控制式三轴仪

[size=16px][color=#339999][b]摘要：在当前的各种三轴测试仪中，对月壤和月壤模拟物的样品制备和力学性能测试还无法实现样品的真空制备、测试过程中的可变围压控制和样品的超真空度准确控制。为此本文提出了实现这些功能的解决方案，解决方案采用不同气体流量控制技术以及特殊样品机构来实现月壤样品负压吸膜压实制备和给样品提供高真空环境，采用正压气体压力控制技术实现月壤样品的可变围压控制。此解决方案可用于开发新型真空三轴仪和现有三轴仪的升级改造。[/b][/color][/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 随着我国探月工程的开展，对月球土壤和岩石的研究工作也在进一步深入开展，其中目前迫切需要开展的工作之一是在实验室模拟月球的高真空条件下，测试循环载荷对月壤（或月壤模拟物）密度的影响以及相应的应力-应变-强度特性。这些工作都需要在具有超高真空形成和控制能力的三轴仪上进行，在这种超高真空三轴仪上需要具体开展的研究内容如下：[/size][size=16px] （1）不同真空度条件下的样品压实及其密度变化研究。[/size][size=16px] （2）开发新型高真空型三轴仪或改造现有圆柱形三轴装置，用于在高真空下对压实月球模拟物的应力-应变-强度进行测试。[/size][size=16px] （3）循环压实模拟物的约束和三轴剪切试验。[/size][size=16px] （4）评估原位（围压）应力和高真空对压实模拟物响应的影响，确定变形和强度参数。[/size][size=16px] 为了开展上述研究工作，特别是针对开发新型高真空三轴仪或对现有的三轴仪进行高真空技术改造，本文提出了相应的解决方案，解决方案的核心是设计新型的月壤样品卡具，并增加相应的真空压力配套系统，实现超高真空和正压围压的精密控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 无论是开发新型高真空三轴测试仪，还是对现有三轴设备进行高真空技术改造，都需要实现以下几方面的功能和技术指标：[/size][size=16px] （1）可对月壤样品进行单独的抽真空，使包裹有橡胶膜的月壤样品处于模拟的月球真空环境中，真空度范围为1×10[font='times new roman'][sup]-11[/sup][/font]Torr~760Torr（绝对压力），真空度可在此范围内的任意设定点上进行控制，控制精度由真空计的测量精度确定。[/size][size=16px] （2）在包裹有橡胶膜的月壤样品外部空间内，提供高于一个大气压的气体压力用于形成围压，可在0~400kPa（表压）范围内的任意设定点上进行控制，控制精度优于1%。[/size][size=16px] 为了实现上述三轴仪功能和技术指标，本文提出了相应的真空压力控制解决方案，解决方案的前提是三轴仪需具备独立的样品抽真空管路、样品顶部和底部的低漏率密封连接件以及密闭型的围压生成腔体。解决方案所设计的三轴仪和真空压力控制系统如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.三轴仪真空压力控制系统结构示意图,690,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307250954595123_1111_3221506_3.jpg!w690x450.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 三轴仪真空压力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，月壤样品通过外侧的橡胶膜、密封顶杆和基座、以及上下密封圈形成独立的真空密闭环境。在真空度控制过程中，由顶盖管路进行抽真空排气，由底部基座管路进气，通过排气和进气速率达到不同的动态平衡状态实现相应设定真空度的控制。[/size][size=16px] 月壤样品上下两端的真空管路都经过三轴仪底部基座与外部的真空控制管路连接，所连接的真空排气控制管路用紫色线表示，排气控制管路上连接有由皮拉尼计、电容规、电动球阀、干泵和分子泵。[/size][size=16px] 真空进气分为低真空和高真空两个控制管路，这两个管路并联且共用三轴仪底部基座的进气口，以分别负责大流量进气和微小流量进气。其中低真空进气控制管路用绿线表示，此管路中连接有电动针阀、压力调节器、高压气源和双通道真空压力控制器。高真空微量进气控制管路用蓝线表示，此管路中连接有电动针阀、泄漏阀、压力调节器、高压气源和双通道真空压力控制器。[/size][size=16px] 为了给月壤样品四周提供可变的围压，需要在图1中的腔室内形成充气正压，即处于真空状态下的月壤样品被放置在一个气体压力可控的密闭腔室内。正压腔室同样也经过三轴仪底部基座通道与黄线所代表外部正压控制管路连接，此管路中连接有压力计、压力调节器、高压气源和双通道真空压力控制器。[/size][size=16px][color=#339999][b]（1）低真空控制[/b][/color][/size][size=16px] 所谓低真空是指仅靠干泵抽气所能达到的真空能力，一般是0.01~760Torr绝对真空度范围。在此低真空范围内的控制时，使用到了紫线所示的抽气管路和绿线所示的低真空控制管路，此时分子泵和蓝线高真空管路处于关闭状态。[/size][size=16px] 在此低真空0.01~760Torr范围内，一般需要配置两个不同量程的电容规才能覆盖。因此，低真空范围内的控制，采用了双通道真空压力控制器，其中第一通道连接1000Torr量程的电容规和电动球阀，用来控制1~760Torr范围内的真空度；第二通道连接1Torr量程的电容规和电动针阀，用来控制0.01~1Torr范围内的真空度。[/size][size=16px][color=#339999][b]（2）高真空控制[/b][/color][/size][size=16px] 所谓高真空是指在低真空基础上还需分子泵继续抽气所能达到的真空能力，一般是指绝对真空度范围1×10[font='times new roman'][sup]-2[/sup][/font]~1×10[font='times new roman'][sup]-11[/sup][/font]Torr。在此高真空范围内的控制时，使用到了紫线所示的抽气管路和蓝线所示的高真空控制管路，此时干泵和绿线低真空管路处于关闭状态。[/size][size=16px] 在此高真空范围内，可以根据精度要求选择不同的真空计，另外还需分别控制电动针阀和压力调节器。高真空范围内的控制同样也采用了双通道真空压力控制器，其中第一通道连接真空计和压力调节器进行真空度自动调节；第二通道连接电动针阀用于高真空控制管路的打开和关闭。[/size][size=16px][color=#339999][b]（3）正压压力控制[/b][/color][/size][size=16px] 正压压力控制是提供0~400kPa（表压）范围内的自动控制，使用了黄线所示的压力管路，并可以根据控制精度要求选择相应的压力计，同时采用了单通道真空压力控制器。在正压控制过程中，压力计、压力调节器和真空压力控制器组成闭环控制回路，可自动根据压力设定点或设定程序对进气压力进行减压定点控制或可编程控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过此解决方案可很好的实现三轴测试仪在高真空环境和可变围压条件下的测试，但在实际应用中还需注意以下两个方面：[/size][size=16px] （1）通过上述真空控制功能，也可以进行圆柱形月壤样品的压实制作。即在颗粒状样品压实制作时，先将橡胶膜管放置在一个侧壁透气的金属圆管内，然后把低真空控制管路连接到腔体正压接口对腔体抽真空，通过橡胶膜外部的真空作用使橡胶膜紧密吸附在金属圆管内壁上，由此可方便的倒入颗粒月壤并进行压实，最终制作出非常规整的外部套有橡胶膜的圆柱状月壤样品。[/size][size=16px] （2）在此方案中，仅指定了高真空度的有限范围和一路高真空控制管路。如果需要进一步扩展到更高真空度，还需根据所扩展的真空度选择不同的真空泵，由此还需改变高真空控制中的泄漏阀技术指标，或增加高真空控制管路数量，这样才能满足不同高真空度范围内的准确控制。[/size][size=16px] （3）此解决方案所涉及的真空压力控制技术，结合流量测量技术后，也可拓展应用到月壤和各种土壤的渗透性能测试。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=16px][/size][size=16px][/size][size=16px][/size][size=16px][/size][size=16px][/size]

[align=center][size=16px] [img=温度调制式差示扫描量热法MTDSC中实现正弦波温度控制的方法,650,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304241524097587_3670_3221506_3.jpg!w690x437.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#990000]摘要：在调制温度式差式扫描量热仪（MTDSC）中，关键技术之一是正弦波加热温度的实现，此技术是制约目前国内无法生产MTDSC量热仪的重要障碍，这主要是因为现有的PID温控技术根本无法实现不同幅值和频率正弦波这样复杂的设定值输入。本文将针对此难题提出了相应的解决方案，即采用具有外置设定点功能的特制PID控制器来实现正弦波温度控制。[/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 调制温度式差式扫描量热法（MTDSC）是由差示扫描量热法（DSC）演变而来的一种热分析方法，该方法是对温度程序施加正弦波扰动，形成热流量和温度信号的非线性调制，从而可将总热流信号分解成可逆和不可逆热流成分。即在传统DSC线性变温基础上叠加一个正弦振荡温度程序，如图1所示，由此可随热容变化同时测量热流量，然后利用傅立叶变换可将热流量即时分解成可逆的热容成分（如玻璃化转变、熔化）和不可逆的动力学成分（如固化、挥发、分解）。[/size][align=center][size=16px][img=01.调制式差示扫描量热法正弦波温度变化曲线,606,395]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304241527062808_6964_3221506_3.jpg!w606x395.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 调制式差示扫描量热法正弦波温度变化曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 与DSC（差式扫描量热仪）相比，MTDSC（温度调制式差式扫描量热仪）主要会涉及到两项完全不同的技术，一是正弦波温升变化的实现，二是测量信号的傅里叶变换分析。这两项技术作为MTDSC的核心技术，也是制约目前国内无法生产MTDSC量热仪的重要障碍。特别是在正弦波温度变化控制方面，现有的PID温度控制技术根本无法实现正弦波这样复杂的设定值输入。为此，本文将针对正弦波温度的实现提出相应的解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 在温度自动控制方面一般常会使用PID调节器，PID温度调节器的基本原理是根据设定值与被控对象测量值之间的温度偏差，将偏差按比例、积分和微分通过计算后形成控制输出量，对被控对象的温度进行控制。这里的设定值是一种泛指，实际上包括了不随时间变化的固定设定值和随时间变化的设定曲线。对MTDSC量热仪而言，设定曲线则是正弦波和一条斜线的叠加而成的曲线，其中的斜线是需设定的平均升温速率，而正弦波则是需设定幅值和频率的正弦温度波。[/size][size=16px] 由此可见，解决MTDSC温度正弦波控制的关键是PID温度控制器的设定值可以按照所需的正弦波和线性曲线叠加后函数进行设置。为此，本文提出的解决方案具体内容如下：[/size][size=16px] （1）采用具有外置设定点功能的PID控制器，即PID控制器所接收到的外部任意波形信号都可以作为设定值。[/size][size=16px] （2）配套一个函数信号发生器，给PID控制器传输所需的正弦波和线性叠加信号。[/size][size=16px] 依据上述方案内容所确定的PID控制装置及其接线如图2所示，具体内容如下：[/size][align=center][size=16px][img=02.调制温度式差示扫描量热仪MTDSC正弦波温度控制装置及其接线图,690,216]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304241527309145_3057_3221506_3.jpg!w690x216.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 调制式差示扫描量热仪MTDSC正弦波温度控制装置及其接线图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）具有外置设定点功能的PID控制器[/size][size=16px] 所用的具有外置设定值功能的PID控制器具有两个输入通道，主输入通道作为测量被控对象的温度传感器输入，辅助输入通道用来作为外置设定点输入。与主输入通道所能接收的信号一样，辅助输入通道的外置设定点同样可接受47种类型的输入信号，其中包括10种热电偶温度传感器、9种电阻型温度传感器、3种纯电阻、10种热敏电阻、3种模拟电流和12种模拟电压，即任何信号源只要能转换为上述47种类型型号，都可以直接接入辅助输入通道作为外置设定点源。需要注意的是，远程设定点功能只能在单点设定控制模式下有效，在程序控制模式下无此功能。[/size][size=16px] （2）函数信号发生器[/size][size=16px] 对于MTDSC而言，相应的传感器测量输出无外乎就是电压和电阻这两类信号输出。因此，为了实现MTDSC的温度以正弦波形式的周期性变化，可以采用各种相应的信号发生器输出相应幅值和频率的正弦波信号和线性信号，对这两路电压信号进行叠加后传送给辅助输入通道。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 控制器的接线、设置和操作[/b][/color][/size][size=16px] 为了正常使用正弦波温度控制装置，还需进行相应的接线、设置和操作。[/size][size=16px] 首先，对于图2所示的正弦波温度PID控制装置，也可以用作常规PID温度控制器。即主输入通道连接温度传感器，主控输出1通道连接温控执行机构，由此传感器、执行机构和PID调节器组成标准的闭环控制回路，由此可以通过内部设定点或设定程序进行PID温度控制。[/size][size=16px] 如果要在MTDSC热分析仪上实施正弦波温度变化的控制，则使用外置设定点功能，此时需要在辅助输入通道接入远程设定点源，即函数信号发生器。[/size][size=16px] 完成外部接线后，在运行使用外置设定值功能之前，需要对PID控制器的辅助输入通道相关参数进行设置，且需要满足以下几方面要求：[/size][size=16px] （1）辅助通道上接入的远程设定点信号类型要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （2）辅助通道的显示上下限也要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （3）显示辅助通道接入的外置设定点信号大小的小数点位数要与主输入通道保持一致。[/size][size=16px] 完成上述辅助输入通道参数的设置后，在开始使用外置设定点功能之前，还需要激活外置设定值功能。外置设定值功能的激活可以采用以下两种方式：[/size][size=16px] （1）内部参数激活方式：在PID控制器中，设置辅助输入通道2的功能为“远程SV”，相应数字为3。[/size][size=16px] （2）外部开关切换激活：如图2所示可连接一个外部开关进行切换来选择外置设定点功能。同时，还需在PID控制器中，设置辅助输入通道2的功能为 “禁止”，相应数字为0。然后设置外部开关量输入功能DI1为“遥控设定”，相应数字为2。通过这种外部开关量输入功能的设置，就可以采用图2中所示的开关实现外置设定点和本地设定点之间的切换，开关闭合时为外置设定点功能，开关断开时为本地设定点功能。[/size][size=16px] 需要注意的是，无论采用哪种外置设定点激活和切换方式，在输入信号类型、显示上下限范围和小数点位数这三个参数选项上，辅助输入通道始终要与主输入通道保持一致。[/size][size=18px][color=#990000][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案，可以彻底解决温度调制式差式扫描量热仪（MTDSC）的正弦波温度的控制问题，温控器模块化结构可很容易与MTDSC热分析仪进行集成，无需再研发和配置复杂的控制电路和软件。随机配备的计算机软件可方便的进行控制运行和调试，便于热分析研发工作的开展。[/size][size=16px] 解决方案的另一个优势是所采用的PID温控器具有很高的测控精度，其中24位AD、16位DA、双精度浮点运算和0.01%的最小输出百分比，这可以满足MTDSC高精度温度控制需求。[/size][size=16px] 另外，本解决方案中的控制器还可以进行多种拓展，除可实现被控对象周期性调制波的加载之外，还可非常便于实现第二类和第三类边界条件的精密PID控制，同时还可以实现其他物理量，如真空、压力和张力等的串级控制、分程控制和比值控制等。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]