准装置以实现真空计的现场校准，基于静态比对法校准技术，本文提出了一种采用微型数字针阀和上下游双向气体流量调控模式的技术方案，结合双通道高精度的真空度PID控制器，可在真空度精密控制的前提下解决现场校准和便携性问题。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]真空计作为一种真空度传感器在众多领域应用普遍，并需要进行定期校准。而真空计校准装置是包含了真空标准器、真空泵、真空阀门及连接管路在内的一整套测量系统，一般体积较大，不便移动，多在实验室内固定使用。现有的真空计校准方式大多是将现场使用的真空计拆下送检。为满足现场校准的需求，需要解决以下几方面的问题：（1）减小相关部件的尺寸，使真空计校准装置便于携带。（2）采用数控和电动阀门，提高气体流量调节的精密度。（3）改进真空度控制方式，提高真空度控制精度和稳定性。为实现真空计 现场校准和校准装置的便携性，基于静态比对法校准技术，本文将提出采用微型数字针阀和上下游双向气体流量调控模式的技术方案，结合高精度的真空度PID控制器，可在真空度精密控制的前提下解决现场校准和便携性问题，真空度的波动可控制在±1%以内。[size=18px][color=#ff0000]二、便携式真空计校准装置技术方案[/color][/size]便携式真空计校准装置的整个结构如图1所示，这里示出的是0.1~760Torr真空度范围内的校准装置典型结构示意图。方案具体内容如下：[align=center][img=真空计校准,600,596]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205261606551375_610_3384_3.png!w690x686.jpg[/img][/align][align=center]图1 便携式真空计校准装置结构示意图[/align]（1）采用静态比对法，将被校准真空计与参考标准真空计比对。参考标准真空计采用两个电容薄膜真空计以覆盖整个真空度校准范围，参考标准真空计也同时作为真空度控制传感器。（2）真空度控制器采用二通道高精度真空度控制器，控制器的A/D为24位，D/A为16为，可对应电容薄膜真空计的高精度信号输出和满足真空度控制精度要求。控制器的两个通道分别对应于两个真空计的输入信号、两路数字针阀的进气和抽气流量的精密调节。在真空度控制过程中两路传感器信号可根据需要自动切换，以实现全量程范围内的可编程自动控制。控制器带PID自整定功能和标准的MODBUS通讯协议。（3）采用两个数字针阀分别调节进气和抽气流量，控制器采用双向模式分别对两个针阀进行调节。在粗真空范围内主调节进气针阀，在高真空范围内主调节进气针阀，全量程范围内的真空度恒定控制时，真空度波动率可控制在±1%以内。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/10/201110211922_325615_1608408_3.jpg学习和引进国外先进核心技术，,根据我国真空设备配套测控仪表的特点，研制出的陶瓷薄膜真空计，其测量精度和稳定性已经完全可以与进口产品相媲美了。根据国内设备的习惯，控制柜上数字面板表，还是经常使用的，采用专门设计的具有真空测控特点的精密二次仪器仪表，借籍于现代智能仪表技术的科技成果，有利于提供测量的精度、分辨率、稳定性和可靠性，增加智能化的自动控制功能，（可以配接任何一种模拟量、数字量的接口，比进口的薄膜真空计更灵活、更方便）实践证明，陶瓷薄膜真空计使用到真空冷冻干燥机、真空单晶炉、气氛真空炉、真空精馏设备、真空镀膜机等设备，做真空测量和自动控制，带来极大地方便和性能提高，可以快速升级为智能型的真空应用设备。当然，也可以用到实验室、计量室作为相应的真空段的0.1级标准器，陶瓷芯片的优异性能使其年稳定度达到0.1%以上。

[align=center][img=冷热台真空度控制,690,451]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203071147131858_3924_3384_3.png!w690x451.jpg[/img][/align][color=#990000]摘要：针对气密真空冷热台目前存在的真空度控制精度差和配套控制系统价格昂贵的问题，本文介绍采用国产产品的解决方案，介绍了采用数控针阀进行上游和下游双向控制模式的详细实施过程。此方案已经得到了应用和验证，可实现宽范围内的真空度精密控制，真空度波动可控制在±1%以内，整个控制系统具有很高的性价比。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]气密真空冷热台是同时可用于真空和气密环境的精密温控冷热平台，具有加热和制冷功能，适合显微镜和光谱仪等应用对样品在可控的真空度环境下进行精确加热或制冷。根据用户要求，针对目前的各种气密真空冷热台，在真空度控制方面，还需要解决以下几方面的问题：（1）无论是进口还是国产真空冷热台，真空度测量和控制还采用皮拉尼真空计，使得配套的控制系统无法实现真空度的精密控制，如无法满足研究和模拟冷冻干燥过程的精度要求。（2）气密真空冷热台普遍体积较小，在宽泛的真空度范围内，实现精确控制一直存在较大难度，真空度的波动性较大，而真空度的波动性又反过来影响温度的稳定性。（3）进口配套的真空度控制系统，不仅控制精度达不到要求，而且价格昂贵。针对气密真空冷热台存在的上述问题，本文将介绍采用国产产品并具有高性价比的解决方案，并介绍了详细的实施过程。[size=18px][color=#990000]二、解决方案[/color][/size]气密真空冷热台真空度精密控制系统的整体结构如图1所示，整个系统主要包括真空计、数控针阀、PID控制器和真空泵。[align=center][color=#990000][img=冷热台真空度控制,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203071148328248_6901_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 冷热台真空度精密控制系统结构示意图[/color][/align]为提高真空度测控精度，采用了测量精度更高（可达满量程0.2%）的电容式真空计，可覆盖0.01~760Torr的真空度区间。如果需要更高真空度环境，也可以同时采用皮拉尼真空计进行测控。为实现全宽量的真空度控制，将两只数控针阀分别安装在冷热台的进气口和排气口。通过分别采用上游和下游控制模式，可实现全量程波动率小于±1%的精密控制。控制器是精密控制的关键，方案中采用了24位A/D和16位D/A的高精度PID控制器，独立的双通道便于进行上游和下游气体流量调节和控制。总之，通过此经过验证的真空度控制方案，可实现高性价比的精密控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][img=真空冷热台,500,326]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203060829340674_8408_3384_3.png!w690x451.jpg[/img][/align]摘要：针对气密真空冷热台目前存在的真空度控制精度差和配套控制系统价格昂贵的问题，本文介绍采用国产产品的解决方案，介绍了采用数控针阀进行上游和下游双向控制模式的详细实施过程。此方案已经得到了应用和验证，可实现宽范围内的真空度精密控制，真空度波动可控制在±1%以内，整个控制系统具有很高的性价比。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px]一、问题的提出[/size]气密真空冷热台是同时可用于真空和气密环境的精密温控冷热平台，具有加热和制冷功能，适合显微镜和光谱仪等应用对样品在可控的真空度环境下进行精确加热或制冷。根据用户要求，针对目前的各种气密真空冷热台，在真空度控制方面，还需要解决以下几方面的问题：（1）无论是进口还是国产真空冷热台，真空度测量和控制还采用皮拉尼真空计，使得配套的控制系统无法实现真空度的精密控制，如无法满足研究和模拟冷冻干燥过程的精度要求。（2）气密真空冷热台普遍体积较小，在宽泛的真空度范围内，实现精确控制一直存在较大难度，真空度的波动性较大，而真空度的波动性又反过来影响温度的稳定性。（3）进口配套的真空度控制系统，不仅控制精度达不到要求，而且价格昂贵。针对气密真空冷热台存在的上述问题，本文将介绍采用国产产品并具有高性价比的解决方案，并介绍了详细的实施过程。[size=18px]二、解决方案[/size]气密真空冷热台真空度精密控制系统的整体结构如图1所示，整个系统主要包括真空计、数控针阀、PID控制器和真空泵。[align=center][img=真空冷热台,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203060828037872_2582_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/align][align=center]图1 冷热台真空度精密控制系统结构示意图[/align]为提高真空度测控精度，采用了测量精度更高（可达满量程0.2%）的电容式真空计，可覆盖0.01~760Torr的真空度区间。如果需要更高真空度环境，也可以同时采用皮拉尼真空计进行测控。为实现全宽量的真空度控制，将两只数控针阀分别安装在冷热台的进气口和排气口。通过分别采用上游和下游控制模式，可实现全量程波动率小于±1%的精密控制。控制器是精密控制的关键，方案中采用了24位A/D和16位D/A的高精度PID控制器，独立的双通道便于进行上游和下游气体流量调节和控制。总之，通过此经过验证的真空度控制方案，可实现高性价比的精密控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：在探月工程中需要在月面真空环境下采集月壤样品，需要建立地面试验装置来模拟月面的真空热环境，以测试采样器在真空热环境下的性能，由此要求真空度能实现精密控制。本文针对真空热环境地面模拟试验装置，提出了真空度精密控制的技术方案，真空度控制范围为0.1Pa~0.1MPa，全量程的控制精度为±1%。[/color][/size][size=14px][color=#ff0000][/color][/size][align=center][size=14px][color=#330033]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][size=18px][color=#330033]一、问题的提出[/color][/size]在探月工程中需要在月面真空环境下采集月壤样品，由此需要建立地面试验装置来模拟月面的真空热环境，以测试采样器在真空热环境下的性能，并要求真空度能实现精密控制。由于月壤的特殊性，目前的月壤地面模式试验装置中的真空度控制还需要解决以下几方面的问题：[size=14px]（1）月壤和模拟月壤样品，一般为粉末状颗粒，因此在开始阶段的抽气速率要进行严格控制以避免产生扬尘。[/size]（2）目前的真空度测量和控制还采用皮拉尼真空计，使得配套的控制系统无法实现真空度的精密控制，造成试验结果的重复性很差。[size=14px]（3）月壤地面模拟试验装置普遍体积较小，在宽泛的真空度范围内，实现精确控制一直存在较大难度，真空度的波动性较大，也是造成试验结果重复性差的原因之一。[/size][size=14px]针对月壤地面模式试验装置中存在的上述问题，本文提出了相应的技术方案，并介绍了详细的实施过程。[/size][size=18px][color=#330033]二、技术方案[/color][/size][size=14px]月壤环境地面模拟试验设备真空度密控制系统的整体结构如图1所示，整个系统主要包括真空计、数控针阀、电动球阀、PID控制器和真空泵。为了进行真空度全量程的精密控制，一般需要配备三只电容真空计，真空计的测量精度为0.25%。为配合电容真空计的测量精度，控制器采用了24位A/D和16位D/A的高精度PID控制器，独立的双通道便于进行上游数控针阀和下游电动球阀的气体流量调节和控制。[/size][align=center][size=14px][img=真空度控制好,500,489]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204191021365551_7090_3384_3.png!w690x676.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 真空度精密控制系统结构示意图[/align][size=14px]真空度的精密控制使用了动态控制模式，即在低真空条件下调节电动球阀，在高真空条件下调节数控针阀，这是一种典型的正反向控制方法，可有效保证真空度的控制精度。[/size]总之，通过此经过验证的真空度控制方案，可实现全量程范围内真空度的控制精度优于1%。[size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size]

[align=center][color=#ff0000][img=,690,368]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206130915093546_2463_3384_3.png!w690x368.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000]摘要：低压缓冲罐广泛应用于各种真空工艺和设备中，本文主要针对缓冲罐在全量程内的真空度精密控制，并根据不同真空度范围和缓冲罐体积大小，提出了相应的解决方案，以满足不同低压过程对缓冲罐真空压力精密控制的不同要求。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、背景介绍[/color][/size]低压缓冲罐是真空系统中常用的一种真空容器，主要通过提供真空“储存”来防止真空泵的过度循环，其基本原理是利用滞留量（体积）来提供更平稳的真空度操作。在真空工艺过程中，低压缓冲罐主要有以下两种结构形式：（1）真空度波动衰减：缓冲罐安装在真空单元之间，避免连续过程中真空度的波动传播。（2）独立操作：缓冲罐安装在单元之间以允许独立操作，例如在临时关闭期间以及连续和批处理单元之间。低压缓冲罐在独立操作形式中，一般需要具备以下功能：（1）对于小尺寸空间的工艺容器，很难实现真空度的高精度恒定或程序控制，真空度的波动和不准确很难达到工艺要求。为此在工艺容器上串接一个容积较大的低压缓冲罐，通过对缓冲罐真空度的精密控制，则可以完美解决此问题。（2）提供气液分离功能，防止工作液体直接倒灌入真空泵。（3）提供冷凝功能，避免反应容器内的部分溶剂转化为气态直接进入真空泵，由此降低真空泵的故障率和提高真空泵的使用寿命。本文主要针对缓冲罐在全量程内的真空度精密控制，提出相应的解决方案，以满足不同低压过程对缓冲罐真空压力精密控制的不同要求。[size=18px][color=#ff0000]二、解决方案[/color][/size]在低压缓冲罐真空度精密控制过程中，基本控制方法是调节缓冲罐的进气和出气流量，并通过进出气流量的动态平衡来实现缓冲罐内部气压的准确控制，即所谓的动态平衡法。但在不同真空工艺和设备中，对低压缓冲罐的真空度范围会有不同的要求，相应的动态控制模式也不尽相同。而且，不同体积大小的低压缓冲罐，为实现缓冲罐内真空度的快速准确控制，则需要不同的调节装置。以下将针对这些不同要求，提出相应的具体解决方案和相关装置细节。[color=#ff0000]2.1 低真空（高压）和高真空（低压）控制方式[/color]一般我们将低于一个大气压下（760Torr）的绝对压力称之为真空（或低压），而整个真空范围又分为低真空（10-760Torr）、高真空（0.01~10Torr）和超高真空（0.01Torr）三部分。本文将只涉及低真空和高真空这两个范围内的真空度精密控制，对于超高真空，目前还没有很好的技术手段进行精密控制，基本还都是仅靠真空泵的抽气能力来实现数量级级别的控制。低真空和高真空缓冲罐真空度的动态平衡法控制中，为达到快速和准确的控制效果，必须分别采用上游和下游两种控制模式，通过上下游这两种模式及其两种模式之间的切换，可以实现真空度全量程内的精确控制。低压缓冲罐动态平衡法真空度控制系统的整体结构如图1所示。整个缓冲罐真空度控制系统主要由进气阀、抽气阀、真空泵、真空传感器和PID控制器组成，它们各自的功能如下：[align=center][color=#ff0000][img=低压缓冲罐真空度控制,500,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206130911289636_8164_3384_3.png!w690x553.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 低压缓冲罐真空度控制系统结构示意图[/color][/align]（1）进气阀的作用是调节进气流量。在缓冲罐真空度控制过程中，进气流量一般在较小的范围内进行调节，因此进气阀一般为电动针阀。（2）抽气阀的作用是调节出气流量。在缓冲罐真空度控制过程中，进气流量一般在较大的范围内进行调节，因此进气阀的口径大小一般需根据需要进行配置，后面还会进行详细介绍。（3）真空泵的作用是提供真空源。在缓冲罐真空度控制过程中，真空泵要根据真空度要求和缓冲罐体积大小来进行选配。（4）真空传感器的作用是实时测量缓冲罐的真空度并将测量信号反馈给PID控制。在缓冲罐真空度控制过程中，要根据缓冲罐真空度量程和精度要求选配传感器，一般是低真空和高真空范围内各配一个真空计。为保证测量精度，一般会选择电容式真空计。也可以根据需要只选择一个精度较差的皮拉尼计来实现整个高低真空范围内的测量。（5）PID控制器的作用是通过接受到的真空度信号来分别调节进气阀和出气阀，使得缓冲罐内的真空度达到设定值或按照设定程序进行变化。在全量程范围内的真空度控制时，如果需要采用两只不同量程真空计进行全量程覆盖，就需要具有传感器自动切换功能的双通道PID控制器，以便在不同量程范围内的控制过程中进行自动切换。如果采用电容式真空计来实现高精度的真空度控制，相应的PID控制器则需要具有24位A/D和16位D/A的高精度。在缓冲罐的不同真空度范围内，需要采用以下不同的控制模式才能达到满意的控制精度。（1）上游控制模式：上游控制模式也叫进气调节模式，主要适用于高真空范围内的精密控制。在上游控制模式中，抽气阀门基本是全开方式全速抽气，通过调节进气流量来实现缓冲罐内高真空的精密控制。（2）下游控制模式：下游控制模式也叫出气调节模式，主要适用于低真空范围内的精密控制。在下游控制模式中，进气阀门基本是某一固定开度，即固定进气流量，通过调节抽气流量来实现缓冲罐内低真空的精密控制。另外需要特别注意的是，不论采取上述哪一种控制模式，控制精度还受到真空度传感器和PID控制精度的限制。因此，除了选择合理的上下游控制模式之外，还需要根据不同精度要求选择合理的传感器和控制器。[color=#ff0000]2.2 不同缓冲罐体积的真空度控制[/color]缓冲罐真空度精密控制中，除了涉及上述的控制模式选择之外，还涉及控制速度问题，即根据缓冲罐的容积大小和真空度控制范围来确定合理的真空度准确控制速度。这方面主要涉及以下两方面的内容和基本原则：（1）对于小容积的缓冲罐，可以选择具有小流量调节能力的进气阀、排气阀和真空泵。（2）对于较大容积的缓冲罐，可能就需要配备较大流量调节能力的进气阀、排气阀和真空泵。其中进气阀和排气阀需要配备电动球阀等大口径阀门，具体情况还需根据所控真空度范围来进行进一步的合理选择。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][b][img=显微镜探针冷热台的真空压力和气氛精密控制解决方案,600,484]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311021102101876_7960_3221506_3.jpg!w690x557.jpg[/img][/b][/align][size=16px][color=#333399][b]摘要：针对目前国内外显微镜探针冷热台普遍缺乏真空压力和气氛环境精密控制装置这一问题，本文提出了解决方案。解决方案采用了电动针阀快速调节进气和排气流量的动态平衡法实现0.1~1000Torr范围的真空压力精密控制，采用了气体质量流量计实现多路气体混合气氛的精密控制。此解决方案还具有很强的可拓展性，可用于电阻丝加热、TEC半导体加热制冷和液氮介质的高低温温度控制，也可以拓展到超高真空度的精密控制应用。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]====================[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#333399][b][/b][/color][/size][size=18px][color=#333399][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 探针冷热台允许同时进行样品的温控和透射光/反射光观察，支持腔内样品移动、气密/真空腔、红外/紫外/X光等波段观察、腔内电接线柱、温控联动拍摄、垂直/水平光路、倒置显微镜等，广泛应用于显微镜、倒置显微镜、红外光谱仪、拉曼仪、X射线等仪器，适用于高分子/液晶、材料、光谱学、生物、医药、地质、 食品、冷冻干燥、 X光衍射等领域。[/size][size=16px] 在上述这些材料结构、组织以及工艺过程等的微观测量和研究中，普遍需要给样品提供所需的温度、真空、压力、气氛、湿度和光照等复杂环境，而现有的各种探针冷热台往往只能提供所需的温度变化控制，尽管探针冷热台可以提供很好的密闭性，但还是缺乏对真空、压力、气氛和湿度的调节及控制能力，国内外还未曾见到相应的配套控制装置。为了实现探针冷热台的真空压力、气氛和湿度的准确控制，本文提出了相应的解决方案，解决方案主要侧重于真空压力和气氛控制问题，以解决配套装置缺乏现象。[/size][size=18px][color=#333399][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对显微镜探针冷热台的真空压力和气氛的精密控制，本解决方案可达到的技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真空压力：绝对压力范围0.1Torr~1000Torr，控制精度为读数的±1%。[/size][size=16px] （2）气氛：单一气体或多种气体混合，气体浓度控制精度优于±1%。[/size][size=16px] 本解决方案将分别采用以下两种独立的技术实现真空压力和气氛的精确控制：[/size][size=16px] （1）真空压力控制：采用动态平衡法技术，通过控制进入和排出测试腔体的气体流量，使进气和排气流量达到动态平衡从而实现宽域范围内任意设定真空压力的准确恒定控制。[/size][size=16px] （2）气氛控制：采用气体质量流量控制技术，分别控制多种工作气体的流量，由此来实现环境气体中的混合比。[/size][size=16px] 采用上述两种控制技术所设计的控制系统结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#333399][b][img=显微镜探针冷热台真空压力和气氛控制系统结构示意图,690,329]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311021103195907_6925_3221506_3.jpg!w690x329.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#333399][b]图1 真空压力和气氛控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，真空压力控制系统由进气电动针阀、高真空计、低真空计、排气电动针阀、高真空压力控制器、低真空压力控制器和真空泵组成，并通过以下两个高低真空压力控制回路来对全量程真空压力进行精密控制：[/size][size=16px] （1）高真空压力控制回路：真空压力控制范围为0.1Torr~10Torr（绝对压力），控制方法采用上游控制模式，控制回路由进气电动针阀（型号：NCNV-20）、高真空计（规格：10Torr电容真空计）和真空压力程序控制器（型号：VPC20201-1）组成。[/size][size=16px] （2）低真空压力控制回路：真空压力控制范围为10Torr~1000Torr（绝对压力），控制方法采用下游控制模式，控制回路由排气电动针阀（型号：NCNV-120）、低真空计（规格：1000Torr电容真空计）和真空压力程序控制器（型号：VPC20201-1）组成。[/size][size=16px] 由上可见，对于全量程真空压力的控制采用了两个不同量程的薄膜电容真空计进行覆盖，这种薄膜电容真空计可以很轻松的达到0.25%的读数精度。真空计所采集的真空度信号传输给真空压力控制器，控制器根据设定值与测量信号比较后，经PID算法计算后输出控制信号驱动电动针阀来改变进气或排气流量，由此来实现校准腔室内气压的精密控制。[/size][size=16px] 在全量程真空压力的具体控制过程中，需要分别采用上游和下游控制模式，具体如下：[/size][size=16px] （1）对于绝对压力0.1Torr~10Torr的高真空压力范围的控制，首先要设置排气电控针阀的开度为某一固定值，通过运行高真空度控制回路自动调节进气针阀开度来达到真空压力设定值。[/size][size=16px] （2）对于绝对压力10Torr~1000Torr的低真空压力范围的控制，首先要设置进气针阀的开度为某一固定值，通过运行低真空度控制回路自动调节排气针阀开度来达到真空压力设定值。[/size][size=16px] （3）全量程范围内的真空压力变化可按照设定曲线进行程序控制，控制采用真空压力控制器自带的计算机软件进行操作，同时显示和存储过程参数和随时间变化曲线。[/size][size=16px] 显微镜探针冷热台内的真空压力控制精度主要由真空计、电控针阀和真空压力控制器的精度决定。除了真空计采用了精度为±0.25%的薄膜电容真空计之外，所用的NCNV系列电控针阀具有全量程±0.1%的重复精度，所用的VPC2021系列真空压力控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，通过如此精度的配置，全量程的真空压力控制可以达到很高的精度，考核试验证明可以轻松达到±1%的控制精度，采用分段PID参数，控制精度可以达到±0.5%。[/size][size=16px] 对于探针冷热台内的气氛控制，如图1所示，采用了多个气体质量流量控制器来对进气进行精密的流量调节，以精确控制各种气体的浓度或所占比例。通过精密测量后的多种工作气体在混气罐内进行混合，然后再进入探针冷热台，由此可以准确控制各种气体比值。在气氛控制过程中，需要注意以下两点：[/size][size=16px] （1）对于某一种单独的工作气体，需要配备相应气体的气体质量流量控制器。[/size][size=16px] （2）混气罐压力要进行恒定控制或在混气罐的出口处增加一个减压阀，以保持混气罐的出口压力稳定，这对准确控制校准腔室内的真空压力非常重要。[/size][size=18px][color=#333399][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案可以彻底解决显微镜探针冷热台的真空压力控制问题，并具有很高的控制精度和自动控制能力。另外，此解决方案还具有以下特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案具有很强的适用性和可拓展性，通过改变其中的相关部件参数指标就可适用于不同范围的真空压力，更可以通过在进气口增加微小流量可变泄漏阀，实现各级超高真空度的精密控制。[/size][size=16px] （2）本解决方案所采用的控制器也可以应用到冷热台的温度控制，如帕尔贴式TEC半导体加热制冷装置的温度控制、液氮温度的低温控制。[/size][size=16px] （3）解决方案中的控制器自带计算机软件，可直接通过计算机的屏幕操作进行整个控制系统的调试和运行，且控制过程中的各种过程参数变化曲线自动存储，这样就无需再进行任何的控制软件编写即可很快搭建起控制系统，极大方便了微观分析和测试研究。[/size][size=16px] 在目前的显微镜探针冷热台环境控制方面，还存在微小空间内湿度环境的高精度控制难题，这将是我们后续研究和开发的内容之一。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#6666cc][b]摘要：针对工作范围在5×10[font='times new roman'][sup]-7[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]6[/sup][/font]Pa，控制精度在0.1%~0.5%读数的全量程真空压力综合测量系统技术要求，本文提出了稳压室真空压力精密控制的技术方案。为保证控制精度，基于动态平衡法，技术方案在高真空、低真空和正压三个区间内分别采用了独立的控制方法和不同技术，所涉及的关键部件是微小进气流量调节装置、中等进气流量调节电动针阀、排气流量调节电动球阀、正压压力电子调节器和真空压力PID控制器。配合相应的高精度真空压力传感器，此技术方案可以达到控制精度要求，并已得到过试验验证。[/b][/color][/size][align=center][img=全量程真空压力综合测量系统的高精度控制解决方案,690,384]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121052314254_1235_3221506_3.jpg!w690x384.jpg[/img][/align][size=16px][/size][b][size=18px][color=#6666cc]1. 项目概述[/color][/size][/b][size=16px] 真空压力综合测量系统是一个用于多规格真空传感器测量校准的高精度动态真空压力测量系统，主要由一套真空稳压室、一套电容薄膜真空测量模块、一套冷阻复合真空测量模块、一套高精度真空测量模块，其技术要求如下：[/size][size=16px] （1）真空稳压室体积为1L；[/size][size=16px] （2）真空稳压室含有10路VCR转接接头；[/size][size=16px] （3）真空稳压室加热烘烤温度范围：室温到200℃；[/size][size=16px] （4）冷阻复合真空测量模块量程为（5×10[font='times new roman'][sup]-7[/sup][/font]~1×10[font='times new roman'][sup]5[/sup][/font]）Pa；[/size][size=16px] （5）冷阻复合真空测量模块含有通讯接口，提供0~10V电压信号；[/size][size=16px] （6）电容薄膜真空测量模块量程为10Torr，测量精度为0.5%；[/size][size=16px] （7）电容薄膜真空测量模块接口为8VCR接口；[/size][size=16px] （8）电容薄膜真空测量模块含有通讯接口，提供0~10V电压信号；[/size][size=16px] （9）高精度真空测量模块量程为0.1~10000Torr；[/size][size=16px] （10）高精度真空测量模块测量精度为读数的0.1%；[/size][size=16px] （11）配备高精度真空测量模块的控制器，满足真空测量模块的使用要求，包含通讯接口。[/size][size=16px] 从上述技术要求可以看出，整个系统的真空压力范围覆盖了负压和正压，具体的全量程覆盖范围用绝对压力表示为5×10-7~1.3×106Pa，其中包含了高真空（5×10[font='times new roman'][sup]-7[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]-1[/sup][/font]Pa）、低真空（1.3×10[font='times new roman'][sup]-1[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]5[/sup][/font]Pa)和正压（1.3×10[font='times new roman'][sup]5[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]6[/sup][/font]Pa）的精密测量和控制，更具体的是要在一个稳压室内实现三个真空压力范围的不同测量和控制精度。以下将对这些技术要求的实现，特别是对真空压力的精密控制技术方案和相关关键配套装置给出详细说明，其他通用性的装置，如机械泵和分子泵则不进行详细描述。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]2. 高精度宽量程真空压力控制技术方案[/b][/color][/size][size=16px] 真空压力控制系统的技术方案基于动态平衡法控制原理，即在一个密闭容器内，通过调节进气和出气流量并达到相应的平衡状态来实现真空压力设定点的快速控制。在动态平衡法实际应用中，只要配备相应精度的传感器、执行器和控制器，可以顺利实现设计精度的控制。为此，针对本项目提出的技术指标，基于动态平衡法，本文所提出的具体技术方案如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=01.真空压力综合测量控制系统结构示意图,690,410]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121043350021_6971_3221506_3.jpg!w690x410.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图1 高精度全量程真空压力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对应于项目技术指标中的高真空、低真空和正压压力控制要求，图1所示的真空压力控制系统由三个相对独立的控制系统来实现项目技术要求，具体内容如下：[/size][size=16px][color=#6666cc][b]2.1 高真空度控制系统[/b][/color][/size][size=16px] 基于动态平衡法原理，对于高真空控制，需要采用上游控制模式，在分子泵全速抽气条件下，需要在上游（进气端）通过精密调节微小进气流量，来实现高真空范围内任意真空度设定点的恒定控制。如图1所示，高真空控制系统主要包括了冷阻真空计、微量进气调节装置和真空压力控制器，这三个装置构成一个闭环控制系统，它们的精度决定了高真空度的最终控制精度。[/size][size=16px] 需要说明的是高真空和低真空控制系统公用了一套机械泵和分子泵，高真空控制时需要分别使用机械泵和分子泵，而在低真空控制时仅使用机械泵。[/size][size=16px] 对于高真空传感器而言，可根据设计要求选择相应量程和测量精度的真空计，其测量精度最终决定了控制精度，一般而言，控制精度会差于测量精度。[/size][size=16px] 在高真空控制中，关键技术是精密调节微小进气流量。如图1所示，微量进气调节装置有电动针阀、泄漏阀和压力调节器组成，可实现0.005mL/min或更低的微小进气流量调节。[/size][size=16px] 微量气体调节时，首先通过压力调节器来改变泄漏阀的进气压力，使泄漏阀流出相应的微小流量气体，然后通过调节电动针阀来改变进入真空稳压室的气体流量。压力调节器和电动针阀的控制则采用的是24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比的双通道真空压力PID控制器。[/size][size=16px][color=#6666cc][b]2.2 低真空度控制系统[/b][/color][/size][size=16px] 基于动态平衡法原理，对于低真空控制，则需要分别采用上游（进气端）和下游（排气端）两种控制模式。如图1所示，两种控制模式的具体内容如下：[/size][size=16px] 在低真空的0.01~10Torr范围内，需要采用10Torr量程的电容真空计，并在机械泵全速抽气的条件下（电动球阀全开），通过动态改变电动针阀的开度来调节进气流量以实现设定真空度的精密控制。同时在电动针阀的进气端增加一个压力调节器以保证电动针阀进气压力的稳定。[/size][size=16px] 在低真空的10~760Torr范围内，需要采用1000Torr量程的电容真空计，并在固定电动针阀开度和机械泵全速抽气的条件下，通过动态改变电动球阀的开度来调节排气流量以实现设定真空度的精密控制。[/size][size=16px] 同样，在低真空控制系统中也同样采用了高精度的双通道真空压力控制器，两路输入通道分别接10Torr和1000Torr的薄膜电容真空计，两路输出控制通道分别接电动针阀和电动球阀，由此可实现两个低真空范围内的真空度精密控制。[/size][size=16px] 尽管电容真空计可以达到0.2%的测量精度，但要实现项目0.5%的控制精度，需要电动针阀和电动球阀具有很快的响应速度，电动针阀要求小于1s，而电动球阀要求小于3s，另外还要求真空压力控制器也同样具有很高的测量和调节精度，这些要求同样适用于高真空度控制。[/size][size=16px][color=#6666cc][b]2.3 正压压力控制系统[/b][/color][/size][size=16px] 对于正压压力控制采用了集成式动态平衡法压力调节器，并采用了串级控制方法。如图1所示，正压控制系统由压力调节器、压力传感器和真空压力控制器构成的双闭环控制回路构成。采用相应精度和量程的压力传感器和压力调节器可实现0.1%以内的控制精度。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]3. 低真空控制解决方案考核试验和结果[/b][/color][/size][size=16px] 对于低真空精密控制解决方案，我们进行过相应的考核试验。低真空上游和下游控制考核试验装置如图2和图3所示，其中分别采用了10Torr和1000Torr薄膜电容真空计。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=02.上游控制模式考核试验装置,550,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121044011178_1432_3221506_3.jpg!w690x466.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图2 上游控制模式考核试验装置[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=03.下游控制模式考核试验装置,550,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121044250558_2395_3221506_3.jpg!w690x425.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图3 下游控制模式考核试验装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 上游和下游不同真空度设定点的控制结果如图4和图5所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=04.上游低真空度考核试验曲线,550,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121044433769_7471_3221506_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图4 低真空上游考核试验曲线[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=05.下游低真空度考核试验曲线,550,327]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121045002696_1848_3221506_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图5 低真空下游考核试验曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 上游和下游不同真空度设定点的恒定控制波动率如图6和图7所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=06.上游模式低真空度恒定控制波动度,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121045233797_3751_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图6 上游模式低真空恒定控制波动度[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=07.下游模式低真空度恒定控制波动度,550,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121045436717_8569_3221506_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图7 下游模式低真空恒定控制波动度[/b][/color][/size][/align][size=16px] 通过上下游两种控制模式的考核试验，可得出以下结论：[/size][size=16px] （1）配备有目前型号电动针阀、电动球阀和 PID 控制器的低真空控制系统，在采用了薄膜电容真空计条件下，恒定真空度（压强）控制的波动率可轻松的保持在±0.5%以内。[/size][size=16px] （2）由于真空控制系统中进气或出气流量与真空度并不是一个线性关系，因此在整个测控范围内采用一组 PID 参数并不一定合适，为了使整个测控范围内的波动率稳定，还需采用 2 组或2组以上的 PID 参数。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]4. 正压压力控制解决方案考核试验和结果[/b][/color][/size][size=16px] 对于正压压力控制解决方案，同样进行过相应的考核试验。正压压力精密控制考核试验装置如图8所示，其中采用了测量精度为0.05%的压力传感器。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=08.正压压力考核试验装置,600,336]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121046014855_1011_3221506_3.jpg!w690x387.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图8 正压压力考核试验装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 考核试验的压力范围为表压0.1~0.6MPa，选择不同的设定点进行恒定控制并检测其控制的稳定性。全量程的正压压力控制结果如图9所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=09.正压压力考核试验曲线,600,337]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121046261180_1880_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图9 正压压力考核试验曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 为了更直观的演示正压压力控制精度，将每个压力设定点时的控制过程进行单独显示，以检测测定正压压力的稳定性，图10显示了不同正压设定点恒定控制时的正压压力和控制电压信号的变化曲线。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=10.不同正压设定点恒定控制时的压力和控制电压试验曲线,690,555]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121046471416_4804_3221506_3.jpg!w690x555.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图10 不同正压设定点恒定控制时的压力和控制电压试验曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 通过所用的正压压力精密控制解决方案和考核试验结果，证明了此解决方案完全能够实现0.1%高精度的正压压力控制，具体结论如下：[/size][size=16px] （1）采用串级控制和模式，并结合后外置超高精度（0.05%）的压力传感器和真空压力控制器，完全可以有效提高压力调节器的压力控制精度，可实现0.1%超高精度的压力控制。[/size][size=16px] （2）如果选择更合适和狭窄的压力控制范围，还可以达到0.05%的更高控制精度。[/size][size=16px] （3）高精度0.1%的压力控制过程中，真空压力控制器的测量精度、控制精度和浮点运算是决定整体控制精度的关键技术指标，解决方案中采用的24位ADC、16位DAC和高精度浮点运算0.01%的输出百分比，证明完全可以满足这种高精度的控制需要。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]5. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 针对真空压力综合测量系统对高真空、低真空和正压精密控制的技术要求，解决方案可以很好的实现精度为0.1%~0.5%读数的精密控制，考试验证试验也证实此控制精度。[/size][size=16px] 更重要的是，解决方案提出了高真空度的精密控制方法和控制系统配置，这将解决在高真空度范围内的任意设定点下的恒定控制难题，为高真空度范围的计量校准测试提供准确的标准源。[/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=16px][/size]

[color=#990000][b]摘要：针对目前普通真空烘箱在干燥细粉中存在污染系统和扬尘排出等安全隐患问题，特别是针对客户提出的真空干燥箱技术改造要求，本文提出了烘箱真空度程序控制的解决方案。解决方案的核心是要实现真空烘箱的受控冲洗和排放循环，更重要的要使烘箱真空度随时间有个缓慢且可控的变化过程，而这个变化过程可根据不同干燥细粉工艺进行任意设定。本文还详细介绍了解决方案中相应配套装置的关键技术参数和功能。[/b][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size][/b]真空干燥是一种将物料置于真空负压条件下，并适当通过加热达到负压状态下的沸点或者通过降温使得物料凝固后通过溶点来干燥物料的干燥方式。常见的干燥器类型主要包括托盘、流化床、喷雾、旋转和真空烘箱干燥器等。真空干燥过程是在与真空泵相连的密闭腔室内进行，而真空烘箱则是利用温度和真空压力的平衡来降低腔室内和被干燥产品的湿度。该技术是用于热敏、吸湿和/或有毒粉末和颗粒的最常见的实验室、研究和工业干燥。常用干粉的行业包括：制药、食品加工、塑料和化学加工。对于细粉的真空干燥，常出现的问题之一是无论采取何种类型的干燥设备，干粉都会在干燥机内的各个位置或真空泵等下游工艺设备中堆积成块状或层状物，从而影响真空泵的正常运转和使用寿命。如果细粉从真空泵中排出，还会引起其他潜在的危险问题出现。最近有真空烘箱厂家明确提出要对现有的真空烘箱进行技术升级，要求我们提供相应的技术配套措施以彻底解决真空烘箱在干燥细粉过程中出现的上述问题。本文将对相应的解决方案进行详细介绍，解决方案的核心是要实现真空烘箱的受控排放，使烘箱真空度有个缓慢且可控的变化过程。本文还详细介绍了解决方案中相应配套装置的关键技术参数和功能。[size=18px][color=#990000][b]二、解决方案[/b][/color][/size]在真空干燥细粉的工艺中不产生扬尘和堆积成块的现象，需要采取两方面的措施：（1）控制排放：在真空箱体内引入少量干燥空气或氮气以去除箱体内的水蒸气，也可以同时进行加热，这样通过排气/进气的循环冲洗会有助于加快干燥过程。但在干燥细粉时，如果不控制排气，此过程也可以冲洗掉细粉，因此要采用精密可控的抽气阀来进行微小排气流量控制。（2）控制真空：干燥过程的真空度变化一定要精密可控，特别是随着干燥时间的延长，真空度变化越要缓慢，以避免可能产生扬尘并被带到干燥机外的空气中。由此可见，解决细粉真空干燥问题的关键是要实现真空度的程序控制，真空度控制程序包括线性变化和恒定两种，而且控制程序可以任意设定，由此可进行各种不同的真空干燥工艺。按照真空度程序控制思路设计的真空烘箱技术改造方案如图1所示，整个真空控制系统主要包括进气电动针阀、排气电动球阀、真空计、可编程PID控制器和真空泵，PID控制器分别调节进气针阀和排气球阀的开度大小来实现箱体内真空度按照设定程序进行变化。[align=center][img=01.干燥箱真空线性控制系统结构示意图,690,434]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210241814336548_5671_3221506_3.png!w690x434.jpg[/img][/align][align=center]图1 真空烘箱可编程真空度控制系统结构示意图[/align]对于细粉干燥过程的真空度控制，关键是要使得真空度按照某个设定的速率进行变化，该速率将在较长的一段时间内（如10-20分钟）将烤箱内的真空度从大气压缓慢降低到所需的低压压力。所谓速率是单位时间内的变化量，如 10Torr/min 斜率代表真空度在1分钟内逐渐变化10Torr 。对于我们一位客户的干燥粉末工艺，他们选择了大约 -150 Torr/min 的降压速率，他们将从 750 Torr 开始，一分钟后压力达到 600 Torr，然后下一分钟达到 450 Torr等，直到达到他们设定的目标压力。在目标压力达到后，也可以继续在目标压力处进行自动恒定控制。这样，通过这种自动化的真空度控制方式，可确保在干燥过程中粉末不会进入真空泵。此细粉干燥工艺用真空度控制系统具有以下特点：（1）普通细粉干燥工艺对最终达到的真空度要求并不是很高，真空度变化范围一般也只在10Torr~1个大气压的区间内，这时的真空度控制系统只需配备一只真空计就可覆盖所需压力变化范围。如果要求在更高的真空度下进行干燥，如0.1Torr~1个大气压范围，如图1所示，控制系统则需要配备两只真空计才能实现全量程真空度的精密测量和控制。（2）所用的真空度控制器是一台高精度的双通道控制器，每个通道都具有独立的PID自动控制功能。每个通道都是24位AD和16位DA，双精度浮点运算和最小输出百分比为0.01%。控制器具有RS485通讯和标准MODBUS协议，配备的测控软件，可遥控操作和存储显示测试曲线。（3）在如图1的真空度控制系统中，分别在进气口和排出口出配备的电动针阀和电动球阀，控制器自动调节针阀和球阀的开度来实现真空度的精密控制。在低压范围的真空度控制过程中，一般是将负责下游排气的电动球阀调节为始终的全开状态，通过电动针阀来调节进气流量实现真空度控制；在高压范围的真空度控制过程中，一般是将负责上游进气的电动针阀调节为某一开度并保持固定不变，通过下游的电动球阀来调节排气流量实现真空度控制。另外，这里所配备的电动针阀和电动球阀都属于高速阀门，从全闭到全开用时都小于1秒以内，非常适合真空度的动态控制需要，采用0~10V或4~20mA模拟信号可以直接驱动这两种电动阀门，且这两种阀门都有较低的真空漏率，适用于各种密闭设备的高真空要求。总之，本文所述的可编程真空度控制解决方案技术成熟很高，经过了大量试验，验证了此方案的可行性和可靠性，真空度控制精度可以很轻松的达到±1%以内，可彻底解决真空烘箱中干燥细粉所带来的扬尘和结垢问题，此方案也已在众多其他真空设备和工艺中得到了应用。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][size=16px][img=新型低成本低压电子束焊接技术及其精密真空控制装置,550,337]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303270934409402_5689_3221506_3.jpg!w690x423.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#339999]摘要：新型低压电子束焊接加工技术具有凹型阴极、自聚焦和低造价的突出特点，不再需要高真空系统，也无需磁透镜和磁线圈进行电子束的聚焦和偏转，可进行微零件焊接和低熔点材料表面微结构改性。但这种新型技术对氩气工作气压的要求较高，需要在7~12Pa的低真空范围实现高精度的调节和控制。本文针对此高精度控制提出了解决方案，即在电容真空计作为传感器的基础上，采用了电动针阀和超高精度压力控制器，控制精度可达±1%。[/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 电子束焊是指利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊接面，使被焊工件熔化实现焊接。目前，电子束焊通常分为高真空、低真空和非真空三种类型，但无论是那种类型，电子束都需要在高真空条件下产生，且还需要磁透镜和磁线圈系统用于聚焦和偏转电子束，这使得高真空装置是电子束焊接设备中的重要且高成本的部件。[/size][size=16px] 最近，波兰研究人员Aleksander Zawada和Piotr Konarski介绍了一种真正低压环境且无需磁透镜和磁线圈的电子束焊接技术[1,2]，这种新的低压电子束焊接技术具有以下特点：[/size][size=16px] （1）采用凹形阴极作为电子束源，直接在氩气环境中产生并聚焦电子束。工作气体的存在和伴随辉光放电的发生允许表面电荷中和，这使得电子束可以直接轰击绝缘材料。[/size][size=16px] （2）可直接采用微波炉用变压器，电压输出为1~3kV，就能建立一个以凹形阴极作为电子源的低压电子束加工装置。[/size][size=16px] （3）阴极和阳极之间的间隙约为25mm，氩气气体绝对压力可在0.05~0.09Torr范围内调节，采用机械泵就可在此真空度范围内可以获得了稳定的辉光放电进行焊接和加工。通过改变阴极电压以及选择合适的真空度，实现电子束电流的调节，以满足不同工具加工和焊接需要。[/size][size=16px] （4）通过使用凹面阴极可直接获得直径1~3mm的聚焦点。虽然与很多高端的电子束加工设备相比，它的尺寸似乎太大，但它可用于微零件焊接和表面改性。[/size][size=16px] （5）由于采用微波炉小功率电源和旋片泵，使得整个装置结构简单和非常便宜，同时可用于微零件焊接和低熔点材料表面微结构改性，如不锈钢、铜、铝、氧化铝、氧化硅和玻璃等材料。如果加大功率，可实现更大功率的电子束焊机。[/size][size=16px] 从上述这种真正低压电子束焊接加工技术的特点中可以看出，这种技术对真空度的要求很高，需要在很窄的气压范围内（约5Pa）进行调节以满足不同的焊接加工要求，而相关文献也未涉及气压精密控制的具体内容。为此，本文将针对此问题提出相应的具体解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 波兰学者提出的新型低压电子束焊接加工装置结构如图1所示[1,2]，其真空室只有5升的体积。真空系统包括了真空计、机械泵和泄漏阀三部分，进气用了高压氩气气瓶，还配备了一个气阀用来加工完成后导入空气打开腔门。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.新型低压电子束焊机原理图,650,409]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303270937189274_6985_3221506_3.jpg!w690x435.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 新型低压电子束焊接机结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图1所示结构可以看出，所进行的真空度控制应该还是手动调节方式，即固定机械泵抽速（一般是全开状态），然后通过调节泄漏阀的开度来达到不同的真空度，但这种手动控制方式很难保证真空度控制的准确性和稳定性，完全不能按照设计好的不同设定值对真空度进行控制。[/size][size=16px] 为此，本解决方案的目的是进行真空度控制的自动化改造，改造方案的具体结构如图2所示。解决方案是在原有的电容真空计基础上，增加了电动针阀和高精度的真空压力PID控制器，由真空计、电动针阀和真空压力控制器组成一个典型的闭环控制系统。其中各个部件的具体内容如下。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.新型低压电子束焊机和真空控制装置原理图,650,401]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303270937405037_1825_3221506_3.jpg!w690x426.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 包含真空度自动控制的电子束焊接机结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#339999][b]2.1 真空计的选择[/b][/color][/size][size=16px] 方案中选择1Torr量程的薄膜电容真空计覆盖0.05~0.09Torr工作压力范围，这种电容真空计具有0.25%的高精度。[/size][size=16px] 除了高精度之外，这种电容真空计还具有线性的0~10V直流电压信号输出，即真空度测量值与输出电压值呈线性关系，这非常有利于数据采集和处理，更能保证控制的准确性。[/size][size=16px] 对于0.05~0.09Torr的工作压力范围，尽管在理论上也可以选择0.1Torr量程的真空计，但实际真空度控制范围已接近真空计上限，这使得对0.09Torr附近的真空度较难控制，实际真空度稍微过冲就超出真空计量程，这很容易造成真空控制失效。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.2 电动针阀[/b][/color][/size][size=16px] 工作压力自动控制的关键技术之一是图1中的泄漏阀要具备电动调节能力，这时的电动调节阀门就相当于一个电动执行器来根据要求调节进气流量的大小。[/size][size=16px] 解决方案是采用电动针阀代替图1中的泄漏阀。电动针阀是一种步进电机驱动的针型阀，阀门位移分辨率可达到12.7um，并具有很小的真空漏率和线性度，可直接用直流0~10V模拟电压进行调节，很适合真空度控制过程中的进气流量调节。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.3 超高精度真空压力控制器[/b][/color][/size][size=16px] 对于低压电子束焊接加工装置的真空度控制而言，另一项关键技术就是需要解决超高精度的PID控制问题。如在选择1Torr真空计时，对应的电压输出为0~10V，那在实际测量0.05Torr真空度过程中所对应的电压输出则为0.5V。如果要达到±1%的控制精度，则需要PID真空度控制器具有5mV的测量精度，这是目前绝大多数工业用真空度控制器无法达到的精度要求。[/size][size=16px] 为了在0.05~0.09Torr范围内实现±1%的真空度控制精度，解决方案选用了VPC 2021系列超高精度真空压力控制器。此控制器的主要特点如下：[/size][size=16px] （1）超高性能指标：24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，同时采用的是双精度浮点运算，这是目前国际上工业用控制器最高的性能指标。[/size][size=16px] （2）多功能：具有程序控制、PID参数自整定、RS485通讯、标准MODBUS通讯协议和多条设定曲线以及多组PID参数存储等功能。[/size][size=16px] （3）丰富的扩展能力：控制器带有远程设定能力，即通过外接可变电位器旋钮实现真空度设定值的手动调节和设定，为现场真空度的随时调节和控制提供了极大便利。[/size][size=16px] （4）配套软件：配套有计算机软件，可通过计算机进行控制器的所有设置和运行，并可直观显示和存储多个过程参数随时间变化的实时曲线，[/size][size=16px] （5）体积小巧：具有常用工业用控制器典型的小巧尺寸（面板尺寸96mm×96mm）。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 在波兰学者提出的低造价低压电子束焊接和加工新技术基础上，本文对此新技术中未涉及到的真空度精密控制技术进行了分析，并提出了实现真空度高精度控制的解决方案。解决方案以及所涉及到的电动针阀和超高精度PID真空压力控制器，经过了大量试验验证考核，并已经在多个领域内得到了广泛应用，技术成熟度很高，可为这种新型电子束焊接和加工技术的推广应用提供有效的技术保障。[/size][size=18px][color=#339999][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] Zawada A, Konarski P. Electron beam generated in low pressure noble gas atmosphere–Compact device construction and applications[J]. 2013.[/size][size=16px][2] Chien C H, Zawada A, Konarski P, et al. Developing a desk-top electron beam micro-machining system in the low-pressure argon atmosphere[J]. Procedia CIRP, 2020, 95： 950-953.[/size][align=center][size=16px][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align]

[align=center][img=真空压力控制,690,285]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204282026227435_9583_3384_3.png!w690x285.jpg[/img][/align][color=#ff0000]摘要：熔融法光纤拉锥系统中，极小损耗的光纤耦合对应于一个吸附固定光纤的最佳真空度，由此需要对吸附真空度进行精密控制，并找出此最佳真空度值。本文针对稳定批产制作极小损耗的光纤拉锥系统，提出了真空系统改进方案，由此可实现真空度的精密控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]在光纤拉锥系统制作光纤耦合器和光纤锥体过程中，一般采用真空吸附方式和特制夹具配合将两根或多根光纤定位并夹持在光学平台上，并以一定的方式使两根或多根裸纤旋转和对轴靠拢，用氢氧焰或激光进行加热熔融，同时以一定的速度向两边拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构。目前的这种光纤拉锥技术很难稳定地批量制作出损耗小于0.1的光纤耦合器，这主要是由于真空吸附将光纤固定的太紧所造成。有文献报道了对吸附固定夹具用的真空系统进行了改进，在一系列不同的吸附固定真空度下制作了相应的光纤耦合器，证明了在整个真空度范围内的耦合损耗有个最小区域，真空度在120mBar时损耗最小为0.05dB，如图1所示。[align=center][color=#ff0000][img=真空压力控制,500,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204282027598055_8620_3384_3.png!w690x428.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 不同真空压力下的耦合损耗[/color][/align]从图1结果可以看出，并不是真空度越高越好，真空度越高，光纤固定越紧，耦合损耗反而会较大。由此可见，为了得到超低损耗的光纤耦合器件，就必须对真空吸附装置的真空度进行精密控制。本文将针对光纤拉锥法制作超低损耗光纤耦合器件过程中对真空度精密控制的要求，提出真空控制系统技术方案以及相应的配套内容，以实现真空度的精密和快速控制。[size=18px][color=#ff0000]二、技术方案[/color][/size]为了实现左右拉伸夹具中对吸附真空度的精密控制，在原有真空系统中增加一个真空罐，只要实现对真空罐内真空压力的控制，即可对左右拉伸夹具的吸附真空度进行控制，如图2所示。[align=center][color=#ff0000][img=真空压力控制,550,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204282028327555_6494_3384_3.png!w690x568.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2 光纤拉锥机真空度控制系统结构示意图[/color][/align]图2所示的真空度控制系统主要包括电动针阀、真空计、PID控制器和真空泵。真空度的精密控制采用动态控制法，即根据真空计的测量值与设定值的比较，PID控制器同时调节进气流量和抽气流量，以快速达到动态平衡，将真空度控制在设定值上，控制精度可达±1%。总之，通过真空度的精密控制，可实现超低损耗的光纤耦合器件的稳定批产制作。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][size=16px] [img=常压原子力显微镜实现从超高真空到1bar的可变压力精密控制解决方案,690,446]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111648213082_8409_3221506_3.jpg!w690x446.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#000099][b]摘要：针对原子力显微镜对真空度和气氛环境精密控制要求，本文提出了精密控制解决方案。解决方案基于闭环动态平衡法，在低真空控制时采用恒定进气流量并调节排气流量的方法，在高真空和超高真空控制时则采用恒定排气流量并调节进气流量的方法。原子力显微镜真空度控制系统主要由高速电控针阀、电动可变泄漏阀、高速电控球阀、电容真空计、电离真空计和超高精度PID调节器构成，在超高真空至一个大气压范围内可达到很高的控制精度。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#000099][b]=================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#000099][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 环境可控型原子力显微镜（AFM）是一种可以选择真空环境、气氛环境、液体环境以及变温环境等不同工作环境，并基于检测被测样品与探针之间的弱相互作用来研究包括材料表面形貌和物理化学性质的精密仪器。原子力显微镜要具备真空和气氛环境功能，主要出于以下应用需求：[/size][size=16px] （1）众所周知，原子之间的相互作用力非常微小的，AFM在工作时，为了维持两者之间的作用力，探针和样品之间的距离非常近，通常只有几个纳米或几十个纳米，这就对仪器周围环境的要求非常之高。目前市场上的原子力显微镜都是在普通空气环境中进行操作，但由于空气中活跃着各种气体分子、存在各种机械振动以及电磁干扰的缘故，要想获得极高的分辨率还是比较困难的，要想利用原子力显微镜真正获得原子级别的分辨率，还是需要在真空和超高真空环境下进行工作。[/size][size=16px] （2）随着微纳尺度下研究的逐步深入，在诸多研究中，需要在真空环境或者同一气氛环境（如氮气、氧气、湿度以及酒精蒸汽等）中，对样品表面同一实验区域原位开展多种不同的探测实验（如摩擦能量耗散测量，需要在不破坏工作环境的前提下更换其他具有不同功能的探针，实现原位探测）。 [/size][size=16px] （3）在有些微纳尺度研究中，不同真空度和不同气氛下的力谱测量结果显示AFM针尖和所研究材料之间的粘附力显著依赖于所暴露的真空压力和气体。[/size][size=16px] 总之，为了使原子力显微镜具有环境可控功能，关键是解决原子力显微镜的真空度和环境气氛精密控制问题，为此本文提出以下解决方案。[/size][size=18px][color=#000099][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是在采用多个进气管路来选择具体工作气体的基础上，采用了两种技术途径来改变和精密控制原子力显微镜内的真空度。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.1 回填技术[/b][/color][/size][size=16px] 在文献1所报道的如图1所示的环境压力原子力显微镜中，采用的就是回填技术，即先对环境压力腔室抽真空至超高真空度，然后通过泄漏阀的调节向环境压力腔室内回填所需的工作气体，使腔室内的压力达到所需的真空度。整个真空回填系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜,690,485]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651309750_3730_3221506_3.jpg!w690x485.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图,550,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651565751_1942_3221506_3.jpg!w460x302.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图2所示，回填系统主要由以下几部分构成：（1）涡轮分子泵、（2）旋转低真空泵、（3）一氧化碳气体管线的碳过滤器、（4）压力计、（5）冷阱、（6）AP室气体计量的泄漏阀和（7）AP室初始排空闸阀。[/size][size=16px] 环境压力室真空压力范围为超高真空1×10[sup]-7[/sup]mBar~1Bar，在打开泄漏阀之前，环境压力室与准备室和离子泵隔离。由于真空室压力最高可达1巴，因此关闭离子压力计，使用全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合）监控压力。[/size][size=16px] 从图2可以看出，在文献1所描述气体回填系统是一个真空压力的开环控制系统，我们分析此真空度控制系统并未进行更详细的描述，甚至可能根本无法真正实现文中所述的从超高真空度到一个大气压的1%精度内的准确控制，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）首先，文献1中所采用的真空度传感器是超高真空用离子压力计和全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合），这些真空计本身的精度就无法达到1%以内的测量精度。[/size][size=16px] （2）文献1采用了调节泄漏阀的开环控制形式向AFM环境压力腔内回填气体来进行真空度调节，根本就无法做到实施的反馈控制，关闭泄漏阀后，腔体自身漏率的存在一定会使腔内压力逐渐回升，这种回升在超高真空度范围内会非常明显，会明显影响超高真空度的稳定性。[/size][size=16px] （3）泄漏阀是一种漏率极低的调节阀门，其微小的进气流量仅适合10[sup]-3[/sup]~10[sup]-10[/sup]mBar范围内的高真空和超高真空度调节。对于10[sup]-3[/sup]mBar~1Bar的低真空控制，泄漏阀的作用非常有限，或者需要非常长的进气时间才能达到所需真空度，因此对于低真空范围内的进气控制，一般都会采用进气流量较大的针阀。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.2 闭环控制和不同流量阀技术[/b][/color][/size][size=16px] 针对上述文献1中所用的回填技术存在的问题，本文提出的解决方案将逐项予以解决，一方面采用闭环控制技术，即由真空计、电动进气流量调节阀和真空压力PID控制器过程闭环控制回路，对所设定的不同真空度进行准确控制。另一方面是针对不同的真空度范围，分别采用了微小进气流量的电动可变泄漏阀和较大流量的电动针阀。由此构成的真空控制系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图,690,364]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111652283772_3144_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图3 原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，整个真空压力闭环控制系统分为以下四条气体管路，各自功能如下：[/size][size=16px] 抽气管路：抽气管路主要由电动球阀、干泵和分子泵组成，其中干泵和分子泵的作用是提供相应的真空源，而电动球阀则是用于调节使用干泵时管道内的抽气速率。[/size][size=16px] 大流量进气管路：大流量进气管路主要由电动针阀组成，其作用是以较大的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 微小流量进气管路：微小流量进气管路主要由电动可变泄漏阀组成，其作用是以极小的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 进气管路：进气管路的作用是连接气源和为腔体提供多种压力恒定的工作气体，图3中并未绘出。进气管路中也可以通过增加混气罐来进行各种进气的混合。[/size][size=16px] 通过上述四条管路以及相应的真空度传感器和真空压力控制器，图3所示的闭环控制系统可实现从超高真空度至一个大气压的全量程真空压力精确控制，具体控制的过程如下：[/size][size=16px] （1）低真空度范围（10mBar~1Bar）：在低真空度范围内，双通道真空压力控制器的第一通道采集1000Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动球阀，通过快速改变电动球阀的开度调节排气流量，从而在低真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在低真空度范围控制时，大流量进气管路上的电动针阀要保持恒定开度。[/size][size=16px] （2）高真空度范围（0.01mBar~10mBar）：在高真空度范围内，双通道真空压力控制器的第二通道采集10Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动针阀，通过快速改变电动针阀的开度调节进气流量，从而在高真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态。[/size][size=16px] （3）高真空度范围（10[sup]-10[/sup]mBar~0.01mBar）：在超高真空度范围内，真空压力控制器采集电离真空计（测量精度15%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动可变泄漏阀，通过快速改变泄漏阀的进气流量，从而在超高真空度范围内实现15%内的控制精度。需要注意的是在超高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态，大流量进气管路上的电动针阀处于关闭状态，而分子泵处于工作状态。[/size][size=16px] 在真空压力的控制过程中，要实现高精度控制，以下部件需要达到相应的技术指标要求：[/size][size=16px] （1）真空度传感器：真空度传感器的测量精度是决定控制精度的关键指标之一，本解决方案在低真空和高真空范围内采用了精度可达0.25%的薄膜电容真空计，而在超高真空范围内采用了精度最高可达15%的电离真空计。[/size][size=16px] （2）阀门：各种进气和排气阀门调节精度和速度也是决定控制精度的关键指标，解决方案所采用的电动针阀、电动球阀和电动可变泄漏阀都具有非常好的调节精度，响应速度都小于1秒以内，其中可变泄漏阀的响应速度可以到达十几微秒，完全可以满足超高真空度的进气控制。[/size][size=16px] （3）真空压力控制器：真空压力控制器的采集精度、调节输出精度和线性化处理功能也是决定控制精度的关键指标，解决方案采用了VPC2021系列超高精度PID调节器，具有24位AD、16位DA、0.01%最小输出百分比和八点拟合处理功能，可很好的实现全量程真空度的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案可很好的实现环境可控原子力显微镜从超高真空至一个大气压全真空度范围内任意真空压力设定点的准确控制，也可以按照设定的真空度变化曲线进行程序控制。另外，此解决方案可以推广应用到各种显微镜的真空度和气氛环境的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px] [1] Choi， Joong Il Jake， et al. "Ambient-pressure atomic force microscope with variable pressure from ultra-high vacuum up to one bar." Review of Scientific Instruments 89.10 （2018）.[/size][size=16px][/size][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][color=#000099][b][/b][/color][/size]

[size=16px][color=#000099]摘要：超高真空度的控制普遍采用具有极小开度的可变泄漏阀对进气流量进行微小调节。目前常用的手动可变泄漏阀无法进行超高真空度的自动控制且不准确，电控可变泄漏阀尽管可以实现自动控制但价格昂贵。为了实现自动控制且降低成本，本文提出了手动可变泄漏阀与低漏率电控针阀组合的解决方案，结合真空压力PID控制器可实现超高真空度自动控制。[/color][/size][align=center][size=16px][/size][/align][size=16px][/size][align=center][color=#000099]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align] [b][size=18px][color=#000099]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 超高真空一般是指10-7Pa~10-2Pa范围的真空度，相应的超高真空技术应用也十分广泛，特别是对于芯片级原子钟（CSACs）、电容膜片规（CDGs）、显微镜、质谱仪和和新型金属有机化学[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]沉积（MOCVD）等需要超高真空环境的设备，其真空度控制的稳定性通常非常重要。[/size][size=16px] 超高真空度控制的基本原理如图1所示，可采用开环和闭环两种控制形式，基本控制原理是固定真空泵的抽速，通过调节进气流量来实现不同真空度的控制。对于超高真空控制，要求进气量非常微小，所以一般采用可变泄漏阀（varible leakage valve）进行调节进气量。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=01.超高真空度控制系统结构示意图和各种可变泄漏阀,650,493]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304272211542322_7977_3221506_3.jpg!w690x524.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 超高真空度控制的基本原理和各种可变泄漏阀[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，目前常用的可变泄漏阀有手动和自动两种形式，但在实际应用中存在以下两方面的问题：[/size][size=16px] （1）手动可变泄漏阀只能组成开环控制回路，需要人工调节泄漏阀开度并同时观察真空计读数进行超高真空度控制。这种开环控制方法很难实现真空度的稳定，气源和真空腔体内稍有扰动就会带来严重的波动，另外就是在多个真空度点控制时很难操作和控制。[/size][size=16px] （2）自动可变泄漏阀是在手动泄漏阀上配置了一个电子致动器和PID控制器，与真空计可构成闭环控制回路，可实现超高真空度的精密控制，但存在的问题是价格昂贵，自动可变泄漏阀要比手动泄漏阀贵三倍左右。[/size][size=16px] 针对目前可变泄漏阀具体使用中存在的上述问题，本文提出了如下解决方案。[/size][size=18px][color=#000099][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是采用价格相对较低的手动可变泄漏阀以提供微小的很定进气流量，然后再配备低漏率的电控针阀对此微小进气流量进行电动调节，以实现最终超高真空度的自动控制，由此构成的超高真空度控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=02.手动泄漏阀和电动针阀组合式超高真空度控制系统结构示意图,600,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304272212262679_3036_3221506_3.jpg!w690x308.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 手动泄漏阀和电动针阀组合式超高真空度控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 由图2所示的控制系统可以看出，整个系统由手动泄漏阀、电控针阀、真空计和PID真空压力控制器构成，并形成闭环控制系统。在具体控制过程中，首先将手动泄漏阀调节到某一固定位置使其保持恒定的微小进气流量，真空压力控制器根据采集到的真空计信号与设定值比较后对电控针阀进行动态调节。由于电控针阀自身有很小的真空漏率，所以电控针阀的开度变化相当于是对手动泄漏阀进气流量的进一步调节，由此电动针阀与手动泄漏阀配合可实现对进入腔体的流量进行调节而最终实现超高真空度的控制。[/size][size=16px] 在图2所示的控制系统中，真空计采用了组合式皮拉尼真空计，真空度测试范围可以从一个大气压到5×10-8Pa，全量程真空度对应的模拟信号输出为0~10V。此真空计信号可以直接被真空压力PID控制器接收，PID控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比技术指标，并带有程序控制和RS485通讯功能，可很好的进行超高真空度的全量程自动控制。[/size][size=16px] 此解决方案除了可以满足小型真空腔室的超高真空度控制之外，也可以用于较大腔室的控制，所需的只是改变手动可变泄漏阀开度大小。[/size][align=center][size=16px][color=#000099]~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][/color][/size][/align]

[color=#990000]摘要：在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中，需要对真空度进行准确控制，否则会因变形、折射率和温度等因素的影响带来巨大波动，甚至会造成测量无法进行。本文介绍了真空度的自动化控制技术，详细介绍了具体实施方案。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提示[/color][/size] 作为一种高精密光学仪器，迈克尔逊激光干涉仪得到了非常广阔应用，它可用于测量波长、气体或液体折射率、厚度、位移和倾角，具备对长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度等的高精密测量。但在高精密测量中，迈克尔逊干涉仪会受到气氛环境的严重影响，为此一般将被测物放置在低压真空环境中，如图1所示，并对真空度进行精密控制，否则会带来以下问题：[align=center][color=#990000][img=激光干涉仪真空度控制,500,315]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201270813137507_5730_3384_3.jpg!w690x435.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图1 迈克尔逊激光干涉仪典型测试系统结构[/align] （1）测试环境的气体折射率波动，会对高精密测量带来严重影响。如果采用专门的气体折射率修正装置，测量精度也只能达到微米或亚微米量级，而无法实现更高精度的测量。 （2）如果真空腔室内有温度变化，腔室内的气压也会剧烈变化，相应折射率也会发生剧烈波动而严重影响干涉仪测量。 （3）在抽真空过程中，内外压差会造成真空腔室的微小变形，同时也会造成光学窗口产生位移和倾斜，从而改变测量光路的光程。 （4）在有些变温要求的测试领域，要求被测物能尽快的被加热和温度均匀，这就要求将真空度控制在一定水平，如100Pa左右，由此来保留对流和热导热传递能力。 总之，在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中，需要对真空度进行准确控制。本文将介绍真空度的自动化控制技术以及具体实施方案。[size=18px][color=#990000]二、实施方案[/color][/size] 迈克尔逊激光干涉仪测试过程中，真空度一般恒定控制在100kPa左右，并不随温度发生改变。为此，拟采用如图2所示的真空度控制系统进行实施，具体内容如下：[align=center][color=#990000][img=激光干涉仪真空度控制,690,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201270813484950_7314_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 迈克尔逊激光干涉仪测试真空度控制系统结构[/color][/align] （1）采用1torr量程的电容真空计进行真空度测量，其精度可达±0.2%。 （2）采用24位A/D采集的高精度PID真空压力控制器，以匹配高精度真空压力传感器的测量精度，并保证控制精度。 （3）在真空腔室的进气口安装步进电机比例阀以精密调节进气流量。 （4）控制过程中，真空泵开启后全速抽取并保持抽速不变。然后对控制器进行PID参数自整定，使控制器自动调节比例阀的微小开度变化实现腔室真空度的精确控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

批处理样品，十几个样以后出现离子真空计不能正常控制的问题，质谱停止批处理。这是从一次老化柱子之后开始的，那会因为是旧柱子，就没有断质谱，质谱还是真空状态，老化完以后就开始出现这问题。批处理停止以后重新开始批处理一切正常，真空也没掉，真空度计也是正常的，就是走一段时间样就可能会出错。谁遇到过啊，这个怎么解决。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191701_669765_2851308_3.jpg

[align=center][img=多点拟合功能的PID控制器在真空计线性化处理中的应用,550,416]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309141551304705_7372_3221506_3.jpg!w690x522.jpg[/img][/align][size=16px][color=#990000][b]摘要：针对高真空度用皮拉尼计和电离规信号的非线性和线性两种输出规格，为改进高真空度的测量和控制精度，本文提出了线性化处理的解决方案。解决方案的关键是采用多功能超高精度的真空压力控制器，具体内容一是采用控制器自带的最小二乘法多点拟合功能来进行高真空区间的非线性处理，二是采用控制器的数值转换功能对真空度对数线性输出进行相应测试量程转换。此解决方案还可以推广应用于其他具有非线性输出性质的传感器中。[/b][/color][/size][align=center][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/align][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在真空度测量过程中，一般会根据不同真空度范围选择相匹配的真空度传感器。常用的三类真空度传感器是电容真空计、皮拉尼真空计和电离规，这些传感器会对应所测量的真空度输出相应的电压信号，其中电容真空计的真空电压关系曲线为线性，而皮拉尼计和电离规的真空电压关系曲线基本都是底数为10的幂函数，具有强烈的非线性特征，如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=皮拉尼计和电离规的真空度测量与输出电压信号典型关系曲线,660,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309141555049140_6935_3221506_3.jpg!w690x358.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 皮拉尼计和电离规的真空度测量与输出电压信号典型关系曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 皮拉尼计和电离规往往会用在高真空和超高真空范围内的测量，由此这种非线性会给高真空和超高真空范围内的测量带来以下一系列的问题：[/size][size=16px] （1）大多数真空测量仪表基本上都采用的是线性电路，以采集真空计输出信号并进行线性转换后进行显示和输出。这种对非线性信号仅进行简单线性转换的方式，势必会给真空度测量带来巨大误差，这也是皮拉尼计和电离规在高真空度范围内测量精度不高的主要原因。[/size][size=16px] （2）如图1所示，这种非线性特征是以10为底数的幂函数，因此可以通过对数处理将其进行线性化处理。有些国外厂家的真空计也确实具有这种功能，使得真空度的对数与输出电压值呈线性关系。这种线性化处理的最大优点是可以大幅度提高真空计的测量精度，特别是对超高真空度范围内的精度提高更加显著。但这种线性化处理仅是针对真空度到模拟输出信号，如果要对这输出信号进行还原或准确显示真空度，还需后续的处理电路或采集仪表进行反向处理。[/size][size=16px] （3）除了上述在真空度测量中存在的如何准确显示的问题之外，更大的问题是在真空度控制中的应用。在真空度控制中，真空计往往是连接到PID控制器的传感器，无论真空计自身是否采用了线性化处理技术，但都要求线性控制形式的PID控制器具有线性化处理功能，而现状是很少有PID控制器具有这种线性化处理的高级功能，这也是制约高真空度范围内控制精度不高的主要原因。[/size][size=16px] （4）皮拉尼计和电离规的另一个显著特点是具有气体的选择性，对于不同气体环境下的真空度测量其非线性公式中的常数并不相同，需要根据气体类型进行选择。这种气体选择性特征更加大了真空计输出信号的线性化处理难度和复杂程度，很难采用一种通用电路和仪表来满足大多数不同气体氛围下的真空度测量和控制。[/size][size=16px] 为了解决上述皮拉尼计和电离规的信号非线性和气体选择性特性给高真空度测量和控制带来的问题，本文提出了相应的解决方案，关键是采用具有线性化处理等高级功能的PID控制器。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对现有的各种皮拉尼计和电离规的真空度电压输出信号，包括非线性信号和已经处理后的线性信号，解决方案的核心是采用如图2所示的具有众多高级功能的超高精度真空压力控制器。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=VPC-2021系列超高精度PID控制器,500,264]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309141555336153_2091_3221506_3.jpg!w690x365.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 VPC-2021系列超高精度真空压力控制器[/b][/color][/size][/align][size=16px] 此控制器在具有超高精度24位AD模数转换和16位DA数模转换的同时，还充分发挥了微处理器的速度和数据处理能力，在现有各种温度传感器线性化处理的基础上，增加了八点拟合线性化处理功能和数值变换功能，通过相应的面板按键操作或所配软件的设置，可对皮拉尼计和电离规输出信号进行有效处理，可显著改善高真空度范围内的测量和控制精度。[/size][size=16px][color=#990000][b]2.1 真空计非线性信号的多点拟合处理[/b][/color][/size][size=16px] 对于皮拉尼计和电离规，在0.00001Pa~0.1Pa（甚至更宽泛）的高真空度范围内，随着压力的增大所输出的电压信号基本是缓慢上升的平滑曲线形式，如图1所示。由此，在此高真空范围内，这也是皮拉尼计和电离规的主要测量应用范围，真空度与电压信号的关系曲线完全可以用多项式曲线来准确描述，本解决方案就是采用此特性来进行多点拟合处理，通过拟合处理实现真空度的高精度测量以及后续的准确控制。[/size][size=16px] VPC2021系列多功能超高精度PID控制器具有特殊的8点曲线拟合功能，PID控制器8点线性化处理功能是通过8组数据组成线性化表，将输入值经过最小二乘法拟合计算产生输出值和显示值。如图3所示，在使用此功能时，所选的输入值（X轴，代表真空计输出的电压或电流值）必须是递增形式，而对应的测量值或显示值则可以是递增或递减关系。自定义传感器非线性输入支持以下三种输入类型和对应量程：[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=PID控制器8点线性化处理功能示意图,500,306]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309141555590193_5542_3221506_3.jpg!w690x423.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 八点线性化处理功能示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）20mV、100mV；(LSB：0.01mV)。[/size][size=16px] （2）0-10mA、0-20mA、4-20mA；（LSB：0.001mA）。[/size][size=16px] （3）0-1V、0-2V、0-5V、1-5V、0-10V、2-10V；（LSB：1mV）。[/size][size=16px] 通过这种多点拟合处理，使得真空度测量和控制具有了以下特点：[/size][size=16px] （1）可提高真空度的测量和控制精度。[/size][size=16px] （2）测量值和控制值可直观的进行准确显示，显示的真空度即为真实的真空度值。[/size][size=16px] （3）可适用于所有皮拉尼计和电离规非线性信号的处理和应用，但局限性是仅适用于变化舒缓的高真空度区间。[/size][size=16px][color=#990000][b]2.2 真空计线性信号输出的数值变换处理[/b][/color][/size][size=16px] 个别厂家和型号的真空计其输出信号已经进行了线性化处理，输出信号与真空度的对数呈线性关系。如图1所示，此时对应于纵坐标的电压输出值，横坐标的真空度变化范围是-10~+5；也可以是对应于横坐标的电压输出值，纵坐标的真空度变化范围是-10~+5。[/size][size=16px] 对于不同的皮拉尼计和电离规，这个线性的电压值与真空度对数值范围并不相同，在具体应用中都需要对其数值范围进行修正以形成一一对应关系。采用VPC2021系列真空压力控制器可以很容易的进行这种数值变换处理并形成准确的线性对应关系，这种处理具有以下特点：[/size][size=16px] （1）建立的输出电压和对数真空度的线性关系，可进一步提高真空度控制的准确性，这是因为经过对数处理后放大了真空度测量灵敏度。[/size][size=16px] （2）局限性是这种线性化处理后的显示值并不直观，所显示的真空度为对数真空度。在具体显示和控制时，真空度控制的设定值输入要求也必须是对数真空度，如果要显示真实真空度，还需上位机进行转换。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过本解决方案可以很好的对信号输出非线性特征明显的皮拉尼计和电离规进行线性化处理，可明显提高高真空度范围的测量控制精度，同时本解决方案可推广应用到其它非线性传感器的线性化处理中。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align]