高低压力控制器

[color=#ff0000]摘要：目前的MKS系列集成式压力控制器本质上是一种流量调节和测量装置，无法直接用来进行准确的压力控制，而且MKS压力控制器还存在测量精度不高、压力控制范围有限和对工作介质洁净度要求很高的不足。为此，为了弥补这些不足，特别是为了实现国产替代，本文为提出了相应的解决方案，特别是针对不同的应用场景提出一系列的国产替代的配套解决方案，这些解决方案已经在推广使用并可实现高精度的真空压力控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][img=MKS集成式压力控制的国产化替代,600,365]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300953301520_8126_3221506_3.jpg!w690x420.jpg[/img][/align][color=#ff0000][b][size=18px]1. MKS集成式压力控制器概述[/size]1.1 种类和功能分析[/b][/color] 真空压力控制器在众多领域内有着极其广泛的应用，美国MKS公司在10~5000Torr的绝对压力范围内（从真空到正压）有一系列的相应产品，这些产品的主要技术指标如图1所示。[align=center][color=#ff0000][img=MKS集成式压力控制器的各种型号和主要技术指标,690,321]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300945278484_9825_3221506_3.jpg!w690x321.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 MKS集成式压力控制器的各种型号和主要技术指标[/color][/align] 从图1所示的技术指标可以看出各种MKS压力控制器的相互关系及其各自的功能特点，用关系图（图2）进行更直观的描述，主要包括以下几方面的内容：[align=center][color=#ff0000][img=各种MKS压力控制器的相互关系及其不同功能,690,559]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300946036594_5987_3221506_3.jpg!w690x559.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2 各种MKS压力控制器的相互关系及其功能：（a）常规型号；（b）新型号[/color][/align] （1）如果按照产品推出先后来进行分类，所有MKS集成式压力控制器基本可以分为两个大类，一类是常规型号，主要包括PPCA、GPCA、PPCMA、GPCMA、PDPCA和DPC；另一类是根据新技术迭代和应用发展情况推出的新型号产品，主要包括640B、641B和649B。为了主观的区分这两类压力控制器，常规型号的外观主色为蓝色，而新型号的外观主色为白色。 （2）按照压力控制覆盖范围来分类，MKS集成式压力控制器可分为低压型和高压型两类。低压型一般是指可覆盖5~1000Torr范围的绝对压力控制，高压型一般是指可覆盖500~5000Torr区间的绝对压力控制。其中也有通用型压力控制器，其压力控制可以覆盖整个低压和高压全量程，如640B和641B控制器的压力控制覆盖范围为10~5000Torr。在压力控制器选型时要十分注意，所有压力控制器都有一个实际压力控制区间，其实际最小压力控制下限一般为最大标称压力值的2%~5%。如标称满量程为1000和5000Torr的压力控制器，其实际可控最小压力分别只能达到20Torr和100Torr，因此要根据相应控制器给出的控制范围技术指标来具体确定最小可控制压力。 （3）按照是否集成了质量流量计来分类，MKS集成式压力控制器可分为有无集成质量流量计两大类。MKS对集成式压力控制器产品的布局一般是先推出纯压力控制器，然后在此压力控制器上再集成质量流量计作为另外一个新型号产品推出。 （4）按照被控压力对象与压力控制器的位置关系，MKS压力控制器可分为（Upstream）上游和（Downstream）下游两类。上游控制器用来调节进气流量来实现压力控制，而下游控制器则是用来调节出气流量以实现压力控制。 （5）按照压力控制对象数量来分类，MKS集成式压力控制器一般分为单区和双区压力控制两类。单区意味着只能控制一个对象的压力，而双区则可以同时控制两个对象达到不同压力。 总之，MKS压力控制器基本都是按照压力控制范围、是否集成流量计、上下游控制模式和单双区这四项功能进行各种搭配组合形成各种型号的压力控制器，以满足不同应用要求。[b][color=#ff0000]1.2 技术分析[/color][/b] 纵观所有MKS集成式压力控制器，其核心技术特征可以归纳为以下两点： （1）标准的压力控制器技术和结构。 （2）在标准压力控制器中集成了质量流量计。 为了清晰了解上述特征，图3展示了MKS压力控制器的内部典型结构。[align=center][color=#ff0000][img=MKS集成式压力控制器典型内部结构示意图,690,325]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300946311813_8832_3221506_3.jpg!w690x325.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图3 两种MKS集成式压力控制器的典型结构：（a）标准结构；（b）集成流量计结构[/color][/align] 从图3可以明显看出，MKS集成式压力控制器的标准结构是将电容式压力计、比例阀和PID控制电路进行了集成，而通过再集成质量流量传感器对功能进行了进一步的拓展。 在实际应用中选择MKS集成式压力控制器时要特别注意的一点是，尽管MKS标称是压力控制器，但本质和实际功能则是对流动介质流量的调节，并不能直接用来控制压力，这点可以从图4 所示的MKS压力控制工作原理明显看出。[align=center][color=#ff0000][img=MKS压力控制器工作原理示意图,690,199]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300948271418_5252_3221506_3.jpg!w690x199.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图4 MKS集成式压力控制器的压力控制工作原理[/color][/align] 如图4所示，在对容器进行压力控制时，可以采用上游和下游两种控制模式。但无论采用哪种控制模式，MKS所谓的压力控制器只是起到一个进气或排气流量的调节。在所有容器的压力控制，无论是上游还是下游控制模式，都必须使得进气和排气流量达到一种平衡才能真正实现压力的准确控制。所以在使用MKS集成式压力控制器时，首先要明确被控压力容器的进气或排气流量大小，然后再根据这些流量大小来选择相应的MKS压力控制器，否则很难实现准确的压力控制。 另外，从图1所示的技术指标可以看出，所有的MKS压力控制器的压力测量精度基本都为读数的±0.5%（这是典型的电容式压力计测量精度），而控制精度一般则为读数的±1%。由此可说明在MKS压力控制器所采用的PID控制电路中，其AD和DA的精度并不高。[color=#ff0000][b]1.3 MKS集成式压力控制器存在的不足[/b][/color] 根据上述技术分析，可以发现MKS集成式压力控制器存在以下几方面的不足： （1）MKS集成式压力控制器实际上起到的是流量调节功能，并不能直接用来进行容器的压力控制，特别是对低漏率的密闭容器压力控制，仅使用一个MKS压力控制器无法实现压力控制，虽然可以使用两个MKS控制器分别调节进气和排气流量来准确控制压力，则这种配置的性价比极差，整体成本较高。 （2）同样，在压力控制器中集成质量流量计也是一种严重浪费。一方面，压力控制器用来调节流量来进行压力控制，但在调节过程中流量始终处于动态变化过程，此时测量流量值没有任何意义和作用。另一方面，在采用两个MKS集成式压力控制器进行压力控制时，尽管可以人工设定控制器的进气和排气流量恒定，此时流量计可以读出恒定流量值，但直接采用一个质量流量计就能实现流量测量功能，无需配备复杂价高的MKS集成式压力控制器。 （3）MKS集成式压力控制器的控制精度并不高，仅为读书的±1%，这种控制精度并未充分发挥电容真空计测量精度高的优势，并不适用于很多高精度真空压力控制场合。 （4）MKS集成式压力控制器的低压控制范围非常有限，绝对压力（真空度）最低控制范围仅为0.1Torr~5Torr（13Pa~665Pa），无法满足更低压力（高真空度）的控制需要。 （5）MKS集成式压力控制器采用的比例阀和质量流量计，要求工作介质要非常干净，特别是在下游控制模式中更是要求工作介质无粉尘和颗粒，否则非常容易发生堵塞现象，而这些控制器根本无法进行拆卸清理。所以MKS集成式压力控制器基本无法在复杂气氛环境中使用。 本文基于MKS集成式压力控制器的上述问题，提出了相应的解决方案，特别是提出一整套国产替代的解决方案。[size=18px][color=#ff0000][b]2. 替代方案的基本原理和特点[/b][/color][/size] 替代方案的主要目的是对各种容器（低漏率和高漏率）实现准确的压力控制，压力控制可覆盖从0.1Pa的高真空至1MPa的高压范围，控制精度至少要达到0.1~0.2%。 无论是高真空还是高压控制，替代方案所采用的控制原理是经典的动态平衡法，如图5所示，即同时调节进入和排出密闭容器的介质流量，通过快速达到不同的动态平衡状态，实现高精度压力控制。[align=center][color=#ff0000][img=压力控制解决方案工作原理图,690,440]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300948505632_256_3221506_3.jpg!w690x440.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图5 替代方案中的压力控制工作原理[/color][/align] 此解决方案有如下特点： （1）是一种真正的真空压力控制方法，可直接用来进行真空压力控制而无需再配套其他进气和排气流量调节装置。 （2）可覆盖高真空至高压的大区间控制。高压控制时，进气端可配置高压源；高真空控制时，排气端可配置真空泵。并可采用两个压力传感器覆盖整个真空压力范围的测量，两个压力传感器可同时接入调节器。 （3）通过同时调节进气阀和排气阀的开度大小实现真空压力控制。具体控制方法为分程法，在高真空控制时，以调节进气阀为主，在高压控制时，以调节排气阀为主。而且从高真空至高压的整个范围内，真空压力可以连续控制。 （4）具有很强的适用性。这种解决方案适用于所有容器的真空压力的高精度控制，无论容器是低漏率还是高漏率。如果容器内部装配了容易使气压发生变化的高低温装置，这种真空压力控制方法也非常适用。 （5）可实现小型化集成结构。集成结构是将图5中黄色方框内的两个电子调节阀、双通道PID控制器、压力传感器和空腔进行集成封装为一体结构，空腔留出被控压力输出口，由此形成有三个接口的真正的真空压力控制器，这就是一个典型的电气比例阀。由此可以看出，电气比例阀的这种集成式结构同样与MKS集成式压力控制器有着小巧的体积，但在技术上是一种拓展，是在MKS控制器上增加了一个电子调节阀，并将PID控制器升级为双通道功能。灵巧结构电气比例阀的优势是可以控制低真空至高压的宽泛区域压力，但最大问题是无法进行高真空控制。 （6）可实现分立结构。分立结构就是如图5所示的形式，只是图中的被控压力空腔直接就是被控压力容器，而两个电子调节阀和压力传感器直接安装在真空压力容器上，外置形式的双通道PID控制器采集压力传感器信号来控制两个电子调节阀。 根据上述特点可以看出，解决方案的压力控制形式具有很大的灵活性，可根据具体真空压力控制场景选择集成结构或分立结构。[b][size=18px][color=#ff0000]3. 替代方案的具体内容[/color][/size][/b] 根据上述替代方案的工作原理和特点，替代方案可具有多种形式，可适用于多种应用中真空压力的高精度控制。[b][color=#ff0000]3.1 采用集成式结构的真正压力控制解决方案[/color][/b] 从上述技术分析可知，MKS集成式压力控制器并不能直接用来进行压力控制。为此，我们提出采用集成式结构的电气比例阀来直接进行压力控制的解决方案。方案的整体结构如图6所示。[align=center][img=采集电气比例阀串级控制方法的真空压力控制方案示意图,500,334]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211301000007653_8470_3221506_3.jpg!w690x461.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图6 串级控制法的真空压力控制方案结构示意图[/color][/align] 在此解决方案中，可通过高压进气或真空泵抽气方式，通过单独的电气比例阀即可实现密闭容器内的真空压力准确控制。需要注意的是，对于真空度的控制，可采用真空型电气比例阀并开启真空泵。而对于高于标准大气压的高压控制，可选用高压电气比例阀，并开启高压气源。 从图6可以看出，一个比例阀对应于一个被控压力，那么采用多个比例阀，则可实现双区和多区的真空压力控制。此外，对于较大体积或长管件形式的密闭容器，可采用外置压力传感器和PID控制器构成串级控制回路进行控制，可实现真实准确的真空压力控制。[b][color=#ff0000]3.2 采用分离结构的真正压力（真空度）控制解决方案[/color][/b] 上述采用电气比例阀集成结构和串级控制回路的真空压力控制方案，其不足是无法进行高真空区间的控制。为此本文提出采用分离结构形式的真空度控制解决方案，其结构如图7所示。[align=center][color=#ff0000][img=分立结构真空度控制系统结构示意图,600,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300950563929_3352_3221506_3.jpg!w690x408.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center]图7 分立结构真空度控制系统结构示意图[/align] 图7所示的真空度控制解决方案可现实全真空范围内的准确控制，但在具体实施过程中需要注意以下几点： （1）为了保证真空度的控制精度，传感器采用了电容真空计，但一般需要两只真空计才能覆盖全真空范围（0.1Pa~0.1MPa)。 （2）若要实现全真空范围的控制，需同时调节进气阀和出气阀。高真空控制时需设定排气阀开度仅进行进气阀调节，低真空控制时则需设定进气阀开度仅进行出气阀调节。若真空腔体较大，则需抽速较大的真空泵，并需更换电子球阀进行大流量调节。 （3）由于需要对进气阀和排气阀进行同时调节，所以必须配备两通道的PID调节器。另外，为了保证真空度控制精度，除了采用高精度的电容真空计和电子针阀/球阀之外，还需保证PID调节器同样具有较高精度。本方案采用的PID调节器为24位AD和16位DA，且具有0.01%的最小输出百分比，经过大量试验和使用验证，此方案的真空度控制精度可达到读数的0.5%，与MKS控制器比精度提高了一倍。 （4）此解决方案除具有真空度准确控制功能之外，也可以进行高压控制，只是在进气端需要如图6中所示配备高压气源。这种分立结构的高压控制尽管也能达到很高的压力控制精度，但由于电子针阀/球阀的响应速度仅为1秒左右，使得在控制速度上比电气比例阀高压控制要慢。[b][size=18px][color=#ff0000]4. 总结[/color][/size][/b] 通过MKS集成式压力控制器的技术分析，本文有针对性地提出了改进和国产替代的解决方案。此解决方案的技术成熟度很高，并已在众多真空压力控制领域得到了应该。对标MKS集成式压力控制器，总结此改进和国产替代的解决方案，所体现出的主要优势有以下几个方面： （1）真正实现真空压力的直接控制，而不是MKS集成式压力控制器那样仅能进行流量的调节，这使得具体应用更加的简便和降低成本，无需使用人员再进行其他辅助配置的设计和选型。 （2）在真空压力控制范围和精度方面，都超过了MKS集成式压力控制器的技术指标。 （3）解决方案有很强的适用性和灵活性，小型化集成结构和分立结构两种形式可供选择，可满足几乎绝大多数领域对高精度真空压力控制的需要。 （4）解决方案还具有可扩展性，如可单独增加流量传感器进行流量测量。 总之，本文提出的解决方案具有宽泛的真空压力控制范围，较高的控制精度和性价比，完全能够替代MKS集成式压力控制器。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][img=,599,441]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200929562418_9505_3384_3.png!w599x441.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000]一、简介[/color][/size] 真空压力控制器是指以气体管道或容器中的真空度（压力或压强）作为被控制量的反馈控制仪器，其整个控制回路是闭环的，控制回路由真空度传感器、真空压力控制器和电动调节阀组成。 依阳公司的VPC2021系列控制器是一种强大的多功能高度智能化的真空压力测量和过程控制仪器，采用了24位数据采集和人工智能PID控制技术，可与各种型号的真空压力传感器（真空计）、流量计、温度传感器、电动调节阀门和加热器等连接，可实现高精度真空压力（压强）、流量和温度等参量的定点和程序控制，是一种替代国外高端产品的高性能和高性价比控制器。[size=18px][color=#990000]二、主要技术指标[/color][/size] （1）测量精度：±0.05%FS（24位A/D）。 （2）输入信号：32种信号输入类型（电压、电流、热电偶、热电阻），可连接众多真空压力传感器。 （3）控制输出：4种控制输出类型（模拟信号、固态继电器、继电器、可控硅），可连接众多电动调节阀。 （4）控制算法：PID控制和自整定（可存储和调用20组PID参数）。 （5）控制方式：定点和程序控制，最大可支持9条控制曲线，每条可设定24段程序曲线。 （6）控制周期：50ms。 （7）通讯方式：RS 485和以太网通讯。 （8）供电电源：交流（86-260V）或直流24V。 （9）外形尺寸： 96×96×136.5mm （开孔尺寸92×92mm）。[size=18px][color=#990000]三、特点和优势[/color][/size] （1）高精度24位数据采集，使得此系列控制器具有高精度的控制能力。 （2）具有各种不同类型信号的输入功能，可覆盖多种测量传感器，既可连接真空计用来控制真空压力和压强，也可用来控制其它变量，如连接流量计用来控制流量、连接温度传感器用来进行温度控制等。 （3）可连接和控制几乎所有的电动调节阀和数字控制阀门，也可连接控制各种加热装置，结合传感器由此组成可靠的闭环控制系统。 （4）控制器体积小巧和使用灵活，即可独立做为面板型控制器使用，也可集成在测试系统整机中使用。 （5）采用了标准的MODBUS通讯协议，便于控制器与上位机通讯和进行二次开发。 （6）具有2路输出功能，可实现真空压力的两种控制模式，一种是可变气流量（上游控制）压强控制模式，另一种是可变通导（下游控制）流量调节模式。[align=center][color=#990000][img=,300,253]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932222782_1134_3384_3.png!w300x253.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]上游控制压强模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,300,252]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932370447_2503_3384_3.png!w300x252.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]下游控制压强模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,300,249]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932454481_7140_3384_3.png!w300x249.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]上游和下游同时控制的双向模式[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、外形和开孔尺寸[/color][/size][align=center][img=,690,317]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932536698_9309_3384_3.png!w690x317.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：真空浓缩过程中，浓缩温度和压强是核心控制参数。本文针对目前浓缩仪器和设备中压强控制存在精度差、波动性大等问题，提出了详细解决方案，并提出采用新型双通道超高精度多功能PID控制器和高速电动阀门来实现浓缩过程中温度和压强的同时准确测量和控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]1、问题提出[/color][/size] 真空浓缩的工作原理是将样品在冷冻干燥、离心浓缩和旋转蒸发等状态下，同时采用真空和加热技术使样品中的溶剂快速蒸发、样品体系得到快速浓缩或干燥。由于不同样品对温度有不同的敏感性，同时压强与温度之间存在强相关性，所以在真空浓缩过程中，如何准确控制浓缩温度和压强，就成了使用者最关心的问题。在目前各种常用的真空浓缩设备中，普遍还存在以下几方面问题： （1）压强测量和控制精度普遍不高，特别是低压情况下更是如此，这主要是所采用的传感器和控制器精度不够。压强控制精度不高同时会对温度带来严重影响。 （2）浓缩仪器和设备普遍采用的是下游压强控制方式，即在容器和真空泵之间安装调节阀来实时调控容器的排气速率。这种下游方式适用于较高压强的准确控制，但对10mbar以下的低压则很难实现控制的稳定准确。 （3）目前绝大多数电动调节阀采用的是电动执行机构，从闭合到全开的时间基本都在10秒以上，这种严重滞后的阀门调节速度也很难保证控制精度和稳定性。 （4）由于浓缩过程中有水汽两相介质排出，很多时候介质还带有腐蚀性，这就对下游调节阀耐腐蚀性提出了很高的要求。[size=18px][color=#990000]2、解决方案[/color][/size][color=#990000]2.1 采用高精度压强传感器[/color] 对于真空浓缩过程，压强传感器是保证整个浓缩过程可控性的核心，强烈建议采用高精度压强传感器以保证真空度的测量和控制准确性。一般真空浓缩过程基本都采用机械式真空泵，低压压强（绝压）不会超过0.01mbar，高压压强接近一个大气压，因此高精度压强传感器建议采用电容薄膜规，如图1所示，其绝对测量精度可以达到±0.2%。 如果浓缩仪器和设备使用的压强范围比较宽，建议采用两只不同量程的传感器进行覆盖，如10Torr和1000Torr。[align=center][color=#990000][img=真空浓缩,600,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041456355439_1975_3384_3.png!w600x450.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 电容薄膜式真空压力计[/color][/align] 如果采用其他类型的真空度传感器，也需要达到一定的精度要求。[color=#990000]2.2 采用高精度双通道PID控制器[/color] 在真空压力测量和控制中，为了充分利用上述电容薄膜压力计的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位的模数和数模转化器。目前已经推出了测控精度为24位的通用性PID控制器，如图2所示。[align=center][color=#990000][img=真空浓缩,690,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457090941_3284_3384_3.png!w690x358.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 对于真空浓缩的过程控制，此系列PID控制器具有以下特点： （1）高精度：24位A/D采集，16位D/A输出。 （2）多通道：独立的1通道和2通道。2通道可实现温度和压强的同时测量及控制。 （3）多功能：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制，可进行正反向控制（双向控制模式）。 （4）PID控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。20组分组PID。 （5）双传感器切换：每一个通道都可支持温度高低温和高低真空度的双传感器切换，两通道可形成总共接入四只传感器的控制组合。 （6）程序控制：可自行建立和存储最多20种浓缩程序，进行浓缩时只需选择调用即可开始（程序控制模式）。[color=#990000]2.3 增加上游进气控制和双向控制模式[/color] 目前普遍采用的下游控制模式比较适合压强接近大气压的浓缩过程，但对10mbar以下的低压浓缩过程，就需要引入上游进气控制模式，即在浓缩容器上增加进气通道，通过电子针阀控制进气通道的进气流量来实现压强的准确控制。 如图3所示，目前已有各种流量的国产电子针阀可供选择，结合下游的真空泵抽气，通过上游模式可实现高真空（低压）的精确控制。[align=center][color=#990000][img=真空浓缩,599,513]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457210338_3059_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align] 为同时满足低压和高压全量程准确控制，可以采用如图4所示的双传感器和双向控制模式。 在图4所示的控制模式中，就需要用到上述VPC-2021系列双通道控制器的正反向控制和双传感器自动切换功能，即在不同气压控制过程中，控制器自动切换相应量程的真空计，并选择相应的电子针阀和高速电动球阀进行控制。[align=center][img=真空浓缩,690,548]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457335020_3012_3384_3.png!w690x548.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4 双向控制和双传感器自动切换模式示意图[/color][/align][color=#990000][/color][color=#990000]2.4 采用高速电动球阀[/color] 所谓高速阀门一般是指阀门从全闭到全开的动作时间小于1s，这对于气体流量和压力控制非常重要。特别是对于真空浓缩过程，气压控制的快速响应可保证浓缩的准确性、安全性和提高蒸发速率。 目前已经开发出国产高速电动球阀，如图5所示。NCBV系列微型化的高速电动球阀和蝶阀，是目前常用慢速电动阀门的升级产品，与VPC2021系列温度/压力控制器相结合，可构成快速准确的真空压力闭环控制系统。[align=center][img=真空浓缩,377,500]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457527127_514_3384_3.png!w377x500.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图5 国产NCBV系列高速电动球阀[/color][/align][color=#990000][/color][color=#990000]2.5 采用真空控压型调节器[/color] 在目前的真空浓缩仪器和设备中，浓缩是在密闭容器中发生，通过加热和真空手段将蒸发气体冷凝和排出，真空泵是对一个密闭容器进行抽气，并通过抽气流量调节来实现密闭容器内的气压恒定在设定值，这是一个典型的流量控制型恒压模式。这种控流型调压方式相当于一个开环控制方式，容器内部自生气体，且自生气体并没有很明显的规律（如线性变化），这非常不利于容器内部压强的准确控制。对于这种控流型调压方式，如图2所示，会在浓缩容器的前端增加一个进气通道，并对进气流量进行调节以使容器内部真空度控制在稳定的设定值。 对于有些真空浓缩仪器和设备，并不允许增加额外的进气通道，这里就可以用到如图6所示的控压型调节器。[align=center][img=真空浓缩,690,372]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041458102995_3900_3384_3.png!w690x372.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图6 控压型调节器在浓缩过程真空度控制中的应用[/color][/align] 控压型真空压力调节器实际上一个内置真空压力传感器、微控制器、空腔和两个电动阀门的集成式装置。在真空压力控制过程中，内置传感器测量空腔内压力，如果压力小于设定值，则进气口处阀门打开直到等于设定值，如果压力大于设定值则抽气口处阀门打开直到等于设定值，从而始终保证空腔内压力始终保持在设定值上，而调节器空腔与浓缩容器连通，即调节器空腔压力始终等于浓缩容器压力。 由此可见，控压型调节器是一个自带进气阀的独立真空压力调节装置。如图6所示，控压型调压器也可以外接传感器，设定值可以手动设置，也可以通过PID控制器设置。[align=center]=======================================================================[/align]

[align=center][img=负压到正压之间的真空压力控制,550,322]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150930277204_2781_3384_3.png!w690x405.jpg[/img][/align][color=#000099]摘要：针对一些真空压力应用场合需要实现低压到高压（或负压到正压）之间的单向或交替连续精密控制，本文提出了相应的解决方案。并针对不同的真空压力范围，详细介绍了不同的调节阀配置和技术参数。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#000099]一、背景介绍[/color][/size]在一些真空压力应用场合，常需要气压在低压和高压（负压到正压）之间进行单向或交替变化，且整个变化过程需要精密控制。这方面的典型应用场合主要有：（1）压力传感器的校准装置：对于一些测量范围覆盖负压到正压的压力传感器，其校准就需要相应的校准腔室，校准腔室需要模拟出相应的负压到正压的真空压力环境。并且在校准过程中，需在低压到高压范围内设置多个校准点，并按照从高到低（或从低到高）连续控制和测量，并进行校准。（2）人体肺器官性能研究装置：通过正压和负压变化控制模拟呼吸过程以研究肺器官的动力学特性，由此来指导和改进呼吸机和相关仪器。（3）大气气压环境模拟装置：在各种航空飞行器、机动车辆和电器仪表等行业，都需要在大气气压模拟环境下进行考核测试，相应的大气气压模拟腔室也需要正负压范围内的连续控制，有时甚至要求在正负压之间快速变化以模拟飞行器高度快速变化的动态特性。（4）医院隔离房间的正负压转换：很多医院的手术室等多为正压房间，随着新型冠状病毒出现以后，需要将正压室改造为负压室，甚至要求可以按照需要在正压和负压之间进行转换。（5）闪蒸工艺：闪蒸工艺是使液体在正负压快速变化环境中形成过热并快速挥发成蒸汽而起到快速干燥作用，同时可用来增加液体对固体的渗透。（6）机械手用软气动致动器：大多数用于产生弯曲致动的软气动致动器都利用了正压或负压，正负压致动器的弯曲力组合成单个致动结构，并产生较大的阻挡力并仍然能够产生较大的弯曲变形，为软机器人夹具在需要细腻触感的应用中提高了有效的技术手段。本文将针对上述应用场合中需要实现低压到高压（或负压到正压）之间的单向或交替连续精密控制，提出相应的解决方案。并针对不同的真空压力范围，详细介绍不同的调节阀配置和技术参数。[size=18px][color=#000099]二、技术方案[/color][/size]正负压区间连续控制的基本原理如图1所示，其目的是精密控制真空压力容器内的气压从低压到高压（或从高压到低压）的连续单调变化（或往复交变）。以下为控制原理的具体内容：[align=center][img=负压到正压之间的真空压力控制,550,264]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150934002513_5809_3384_3.png!w690x332.jpg[/img][/align][align=center]图1 正负压区间真空压力连续控制原理图[/align]（1）控制原理基于真空压力容器进气和出去的动态平衡法，是一个典型的闭环控制回路。PID控制器采集压力传感器信号并与设定值进行比较并调节进气和抽气调节阀的开度，最终使传感器测量值与设定值相对而实现真空压力准确控制。（2）为了覆盖低压到高压的整个真空压力范围，至少配置两个真空压力传感器分别负责负压和正压。PID控制器为双通道同时控制以对应低压和高压区间的控制，并且PID控制器能根据不同的真空压力范围对传感器进行自动切换。（3）控制回路中分别配备了真空泵（负压源）和高压气源（正压源），以提供足够的低压和高压能力。（4）当控制是从低压到高压进行变化时，一开始的进气调节阀开度（进气流量）要远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流量达到不同的平衡状态来实现不同的真空压力控制，最终进气调节阀开度逐渐要远大于抽气调节阀开度，由此实现低压到高压范围内一系列设定点的连续精密控制。对于从高压到低压的变化控制，上述过程正好相反。[size=18px][color=#000099]三、方案具体配置[/color][/size]本文所提出的技术方案包括了两个部分，以覆盖以下两个不同的真空压力范围。（1）绝对压力最高7bar至最低0.01mbar（1Pa）。此真空压力范围内的控制系统结构如图2所示。[align=center][img=,550,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150934256923_4766_3384_3.png!w690x407.jpg[/img][/align][align=center]图2 绝对压力0.01mbar~7bar范围内的控制系统结构示意图[/align]在图2所示的控制系统中，由于对高真空进行精密控制而采用了电动针阀，电动针阀的正压耐压仅为7bar，因此决定了此种配置的控制系统高压控制范围不超过7bar。图2所示的控制系统中使用了通径较大电动球阀作为排气调节阀，主要是用于容积较大的密闭容器的真空压力控制。如果要在较小体积密闭容器内实现真空压力的连续控制，则排气调节阀可采用通径较小的电动针阀。另外，对于要求正负压快速交变控制的应用场合，要求进气和排气调节阀具有很高的响应速度，这时就需要采用响应速度更快的电动针阀。（2）绝对压力最高15bar至最低15mbar（1.5kPa）为满足更高压力的需要，就需要解决图2方案中的高压瓶颈，因此将图2中的高压耐压差的电动针阀更换为真空型气控背压阀，由此可大幅度拓宽高压区间，但相应地要在低压范围内做出牺牲。此高压型的控制系统结构如图3所示。[align=center][img=负压到正压之间的真空压力控制,557,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150934440387_9047_3384_3.png!w690x401.jpg[/img][/align][align=center]图3 绝对压力15mbar~15bar范围内的控制系统结构示意图[/align]图3所示的负压至正压的控制系统中，采用了真空型背压阀来对进出气流量进行调节，对背压阀的驱动则使用了气控先导阀。由于采用了气控式真空型背压阀，可将高压控制范围提升到了15bar，但相应的负压同样也被提升到了15mbar。如果需要，还可以进一步抬高高压上限，但低压下限也会随之提升。在图3所示的这种先导阀驱动背压阀控制方法中，除了将整个控制区间向高压端平移之外，还具有两个特点，一是背压阀可制作成较大通径而适用于较大容器的真空压力控制，二是背压阀的响应速度很快可满足正负压往复交变的快速控制。[size=18px][color=#000099]四、总结[/color][/size]通过上述技术方案，完全可以实现正负压范围内真空压力的连续控制和往复交变控制，并且可以达到很高的控制精度和速度。本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀、电动球阀、背压阀和PID控制器，都是目前上海依阳实业有限公司特有的标准产品，其他的真空计、压力计、先导阀、真空泵和高压起源等也是目前市场上的标准产品。本文技术方案仅是对技术路线的详细内容进行了介绍，在具体实施过程中，还需根据具体应用中的技术指标要求来进行搭配和细化，如采用PLC控制和增加防护用的截止阀等。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#000099]摘要：在微流控芯片进样、化学反应进样和长时间药物注射领域，都需要能提供正负气压可精密控制的压力控制器。本文特别针对微流控芯片进样对多通道压力控制器的技术要求，提出了相应的解决方案，并详细介绍了方案中多通道气路结构、控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#000099]一、背景介绍[/color][/size]在微流控芯片进样、化学反应进样和长时间药物注射领域，都需要能提供正负气压可精密控制的多通道压力控制器，并且通过气体压力来控制流体的流量或流速。图1所示为这种压力控制器在微流控芯片进样中的典型应用。[align=center][img=微流控芯片用压力控制器,690,318]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206271559098143_8354_3384_3.png!w690x318.jpg[/img][/align][align=center]图1 多通道压力控制器在微流控芯片进样中的典型应用[/align]在微流控芯片进样中，要求压力控制器需具备以下几方面的功能：（1）多通道，每个通道可独立控制和操作。（2）每个通道都可按照编程设定输出相应的正负压力。（3）正负压力控制范围：绝对压力1Pa~0.5MPa（表压-101kPa~0.6MPa）。（4）压力控制精度：0.1%~1%。 针对上述微流控芯片进样对压力控制器要求，本文提出了相应的解决方案，并详细介绍了方案中多通道气路结构、控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。[size=18px][color=#000099]二、解决方案[/color][/size]本文所提出的解决方案是实现在1Pa~0.7MPa绝对压力范围内的精密控制，控制精度极限可达到0.1%。即提供一个可控气压源解决方案，采用双向控制模式的动态平衡法，结合高精度步进电机和微小流量电动针阀、高精度压力传感器和多通道PID控制器，气压源可进行高精度的各种真空压力的可编程输出，同时也可用于控制不同的流体流量。本文所涉及的解决方案，主要针对用于微流控芯片进样用多通道正负压力控制器，这主要是因为微流控芯片所用压力基本在一个标准大气压附近变化，相应的多通道压力控制器相对比较简单。而对于更低压力，如气压小于1kPa绝对压力的多通道控制，要实现精密控制则整个压力控制器将十分复杂。微流控芯片进样用多通道压力控制器工作原理如图2所示。[align=center][img=微流控芯片用压力控制器,690,350]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206271559436818_6219_3384_3.png!w690x350.jpg[/img][/align][align=center]图2 微流控芯片进样用多通道压力控制器工作原理图[/align]微流控芯片进样用多通道压力控制器的工作原理为：（1）多通道压力控制包括多个控制通道，每个控制通道包括正压气源、进气调节阀、出气调节阀、抽气泵和PID控制器单元。其中的正压气源和抽气泵提供足够的负压和正压能力，并且可以多通道公用。同样，多通道压力控制器也公用一个进气调节阀。需要注意的是，由于微流控进样所需的负压气压值较大并接近一个标准大气压，对于微流控芯片进样的压力控制，只需固定进气调节阀的开度，近靠调节出气阀开度极可实现正负压的精密控制，因此可以公用一个进气调节阀。如果要进行较低负压气压值（较高真空度）的精密控制，配置恰恰相反，每一通道配置的进气阀进行调节，但可以公用一个抽气阀。（2）精密压力控制原理基于密闭空腔进气和出气的动态平衡法。多通道压力控制器的每一个通道都是典型闭环控制回路，其中PID控制器的每一通道采集相应通道的真空压力传感器信号并与此通道的设定值进行比较，然后调节相应通道的进气和抽气调节阀开度，最终使此通道传感器测量值与设定值相等而实现该通道真空压力的准确控制。（3）为了覆盖负压到正压的所要求的真空压力范围，需要配置一个测试量程覆盖要求范围内的高精度绝对压力传感器，如果一个压力传感器无法覆盖全量程，则需要增加压力传感器数量来分段覆盖。采用绝对压力传感器的优势是不受各地大气气压变化的影响，无需采取气压修正，更能保证测试的准确性和重复性。（4）绝对压力传感器对应所覆盖的真空压力范围输出数值从小到大变化的直流模拟信号（如0~10VDC）。此模拟信号输入给PID控制器，由PID控制器调节进气阀和排气阀的开度而实现压力精确控制。（5）当控制是从负压到正压进行变化时，一开始的进气调节阀开度（进气流量）要远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流量达到不同的平衡状态来实现不同的负压控制，最终进气调节阀开度逐渐要远大于抽气调节阀开度，由此实现负压到正压范围内一系列设定点或斜线的连续精密控制。对于从正压到负压压的变化控制，上述过程正好相反。[size=18px][color=#000099]三、方案具体内容[/color][/size]解决方案中所涉及的正负压力控制器的具体结构如图3所示，主要包括正压气源、电动针阀、密闭空腔、压力传感器、高精度PID控制器和抽气泵。[align=center][img=微流控芯片用压力控制器,690,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206271602023624_9954_3384_3.png!w690x393.jpg[/img][/align][align=center]图3 微流控芯片进样用多通道正负压力控制器结构示意图[/align]在图3所示的正负压力控制器中，每个通道都对应一密闭空腔，每个密闭空腔上的外接接口作为此通道的压力输出口。密闭空腔左右安装两个NCNV系列的步进电机驱动的微型电动针阀，电动针阀本身就是正负压两用调节阀，其绝对真空压力范围为0.0001mbar~7bar，最大流量为40mL/min，步进电机单步长为12.7微米，完全能满足小空腔的正负压精密控制。由此，压力控制器中的每个通道可实现正负压任意设定点的精确控制，也可以从正压到负压的压力线性变化控制，也可以从负压到正压的压力线性变化控制。微流控芯片进样过程中一般要求微小正负压控制，要求是在标准大气压附近的真空压力精确控制，如控制精度为±0.5%甚至更小，一般都需要采用调节抽气阀的双向动态模式，即通过控制器使得进气口处电动针阀的开度基本不变，同时根据PID算法来调节排气口处的电动针阀开度。由于进气阀的开度基本处于固定状态，使得微流控芯片进样所用的多通道压力控制器可以公用一个调节进气流量的电动针阀。另外，所有通道都需要具备抽气功能，抽速也是一固定值，因此多通道压力控制器也可以公用一个抽气泵。在微流控芯片进样过程中压力控制，除了上述恒定进气流量调节抽气流量的控制方法之外，决定压力控制精度的因素还有压力传感器、PID控制器和电动针阀的精度。本方案中的PID控制器采用的是24位AD和16位的DA，电动针阀则是高精度步进电机，因此本解决方案的测试精度主要取决于压力传感器精度，一般至少要选择0.1%精度的压力传感器。在微流控芯片进样过程中，往往会要求密闭容器在正负压范围内进行多次往复变化和按照设定曲线进行控制，因此本方案采用了可存储多个编辑程序的PID控制器，每个设定程度是一条多个折线段构成的曲线，由此可实现正负压往复变化的自动程序控制。在本文所述的解决方案中，为实现正负压的精密控制，如图3所示，针对负压的形成配置了抽气泵。抽气泵相当于一个负压源，但采用真空发生器同样可以达到负压源的效果，负压源采用真空发生器的优点是整个系统只需配备一个正压气源，减少了整个系统的造价、体积和重量，真空发生器连接正压气源即可达到相同的抽气效果。[size=18px][color=#000099]四、总结[/color][/size]本文所述解决方案，完全可以实现微流控芯片进样系统中压力的任意设定点和连续程序形式的精密控制，并且可以达到很高的控制精度和速度，全程自动化。本方案除了自动精密控制之外，另外一个特点是系统简单，正负压控制范围也可以比较宽泛，整个系统小巧和集成化，便于形成小型化的检测仪器。本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀和PID控制器，都是目前特有的标准产品，其他的压力传感器、抽气泵、真空发生器和正压气源等也是目前市场上常见的标准产品。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：目前真空冷冻干燥过程中已普遍使用了电容压力计，使得与电容压力计相配套的压力控制器和电动进气调节阀这两个影响压力控制精度和重复性的主要环节显着尤为突出。为解决控制精度问题，本文介绍了国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器和步进电机驱动电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且此控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控，以进行初次冻干终点的自动判断。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size] 压力控制是真空冻干过程中的一个重要工艺过程，其控制精度严重影响产品质量，对于一些敏感产品的冷冻干燥尤为重要。因此，为使冷冻干燥过程可靠且可重复地进行，必须在干燥室内准确、重复地测量和控制压力，这是考察冷冻干燥硬件设备能力的重要指标之一。同时因为一次干燥时的压力或真空度，直接影响产品升华界面温度，因此准确平稳的控制压力，对于一次干燥过程至关重要。但在实际真空冷冻干燥过程中，在准确压力控制方面目前国内还存在以下问题： （1）压力控制器不匹配问题：尽管冷冻干燥工艺和设备都配备了精度较高的电容压力计，其精度可达到满量程的0.2%~0.5%，但目前国内大多配套采用PLC进行电容压力计直流电压信号的测量和控制，PLC的A/D和D/A转换精度明显不够，严重影响压力测量和控制精度。A/D和D/A转换精度至少要达到16位才能满足冷冻干燥过程的需要。 （2）进气控制阀不匹配问题：对于冷冻干燥中的真空压力控制，其压力恒定基本都在几帕量级，因此一般都采用上游进气控制模式，即在真空泵抽速一定的情况下，通过电动调节阀增加进气流量以降低压力，减少进气流量以增加压力。但目前国内普遍还在使用磁滞很大的电磁阀来进行调节，严重影响压力控制精度和重复性，而目前国际上很多已经开始使用步进电机驱动的低磁滞电动调节阀。 为解决上述冷冻干燥过程中压力控制存在的问题，本文将介绍国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器、电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验考核和具体应用的验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度PID压力控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且2通道PID控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控和记录。[size=18px][color=#990000]二、国产2通道24位高精度PID压力控制器[/color][/size] 为充分利用电容压力计的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位以上的模数和数模转化器。目前我们已经开发出VPC-2021系列高精度24位通用性PID控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能强大远超国外产品，但价格只有国外产品的八分之一。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,550,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211608584555_3735_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 压力控制器其主要性能指标如下： （1）精度：24位A/D，16位D/A。 （2）多通道：独立1通道或2通道。2通道可实现双传感器同时测量及控制。 （3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。 （4）多功能：正向、反向、正反双向控制。 （5）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。 （6）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。 在冷冻干燥的初级冻干终点判断中，VPC-2021系列中的2通道控制器可同时接入电容压力计和皮拉尼压力计，其中电容压力计用作真空压力控制，皮拉尼计用来监视冻干过程中水汽的变化，当两个真空计的差值消失时则认为初级冻干过程结束。整个过程的典型变化曲线如图2所示。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,586,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609304857_1459_3384_3.png!w586x392.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2. 初级干燥过程中的典型电容压力计和皮拉尼压力计的测量曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、国产步进电机驱动电子针阀[/color][/size] 为实现进气阀的高精度调节，我们在针阀基础上采用数控步进电机开发了一系列不同流量的电子针阀，其磁滞远小于电磁阀，如图3所示，价格只有国外产品的三分之一，详细技术指标如图4所示。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,400,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609435684_1917_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610002292_1250_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术指标[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、国产PID控制器和电子针阀考核试验[/color][/size] 考核试验采用了1Torr量程的电容压力计，电子针阀作为进气阀以上游模式进行控制试验。首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在68Pa左右对PID控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后，分别对12、27、40、53、67、80、93和 107Pa 共 8 个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图 5所示。 [align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,418]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610175473_9598_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 多点压力控制考核试验曲线[/color][/align] 将图5曲线的控制效果以波动率来表达，则得到如图6所示的不同真空压力下的波动率。从图6可以看出，整个压力范围内只有在12Pa控制时波动率大于1%，显然将68Pa下自整定得到的PID参数应用于12Pa压力控制并不太合适，还需要进行单独的PID 参数自整定。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610294377_3818_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6. 多点压力恒定控制波动率[/color][/align][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：本文主要介绍了国产化替代方面所做的工作，替代产品为艾默生TESCOM ER5000系列电子压力控制器及其背压阀。本文介绍了进口产品的性能特点和不足，提出了国产化替代技术路线，描述了国产化替代产品的性能指标，介绍了国产化替代产品的功能扩展和技术创新，使国产化替代产品具有了更高的性价比和使用灵活性。[/color][align=center][img=国产化替代,690,408]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182018432207_7188_3384_3.jpg!w690x408.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000]1. 艾默生ER5000系列压力控制器[/color][/size][size=16px][color=#990000]1.1. 压力控制器结构和原理[/color][/size]艾默生最新一代TESCOM ER5000系列电子压力控制器，是一种多功能集成式的压力控制器，集成了压力传感器、PID（比例-积分-微分）控制器和电动比例阀三个部件，集传感器、控制器和电子阀门于一体构成一个完整的控制机构。TESCOM ER5000电子压力控制器及其基本结构如图1-1所示。[align=center][color=#990000][img=国产化替代,690,249]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182025069214_3530_3384_3.png!w690x249.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1-1 TESCOM ER5000电子压力控制器结构示意图[/color][/align]从图1-1可以看出，ER5000电子压力控制器的功能就是控制底部出口处的压力，将进气压力降低并控制在设定压力上，使底部出口处的压力始终与设定压力一致。ER5000电子压力控制器实际上是一款电子式的减压阀，其工作原理如图1-2所示。外部气源向ER5000供给压力，供给压力通过打开的进气阀成为出口处的输出压力，同时此输出压力通过压力传感器反馈至PID控制器。如果反馈值低于压力设定值，控制器继续控制进气阀处于开启状态直到反馈值与设定值相等。等到上述两个值相等，进气阀将关闭，此时出口处持续输出恒定的设定值压力。如果反馈值高于设定值，则控制器将启动排气阀，从而排放过量的出口压力直到反馈信号等于设定值。等到上述两个值相等，排气阀将关闭，此时出口处同样持续输出恒定的设定值压力。[align=center][img=国产化替代,690,284]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182025348584_2251_3384_3.png!w690x284.jpg[/img][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图1-2 TESCOM ER5000电子压力控制器原理图[/color][/align][size=16px][color=#990000]1.2. 典型应用[/color][/size]ER5000压力控制器主要有两类应用方向，一是单机应用，二是与其他特殊阀门的配合应用，以达到不同范围内的压力调节和控制。（1）单机应用：从上述结构和原理可知，TESCOM ER5000电子压力控制器是一款非常典型的电子式减压阀，在单机使用情况下，控制器本身可对压力8.2bar以下的气源进行减压并准确控制，甚至可以实现对粗真空的控制。另外，在单机应用中，可分别采用内部和外部反馈两种控制模式，如图1-3和图1-4所示。[align=center][img=国产化替代,690,244]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182025483237_8169_3384_3.png!w690x244.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1-3 艾默生ER5000电子压力控制器内部反馈控制模式单机应用[/color][/align][color=#990000][/color][align=center][img=国产化替代,690,266]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182025582943_2239_3384_3.png!w690x266.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1-4 艾默生ER5000电子压力控制器外部反馈控制模式单机应用[/color][/align]（2）配合使用：ER5000电子压力控制器的一个重要应用是作为先导阀与其他调节阀配合使用，以调控更大的压力范围。更大压力减压应用如图1-5所示，与背压阀配合应用如图1-6所示[align=center][color=#990000][img=ER5000国产化替代,690,301]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182026370215_476_3384_3.png!w690x301.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1-5 艾默生ER5000电子压力控制器典型减压应用[/color][/align][color=#990000][/color][align=center][img=ER5000国产化替代,690,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182026463023_179_3384_3.png!w690x450.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1-6 艾默生ER5000电子压力控制器典型背压应用[/color][/align][size=16px][color=#990000]1.3. 性能指标[/color][/size]由于TESCOM ER5000系列电子压力控制器是由压力传感器、PID控制器和双阀结构压力调节器三部分的集成，每部分的技术指标则代表了控制器的整体性能，相关技术指标和功能分列如下：（1） 压力控制原理：双电磁阀三通控压。（2） 介质类型：清洁、干燥的惰性气体或仪表级空气。（3） 进气口压力（绝对压力）：最小（真空泵压力），最大8.2bar（820kPa）（4） 出气口压力（绝对压力）：最小0.07bar（7kPa），最大8.2bar（820kPa）（5） 输入信号：USB、RS485、4~20mA、1~5V或0~10V。（6） 外部传感器反馈信号：4~20mA、1~5V或0~10V。（7） 内部压力传感器测量精度：±0.10%（FSO），其中包括了±0.05%（FSO）线性度和±0.05%（FSO）迟滞。（8） 控制器A/D转换：16位。（9） 控制器重复性：±0.05%（FSO）。（10） 控制器分辨率灵敏度：±0.03%（FSO）。（11） 控制方式：PID（需结合专用软件ERTune进行PID参数调试和优化）。（12） 控制模式：内部反馈、外部反馈和双环三种模式。这里特别介绍ER5000压力控制器的三种控制模式，这是此控制器的一个技术亮点：（1）内部反馈模式：该模式仅使用内部传感器。内部反馈模式使用ER5000内部压力传感器以监控控制器内部1~100psig/0.07~6.9bar范围内的绝对压力。（2）外部反馈模式：该模式仅使用外部传感器。外部反馈模式利用用户提供的外部传感器以监控系统压力，该传感器安装于过程管线中并向ER5000提供直接反馈。（3）双环模式：该模式是在“循环内循环”配置中同时使用内部和外部传感器。双环模式在一个PID循环中执行另一个PID循环。内部回路使用控制器的内部传感器，外部回路使用外部传感器。[size=16px][color=#990000]1.4. 功能和特点[/color][/size]从上述介绍，可归纳出ER5000压力控制器的以下几方面功能和特点：（1） ER5000压力控制器最主要功能是可进行气体压力（不是流量）控制，即可实现密闭型容器和管道内压力的准确控制。（2） 整体集成式结构，集成了压力传感器、PID控制器和双阀调节器执行结构，使得整体结构小巧，并便于安装使用和多台并行使用。（3） 作为一种典型的压力控制器，即可直接对最大8.2bar的气源压力进行减压并准确恒压控制（进气口为正压），也可用来控制低压（粗真空，进气口为真空），最低压力可达0.07bar（7kPa）。（4） ER5000压力控制器可作为先导阀来驱动各种大量程的减压阀和背压阀，控制器的出口与其他背压阀的先导口连接，可实现更大量程范围内压力调节和控制。（5） 压力传感器±0.1%的测量精度和16位的A/D转换，属于中高端技术指标，可满足大多数应用场合。（6） 数字PID控制方式可实现压力的快速和准确控制。（7） 内部反馈、外部反馈和双环三种控制模式，使ER5000压力控制器具有较大的使用灵活性，可根据实际使用要求选择最佳控制模式。[size=16px][color=#990000]1.5. 压力控制器存在的不足[/color][/size]尽管ER5000压力控制器有上述诸多功能和特点，但在实际应用中还存在以下多方面的限制和不足。（1） ER5000压力控制器集成了真空压力控制领域中三种最常用部件，但由于是集成式结构而不是模块化积木式结构，这反而限制了ER5000压力控制器应用。如ER5000压力控制器中集成了两个电磁阀，但仅能进行气体压力控制，而无法进行只需单电磁阀的气体流量控制。（2） ER5000压力控制器更侧重于正压控制，也可进行部分的负压控制，这主要是由于所用阀门的漏率太高造成，从而并未发挥传感器（特别是外置传感器）和PID控制的强大功能。如果能降低控制器内部阀门的气体漏率，则控制器完全可覆盖整个真空度范围的控制，将目前的7kPa的真空度扩展到1Pa左右。（3） 在驱动各种大量程减压阀和背压阀应用方面，使用价格较高的ER5000压力控制器作为先导阀其性价比非常低，完全可以使用高性价比的国产替代产品。（4） ER5000压力控制器16位的A/D转换，属于中高端技术指标，如果采用外置高精度的压力传感器则需要24位的A/D转换器，这使得ER5000压力控制器无法满足一些测量控制精度要求较高的场合。（5） 尽管ER5000压力控制器采用了PID控制方式，但PID参数的调节都需要使用专用软件，控制器自身缺乏PID参数自整定功能，还需连接计算机，现场操作非常繁复。（6） ER5000压力控制器自身缺乏显示功能，还需连接计算机和使用配套软件才能进行调试和显示控制过程和结果。（7） ER5000压力控制器的整体价格偏高，而且操作复杂，对操作人员有较高的要求。再结合控制器上述不足，这使得ER5000压力控制器的性价比并不高，很多场合下使用显着非常的奢侈和浪费。[size=18px][color=#990000]2. 国产化替代技术路线[/color][/size]对艾默生公司最新一代TESCOM ER5000系列电子压力控制器的国产化替代，技术路线是首先实现ER5000压力控制器的测控功能，提供高性价比国产压力控制器。然后采用模块结构技术路线，将真空压力传感器、PID控制器和电子阀门分离为各自独立模块，每一类模块由一系列不同技术指标的部件组成，通过这些不同性能指标模块的组合来实现不同控制功能和精度要求，拓展控制器功能，满足不同需求，并具有高性价比。[size=16px][color=#990000]2.1. 实现ER5000压力控制器功能[/color][/size]（1） 国产化替代产品要达到ER5000电子压力控制器绝大部分功能，即实现ER5000压力控制器自身的减压和控压功能。（2） 国产化替代产品同时与ER5000压力控制器一样，可作用先导阀来对大量程高压范围的气体进行减压和控压。（3） 国产化替代产品具有设定值输入和显示功能，无需软件和连接计算机进行操作。（4） 国产化替代产品价格低，具有高性价比。[size=16px][color=#990000]2.2. 模块化结构和功能拓展[/color][/size]（1） 模块化结构分为传感器、PID控制器和电子阀门三个模块。（2） PID控制器模块是所有模块的核心器件，决定了测控精度，决定了可配合使用的传感器和电子阀门的种类，决定了控制方式和控制模式。PID控制器模块将采用24位A/D转换器提高测控精度，集成两个独立控制通道可同时控制2路真空压力或1路真空压力和1路温度，可连接多种真空压力和温度传感器，2通道结合可进行正反双向控制以满足真空压力的上下游控制模式，2通道结合可具备双传感器自动切换功能以覆盖宽泛测控量程，PID控制器带程序设定功能可输入多条控制工艺曲线，可输入和存储多组PID参数，PID参数调整带自整定功能，控制器带彩色液晶屏显示全过程参数和结果。（3） 电子阀门模块由多种规格型号的电子阀门构成，主要有流量调节阀和压力调节阀两大类。流量调节阀主要有小流量电动针阀和大流量大口径电动球阀蝶阀，这些流量调节阀都属于高速调节阀，开闭速度都在1s以内。压力调节阀主要有真空型背压阀和高压型背压阀，两种背压阀都可以在水气两相介质下工作。（4） 传感器模块主要是外协配套件，由多种规格型号的压力传感器和温度传感器构成，主要分为高压传感器、低压（真空）传感器、热电偶、铂电阻、热敏电阻、红外测温仪和直流电压信号，由此可覆盖几乎所有压力和温度范围内的测量。[size=18px][color=#990000]3. 国产化替代产品[/color][/size]根据上述的国产化替代技术路线，上海依阳实业有限公司研制了相应的产品，现分别介绍如下。[size=16px][color=#990000]3.1. 数显压力控制器[/color][/size]国产化的数显式压力控制器包括正压型和真空型两种规格，其压力控制原理和基本结构与艾默生TESCOM ER5000系列电子压力控制器一样，如图3-1所示。[align=center][color=#990000][img=ER5000国产化替代,690,390]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182027032534_5519_3384_3.png!w690x390.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图3-1 国产化电子压力控制器及其结构原理[/color][/align]国产化的数显式压力控制器同样是压力传感器、控制器和双阀结构压力调节器三部分的集成结构，相关技术指标和功能分列如下：（1） 压力控制原理：双电磁阀三通控压。（2） 介质类型：清洁、干燥的惰性气体或仪表级空气。（3） 进气口压力（绝对压力）：最小（真空泵压力），最大50bar（5MPa）（4） 出气口压力（绝对压力）：最小0.21bar（21kPa），最大30bar（3M Pa）（5） 输入信号：4~20mA、0~5V或0~10V。（6） 外部传感器反馈信号：4~20mA、0~5V或0~10V。（7） 内部压力传感器测量精度：±1.0%（FSO），其中包括了±0.5%（FSO）线性度和±0.5%（FSO）迟滞。（8） 控制器A/D转换：12位。（9） 控制器重复性：±0.5%（FSO）。（10） 控制器分辨率灵敏度：±0.2%（FSO）。（11） 控制方式：内置PID自动控制，无需人工干预。（12） 控制模式：内部反馈和外部反馈。从上述技术指标可以看出，国产化压力控制器的有些技术指标进行了降低，如12位的A/D转换和±1.0%测量精度，但拓宽了使用压力范围，增加了显示和输入功能，压力控制器可独立使用无需外接计算机和软件调试，降低了操作难度，提高了性价比，基本上能满足绝大多数领域的应用。[size=16px][color=#990000]3.2. 背压阀（高压型和真空型）[/color][/size]国产化的新型背压阀模块单独分为高压型和真空型背压阀，两种背压阀都采用上述数显压力控制器做先导阀进行控制，但新型背压阀对艾默生TESCOM等传统背压阀做了重大改进。传统的背压阀，都具有一个固定在阀体上的阀座，此阀座与阀芯紧密贴合，来达到密封效果。它可以为大多数简单过程提供基本的压力控制，在这种设计中，通过弹簧或其他的方式提供一个预设加载力，这个加载力使得阀芯与阀座密封。当管路压力作用到阀芯上的力，与加载力相同时，则背压阀在预设的压力状态下正常工作；当阀门的入口端压力升高，使作用在阀芯上的力超过预设的加载力时，阀芯和阀座分离，释放入口端多余的压力，直至恢复预设的压力。传统背压阀结构，在瞬时流量变化较大、或入口压力波动频繁的情况下，控制压力的精度较低，原因如下：（1） 由于大多数控制压力超过20bar的传统背压阀，采用了活塞的方式作为阀芯的负载机构，活塞中的O形密封圈增加了动作摩擦，从而使阀芯动作卡滞；（2） 传统背压阀的进出口流道，多为单一且固定截面积的通路，当阀门入口的流量迅速增加或降低时，阀门的Cv值（流通能力）却没有变化，这样会使入口压力产生剧烈波动；（3） 传统背压阀阀芯和阀座，因密封需要，贴合时存在应力或摩擦，频繁的开合，会使其彼此互相磨损和消耗，破坏初始的形状，使Cv值发生不可预知的改变。新型背压阀是上向下相连接的阀盖和阀体结构，如图3-2所示。阀盖和阀体之间连接有膜片，阀盖顶部开设先导气孔，先导气孔通过阀盖内部开设的气源通道连通至阀盖底部开设的供膜片中部起伏运动的活动槽，形成上下贯通的通路，阀体侧壁上分别开设相对设置的介质入口和介质出口，介质入口与阀体上表面开设的多个入口小孔相连通，介质出口与阀体上表面开设的多个出口小孔相连通。新型背压阀的突出特点是整个动作无摩擦，不会产生压力滞后，入口压力稳定性高，具备更大的流通能力。[align=center][color=#990000][img=ER5000国产化替代,690,259]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182027186867_2208_3384_3.png!w690x259.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图3-2多孔式结构新型背压阀[/color][/align][size=16px][color=#990000]3.3. 双通道高精度PID控制器[/color][/size]针对PID控制模块，为满足广泛的真空压力控制要求，上海依阳实业有限公司出品了VPC2021系列PID控制器，此系列控制器可进行真空、压力和温度的测量、显示和控制。采用了24位数据采集和人工智能PID控制技术，可接入各种型号的真空、压力和温度传感器，可控制多种型号的电动针阀、电动阀门和加热器等执行结构，可实现高精度真空、压力和温度等参量的定点和程序控制，是替代国外高端控制器产品的高性能和高性价比控制器。如图3-3所示，VPC2021系列PID控制器具有双通道独立测控功能，可对不同通道上的参数同时进行测量、显示和控制。如果两个通道接入相同类型但量程不同传感器，如图3-4所示，可以根据测试值实现两个传感器之间自动切换，由此可覆盖宽量程的测量和控制。[align=center][img=ER5000国产化替代,690,348]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182027332455_2803_3384_3.png!w690x348.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3-3 VPC2021系列双通道高精度PID控制器及其应用[/color][/align][color=#990000][/color][align=center][img=ER5000国产化替代,690,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182027510730_967_3384_3.png!w690x369.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3-4 双通道高精度PID控制器的双传感器自动切换[/color][/align]VPC2021系列双通道高精度PID控制器主要技术指标如下：（1） 测量精度：±0.05%FS（24位A/D）。（2） 输入信号：可连接众多真空压力传感器，32种信号输入类型（电压、电流、热电偶、热电阻）。（3） 控制输出：4种控制输出类型（模拟信号、固态继电器、继电器、可控硅），可连接众多电动调节阀。（4） 控制算法：PID控制和自整定（可存储和调用20组PID参数）。（5） 控制方式：定点和程序控制，最大可支持9条控制曲线，每条可设定24段程序曲线。（6） 通道：双通道，双通道传感器自动切换。（7） 通讯方式：RS 485和以太网通讯。（8） 供电电源：交流（86-260V）或直流24V。（9）外形尺寸： 96×96×136.5mm （开孔尺寸92×92mm）[size=16px][color=#990000]3.4. 高速电动流量调节阀[/color][/size]针对电子阀门模块，为满足不同大小流量的高速调控，上海依阳实业有限公司推出了两个系列的电子阀门，一个系列是电动针阀用于小流量调控，另一个系列是电动球阀和蝶阀用于大流量调控。这两个系列电子阀门的最大特点是可电控，并具有1s以内的高速闭合时间，是国内非常罕见的快速电子阀门。如图3-5所示，电动针阀NCNV系列是将步进电机的精度和可重复性优势与针阀的线性和分辨率相结合，其结果是具有小于2%滞后、2%线性、1%重复性和0.2%分辨率的可调流量控制，是目前常用电磁比例阀的升级产品。与依阳公司VPC2021系列真空压力控制器相结合，可构成快速准确的真空压力闭环控制系统。[align=center][color=#990000][img=ER5000国产化替代,599,513]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182028158401_6212_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图3-5 NCNV系列电子针阀[/color][/align]NCNV系列电动针阀主要技术指标和特点如下：（1） 多规格节流面积：从低流量的直径0.9mm（0~50L/min气体）到高流量的直径4.10mm（0到660 L/min气体）的多种规格针阀节流面积，可满足不同的应用需要。（2） 高度线性：小于2%的线性度，简化了查表或外部控制硬件和软件的配套，简化了命令输入和流量输出之间的关系。（3） 高重复性：通过每次达到0.1%的相同流量，NCNV系列电动针阀可提供长期稳定的一致性。（4） 宽压力范围：通过5或7bar巴的真空，取决于孔的大小，入口环境可覆盖宽泛的压力范围。电机的刚度和功率确保阀门在相同的输入指令下打开，与压力无关。（5） 低迟滞：小于2%的迟滞使积分和编程变得简单，在增加和减少达到设定点时能提供一致的流量。（6） 高分辨率：0.2%的分辨率允许NCNV系列电动针阀根据调节指令的微小变化进行最小流量调整，提供了出色的可控性。（7） 快速响应：整个行程时间小于1秒，由此可提供及时快速的流量调节和控制。（8） 工作电压：VDC 24V。（9） 输入信号：4~20mA、0~5V和0~10V。如图3-6所示，电动球阀NCBV系列是将高速电动执行器及高品质V型球阀组成，是目前常用慢速电动球阀的升级产品。与依阳公司VPC2021系列真空压力控制器相结合，可构成快速准确的真空压力闭环控制系统。[align=center][color=#990000][img=ER5000国产化替代,377,500]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111182029196473_3852_3384_3.png!w377x500.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3-6 NCBV系列电动球阀[/color][/align]NCBV系列电动球阀主要技术指标和特点如下：（1） 最大扭力：2N.m。（2） 阀球转动角度：90°。（3） 开关阀时间：小于1秒。（4） 工作电压：VDC 24V（5） 输入信号：4~20mA、0~5V和0~10V（6） 防护等级：IP67。（7） 环境温度\湿度：-20℃至45℃；≤85%（不凝露）。（8） 介质温度和压力：0~100℃；≤1.0MPa [size=18px][color=#990000]4. 总结[/color][/size]综上所述，通过一系列国产化替代产品的开发，基本可以完全替代艾默生最新一代TESCOM ER5000系列电子压力控制器及其背压阀，且性价比大幅度提高。重要的是，在国产化替代基础上，设计了更灵活易用的模块化结构，对单项模块产品进行了功能扩展和技术创新，开发了新型背压阀和高速电动流量调节阀，新开发的PID控制器具有更强大的功能和测量精度，整个系列的国产化替代产品具有较高的性价比。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][font='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量控制原理与维护[/font] [font=Times New Roman]—— [/font][font=宋体]压力[/font][/font][font=宋体]控制部件[/font][/align][align=center][font=宋体]减压阀、稳压阀和电子压力控制器[/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]概述[/font][/font][/align][font=宋体]减压阀、稳压阀和电子压力控制器均为[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]重要的压力控制部件，这些部件协同工作，向[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]提供稳定可靠、压力大小可调节的气流。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]一[/font] [/font][font=宋体]减压阀的基本原理和使用注意事项[/font][/align][font=宋体][font=宋体]减压阀一般安装于高压气体钢瓶出口或者[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统的气源流路中，可以将高达十余[/font][font=Times New Roman]MPa[/font][font=宋体]的气源压力调节至[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]可以承受的压力范围内（一般在[/font][font=Times New Roman]1MPa[/font][font=宋体]左右），并且可以长期稳定工作。减压阀由弹性元件（调节膜）、输出调节螺杆、输入调节弹簧、阀门密封弹簧、阀门密封垫等部件构成，其基本结构原理如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,326,349]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210101039139777_4784_1604036_3.jpg!w489x524.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]1 [/font][font=宋体]减压阀[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]结构图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]减压阀的工作原理，可以简单的理解为阀入口压力与阀出口压力之和等于输入弹簧压力，如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示，阀内部空间分为高压室和低压室，由调节膜隔开。调节膜的面积为[/font][font=Times New Roman]So[/font][font=宋体]，阀输出压力为[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]，阀输出压力作用与调节膜的压力为[/font][font=Times New Roman]Fo[/font][font=宋体]，输入压力为[/font][font=Times New Roman]Pi[/font][font=宋体]，阀芯面积为[/font][font=Times New Roman]Si[/font][font=宋体]，输入压力作用于阀芯的压力为[/font][font=Times New Roman]Fi[/font][font=宋体]。[/font][/font][align=center][img=,363,238]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210101039226561_3586_1604036_3.jpg!w690x452.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]2 [font=宋体]不同压力下压力表状态图示[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]当减压阀处于稳定工作状态时，调节膜受到来自输入弹簧（包括阀门密封弹簧）的压力[/font][font=Times New Roman]F[/font][font=宋体]、高压室压力[/font][font=Times New Roman]Fi[/font][font=宋体]和低压室压力[/font][font=Times New Roman]Fo[/font][font=宋体]的综合作用，三种作用力达到平衡，可以使减压阀输出压力稳定。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]即[/font][font=Times New Roman]F = Fi + Fo[/font][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]减压阀通过输入调节螺杆的旋转，可以改变作用与调节膜片的压力[/font][font=Times New Roman]F[/font][font=宋体]的大小，从而实现减压阀输出压力的调节。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]当由于某种原因，减压阀输出气体压力[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]增大，此时[/font][font=Times New Roman]Fi+Fo F[/font][font=宋体]，调节膜片上升，使得阀芯与阀体的空隙减小，高压室进入低压室的气体流量减小，导致[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]下降，减压阀输出压力[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]恢复；当由于某种原因造成减压阀输出压力[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]减小，此时[/font][font=Times New Roman]Fi+FoF[/font][font=宋体]，膜片下降，阀芯和阀体之间的空隙增大，高压室进入低压室的气体流量增大，减压阀阀输出压力[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]恢复，实现稳定输出压力的功能。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]当输入压力[/font][font=Times New Roman]Pi[/font][font=宋体]发生变化时，由于阀芯的面积远小于调节膜片，则[/font][font=Times New Roman]Fi[/font][font=宋体]远小于[/font][font=Times New Roman]Fo[/font][font=宋体]，[/font][font=Times New Roman]Fi[/font][font=宋体]的变化不会显著影响减压阀输出压力[/font][font=Times New Roman]Po[/font][font=宋体]。[/font][/font][align=center][font=宋体]减压阀的使用注意事项[/font][/align][font=宋体][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]气源的清洁[/font][/font][font=宋体]来自气源或者管路中的油污、固体颗粒物将会造成减压阀工作的异常，例如减压阀输出压力不稳定，可能会导致正弦波状态的基线扰动；或者压力持续缓慢升高或者降低，此种现象可能会造成减压阀输出压力表或者色谱色谱仪的损坏。[/font][font=宋体]减压阀安装之前，需要确认钢瓶接口的清洁，输送氧气的钢瓶、管路、减压阀都需要严格禁油，以免发生燃烧或爆炸等事故。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]操作方法[/font][/font][font=宋体]减压阀安装到位之后，开启气源之前，需要首先调节输出螺栓，将减压阀关闭，此时阀芯位置上升，封闭低压室入口。气源开关开启之后，再缓慢旋转输出螺栓，开启减压阀调节输出压力。[/font][font=宋体]由于机械稳压调节装置存在一定的时间滞后，如果在高压室内无压力、阀芯处于开启状态的情况下下打开高压气源，机械稳压调节装置不能及时完成控制，可能瞬间会有较大压力的气体输出至管路和[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，造成减压阀出口压力表或者[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]损坏。[/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]关机之后，建议将载气钢瓶和减压阀关闭，首先放出减压阀输出端的气体，然后再释放输入端气体，最后松开减压阀。这样操作可以使减压阀和压力表中的弹性部件（弹簧、膜片）避免长期压紧造成疲劳。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]压力和流量范围[/font][/font][font=宋体]减压阀不可以在超出其设计压力和流量范围下正常工作，否则不能实现稳压和调节压力功能，色谱工作者需要根据使用场合选择量程合适的减压阀。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]4 [/font][font=宋体]不可以空载[/font][/font][font=宋体]减压阀出口必须连接阻尼合适的负载，否则稳压能力下降。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]5 [/font][font=宋体]合适的压力差[/font][/font][font=宋体]减压阀的入口和出口需要有一定程度的压力差，否则无稳压作用。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体][font=宋体]二[/font] [font=宋体]、稳压阀的原理[/font][/font][/align][font=宋体]稳压阀与减压阀功能不同，一般安装于机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]内部，向[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的进样口、检测器或者阀切换系统提供稳定、可调节的气流压力。[/font][font=宋体][font=宋体]与减压阀不同，稳压阀输入压力以及输入端和输出端一般压力差较低，常见的稳压阀输入压力为[/font][font=Times New Roman]0.6MPa[/font][font=宋体]左右，其输入和输出端压力差范围约[/font][font=Times New Roman]0.5MPa[/font][font=宋体]左右。稳压阀内部的弹性元件（一般使用波纹管）刚性较弱，调节螺杆的螺距较小，通过阀手柄的旋转可以实现精细的压力调控。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]稳压阀内部结构原理与减压阀近似，主要由弹性元件、螺杆手柄、输出压力表组成（输入端一般不安装压力表指示输入压力），如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,370,232]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210101039317805_2557_1604036_3.jpg!w603x378.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]稳压阀结构原理图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]在工作过程中，当稳压阀出口压力[/font][font=Times New Roman]P3[/font][font=宋体]增大时，波纹管位置向上移动，针型阀与阀体之间的间隙减小，气体由输入端流入阀内的流量降低，从而使出口压力恢复。与减压阀不同，波纹管内的压力[/font][font=Times New Roman]P2[/font][font=宋体]比输出压力[/font][font=Times New Roman]P3[/font][font=宋体]略高，稳压阀的机械滞后更加明显，输出压力波动更低。[/font][/font][font=宋体]与减压阀相似，色谱工作者也需要注意气源的洁净程度、稳压阀的输出端也必须连接一定阻尼的负载，否则将无法稳定工作。此外需要注意稳压阀输入端的气流压力稳定，如果阀输入端存在频率较高（或者频率极低的）的压力扰动，稳压阀将不能良好实现稳压作用。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]三、 [/font][font=宋体]电子压力控制器[/font][/align][font=宋体]以减压阀和稳压阀为代表的的机械式压力控制器，制造成本低、结构坚固、运行可靠，在现代的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]以及外围进样设备中仍旧有一定的使用量。[/font][font=宋体]由于机械螺杆方式调节存在间隙和弹性元件的长期使用之后发生的磨损和疲劳问题，机械式压力控制器难以实现长期稳定的可靠性和重复性，机械部件存在一定的迟滞性，并且调节不便，手柄的旋转角度与输出压力无直接对应关系，必须依靠输出端安装压力表以监视压力，难以应对复杂样品、复杂分析系统的使用要求，其逐渐将被电子压力控制器所取代。[/font][font=宋体][font=宋体]常见的电子压力控制器由比例电磁阀、压力计和阻尼等部件组成，各个部件构成负反馈压力控制系统，在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统控制下协同工作，其典型结构如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]系统根据分析条件的要求，不断比较实际输出压力与理论计算压力之间的差异，给予比例电磁阀合适的调节动作，实现电子压力控制器的输出压力稳定。良好的电气[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]机械系统设计，可以使[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]满足复杂样品分析、复杂分析系统的要求。[/font][/font][align=center][img=,338,72]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210101040216617_6144_1604036_3.jpg!w690x146.jpg[/img][font=Calibri] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Calibri]4 [/font][font=宋体]电子压力（流量）控制器组成结构图[/font][/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]使用的常见压力控制器原理和使用注意事项介绍。[/font]

[color=#990000]摘要：针对上一代探空仪检定用低压环境模拟舱压力控制系统控制精度和稳定性差、压力传感器和控制系统配置不合理等问题，用户提出升级改造要求。本文介绍了新一代低压环境模拟舱压力控制系统的实施方案，采用了双向控制模式，进行了方案验证试验，试验结果证明控制精度和稳定性都大幅提高。关键词：低压模拟舱,探空仪,压力控制,电动针阀,电动球阀,上游模式,下游模式,PID控制器[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]检定探空仪的重要手段之一是在地面进行低压环境模拟舱的测试，在用的低压环境模拟舱结构如图1所示。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,376]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061504557090_7216_3384_3.jpg!w690x472.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 低压环境模拟舱结构示意图[/color][/align]此低压环境模拟舱使用过程中存在压力控制波动较大的问题，越靠近1个大气压时波动越大，通过分析认为主要是以下几方面原因引起：（1）压力传感器选择不合理，在全量程压力范围内传感器误差所占比例并不相同，从而显示出靠近1个大气压时波动大和远离1个大气压时波动小的现象，但实际上整体都存在较大波动，只是压力传感器在1个大气压附近精度最高，而在远离1个大气压处压力传感器误差已经完全涵盖了压力波动范围。（2）压力控制采用的是开关控制模式，真空泵和电磁阀根据压力设定值大小同时开启或关闭，尽管增加了储气罐作为缓冲，但这种半自动控制模式很难实现压力的准确恒定。（3）控制器并没有采用PID自动控制方式，也是影响压力控制精度的主要原因。综上分析，针对上一代探空仪检定用低压环境模拟舱压力控制系统控制精度和稳定性差、压力传感器和控制系统配置不合理等问题，用户提出升级改造要求。本文将介绍新一代低压环境模拟舱压力控制系统的实施方案，拟采用双向控制模式，并进行方案验证试验，由此证明控制精度和稳定性能大幅提高。[size=18px][color=#990000]二、压力控制系统升级改造方案[/color][/size]探空仪检定用低压环境模拟舱工作的绝对压力范围为1torr~760torr，要求在此范围内模拟舱的压力可以在任意设定点上准确恒定，甚至要求可以按照设定变压速率进行控制。为此，具体的升级改造方案是在原压力控制系统的基础上，保留真空泵和真空电磁阀，更换压力传感器和控制器，去掉储能罐，增加数控的进气阀和排气阀，具体方案如下：（1）采用10torr和1000torr两个不同量程的电容压力计来覆盖整个低气压范围的测量，从而保证全量程的测量精度。（2）采用高精度PID真空压力控制器，以匹配电容压力计的测量精度和保证控制精度。（3）分别真空腔体的进气口和排气口安装电动针阀和电动球阀，电动针阀直接安装在进气口处，电动球阀安装在排气口和真空泵的电磁阀之间。（4）控制方式分别采用上游模式和下游模式，上游模式用来控制10torr以下气压，下游控制用来控制10~760torr范围气压。（5）如图2所示，上游模式是维持上游压力和出气口流量恒定，通过调节进气口流量控制仓室压力。（6）如图3所示，下游模式是维持上游压力和进气口流量恒定，通过调节排气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,400,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506055621_2789_3384_3.jpg!w400x421.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 低气压上游控制模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,450,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506206214_771_3384_3.jpg!w450x393.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 低气压下游控制模式[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、方案验证试验[/color][/size]针对上述两种控制模式，分别采用1torr和1000torr两只电容压力计、电动针阀、电动球阀和24位高精度压力控制器进行了考核试验，试验用的真空腔体内部空间为400×400×500mm，试验装置如图4和图5所示。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506318858_3696_3384_3.jpg!w690x464.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 低气压上游控制模式考核试验装置[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,339]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506474377_3818_3384_3.jpg!w690x426.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 低气压下游控制模式考核试验装置[/color][/align]在上游模式试验过程中，首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在 68Pa 左右对控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后，分别对 12、27、40、53、67、80、93 和 107Pa共8个设定点进行了控制，整个控制过程中的气压变化如图6所示。在下游模式试验过程中，首先开启真空泵后使其全速抽气，并将进气阀调节到微量进气的位置，然后在300torr左右对控制器进行PID参数自整定。自整定完成后，分别对 70、 200、 300、450 和 600Torr 共5个设定点进行了控制，整个控制过程中的气压变化如图7所示。 [align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507110485_1025_3384_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,327]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507246957_2391_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]将上述不同低气压恒定点处的控制效果以波动率来表示，则得到图8和图9所示的整个范围内的波动率分布。从波动率分布图可以看出，在整个低气压的全量程范围内，波动率可以精确控制在±1%范围，在12Pa处出现的较大波动，是因为采用 68Pa处自整定获得的PID参数并不合理，需进行单独的PID参数自整定。 [align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507435250_4590_3384_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507565906_1701_3384_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图9 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]从上述考核试验结果可以看出，升级改造后的控制方法可以将压力控制精度和稳定性提高五倍以上，并大幅提高了低压环境模拟仓自动化水平和可靠性。[align=center]=======================================================================[/align]

[b]高低温交变湿热试验箱[/b]是航空、航天、汽车、电子、电工、科研、高校等领域必备的试验仪器，用来检测和研发电工、电子及其他产品及材料进行高温、低温、湿度或恒定试验的温度环境变化后的参数及性能。所以在挑选高低温交变湿热试验箱之前，建议对高低温交变湿热试验箱的控制器做一定程度的了解！这样做的好处是，至少在购买的时候不至于被各种花里胡哨的描述忽悠，而且对它有一定程度的了解之后，对于以后挑选高低温交变湿热试验箱也会有很大帮助。那么它的温湿度触摸屏控制器有哪些特殊功能?[align=center][img=,348,348]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/04/202104021532436115_3570_1037_3.jpg!w348x348.jpg[/img][/align]　　1、转换中英操作面板：出示转换中英操作面板，便捷不一样國家語言的实际操作人应用。　　2、高精密的完善控制系统：高低温交变湿热试验箱选用动态性PID操纵方法，考量控温转轮除湿，环境湿度操纵为水蒸汽分压电路操纵，线性度极高。　　3、大空间程序预设：程序容积，每一程序可以编写的99段，程序中间还可开展串连，內部应设一部分循环系统及所有循环系统，能撰写繁杂多种多样的实验程序，融入不一样的实验规定。　　4、高低温交变湿热试验箱智能化系统开关电源终断管理方法：在做检测的全过程中忽然终断开关电源，随后再打开开关电源，检测可以从单步再次运作，直至进行剩下实验，不用再次来程序编写，合理的确保检测的持续性。　　5、预定作用：更个性化使用设备，开启开关电源，编写好程序，把必须实验的实验时间日期设置好，设备能够准时全自动起动。防止了上班时间忙、法定假日放假了人没有不可以起动设备等影响。　　6、控制器按段校正：在传统式的仪表盘校正中，因为控制器的不彻底线形，通常出現高溫准，低温禁止，校正了低温，又影响高溫，没办法兼具，本控制板出示了四段校正作用，高，中，低温单独校正，互相影响。　　7、故障图文显示：当高低温交变湿热试验箱发生过压，过流，缺水等情况时，温湿度控制器会弹出相应提示画面并发出故障提示音，提示客户进行相应处理，很直观。　　8、高低温交变湿热试验箱智能化试品安全保护措施：当空气元件击穿时，温度不受控制，一直往上升，这对试品安全构成重大威胁，特别是贵重试品将会造成无法挽回之损失，本设备除具备传统的超温保护功能外，还专门设计了针对试品的保护功能，当实测温度高于设定温度5℃时，切断加热回路主电源，温度被锁定，从而保护了试品。　　9、电脑存储记录数据：温湿度控制器具备电脑连接接口RS232、R485、USB，供不同的用户选择。

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对现有技术在印刷或喷绘设备中油墨流量控制不准确，使得油墨粘稠度产生异常造成批量性质量方面的问题，本文提出了相应的串级控制解决方案，即通过双回路形式同时控制油墨的流量和压力。本解决方案不仅可以保证油墨最终流量的控制精度和避免出现质量问题，同时还采用了专门的PID串级控制器，代替传统的PLC控制器且无需再进行编程工作。[/b][/color][/size][align=center][size=16px] [img=高精度级联控制器在印刷和喷绘设备油墨流量控制中的应用,550,300]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305161500376435_5330_3221506_3.jpg!w690x377.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 油墨是用于印刷的重要材料，它通过印刷或喷绘将图案、文字呈现在承印物上。油墨中的主要成分和辅助成分主要由连结料(树脂)、颜料、填料、助剂和溶剂等组成，它们均匀地混合并经反复轧制而成一种黏性胶状流体。油墨具有一定的粘稠度，当油墨在管道内输送时，如果流量发生改变或发生其他意外情况，就会导致油墨的粘稠度发生改变，很容易造成批量性的不良品发生。由此可见，油墨流量的精密和稳定控制是印刷和喷绘设备中的核心技术之一。[/size][size=16px] 针对油墨流量精密控制需求，特别是根据客户的要求以及现有技术的不足，希望可以进行技术升级以预防因油路，气路，或者油墨粘度异常造成批量性的问题。为此，为了具体解决油墨流量控制不准确使得油墨粘稠度产生异常造成批量性质量问题，本文提出了相应的解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案基于流量和压力串级控制原理，即对油墨流量和油墨压力同时进行调整，由此实现高精度的油墨流量控制。解决方案的结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.油墨流量和压力精密控制系统结构示意图,690,312]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305161502292249_6607_3221506_3.jpg!w690x312.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 油墨流量串级控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，解决方案的油墨流量控制系统由压力控制和流量控制两个闭环控制回路构成，这两个控制回路详述如下：[/size][size=16px] （1）压力控制回路：压力控制回路由电气比例阀独立构成，其内部包括压力传感器、调节阀和控制器。压力控制回路的作用是对高压气源压力进行自动减压，并快速恒定控制在压力设定值上。压力控制回路作为串级控制（或双闭环控制）的辅助控制回路（内部闭环回路），主要用来控制加载在油墨桶上的压力，以便快速调节和控制油墨桶的油墨输出流量。[/size][size=16px] （2）流量控制回路：流量控制回路由流量计、串级控制器和压力控制回路构成。在控制过程中，串级控制器检测流量计输出信号并与设定值比较，然后驱动压力控制回路使油墨输出流量稳定在设定流量值上。流量控制回路作为串级控制（或双闭环控制）的主控制回路（外部闭环回路），主要用来检测油墨桶的输出流量并给压力控制回路输出控制设定值。[/size][size=16px] 通过上述两个控制回路的串联最终构成串级控制（级联控制或双闭环）回路，即流量控制回路的输出作为压力控制回路的输入，压力控制回路作为最终流量控制回路的执行机构。[/size][size=16px] 另外需要说明的是，图1只是给出了双闭环控制回路的结构示意图，在具体实施过程中还需根据流量控制精度、耐压范围和油墨喷嘴孔径等工艺参数进行相应的配套器件选择，在此方案中使用了超高精度的PID串级控制器，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，这样基本就可以满足绝大多数油墨流量控制精度的要求。[/size][size=16px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文所述的串级控制系统，通过PID串级控制器、电气比例阀、压力传感器和高精密流量计等元件，通过流量控制和压力控制的双闭环控制形式，实现了设定流量和实际流量自动精密控制。由此可预防因油路、气路或者油墨粘度异常造成批量性的不良发生。[/size][size=16px] 本解决方案的特色之一是采用专门的PID串级控制器来代替一般控制中所用的PLC控制装置，通过串级控制器的配套软件可方便进行流量控制，无需再对PLC控制装置进行编程的繁复操作。[/size][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[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]

[color=#990000]摘要：为大幅度提高现有CMP工艺设备中压力控制的稳定性，在现有电气比例阀这种单回路PID压力调节技术的基础上，本文提出了升级改造方案，即采用串级控制法（双回路PID控制，也称级联控制），通过在现有电气比例阀回路中增加更高精度的压力传感器和PID控制器，可以将研磨抛光压力的稳定性提高一个数量级，从1~2%的稳定性提升到0.1~0.2%。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000][b]一、问题的提出[/b][/color][/size]在半导体制造过程中，化学机械抛光（CMP）是在半导体晶片上产生光滑、平坦表面的关键工艺。CMP工艺中的压力控制是决定最终产品质量的关键因素。如果压力过高，会损坏半导体材料；如果压力太低，会导致表面不平整。CMP系统中需要配置专用的压力调节装置，以确保压力保持在安全范围内。通过将压力保持在安全范围内，压力调节装置有助于确保半导体晶片在CMP过程中不被损坏。目前的CMP系统中普遍采用电气比例阀作为压力调节器，其典型结构如图1所示。在CMP中采用比例阀来控制抛光过程中施加在晶圆上的压力。由于比例阀是电子控制和压力值的模拟信号输出，因此可以通过控制系统（如PLC）对其进行动态编程和压力监控，这意味可以根据被抛光的特定晶片准确改变施加的压力。此外，由于电气比例阀作为压力调节器是一个闭环控制，即使在下游压力发生变化期间，施加在抛光垫上的压力也会保持不变，由此实现压力的自动调节。[align=center][img=常规研磨机电气比例阀压力控制系统结构,600,280]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209150917534790_1434_3221506_3.png!w690x322.jpg[/img][/align][align=center]图1 常规CMP系统中电气比例阀压力控制装置结构示意图[/align]在一些CMP工艺的实际应用中，要求抛光压力具有很高的稳定性，图1所示的常规压力调节装置则无法满足使用要求，这主要体现在以下几方面的不足：（1）电气比例阀的整体控制精度明显不足，其整体精度（包含线性度、迟滞和重复性）往往在1~2%范围内。这种精度水平主要受集成在比例阀内的压力传感器、高速电磁阀和PID控制器性能和体积等因素制约，而且进一步提高的空间非常有限。（2）电气比例阀安装位置与气缸有一定的距离，由此造成比例阀所检测到的压力值并不是气缸的真实压力，而且比例阀处压力与气缸压力之间有一定的时间滞后。为解决上述存在的问题，进一步提高现有CMP工艺设备中压力控制的稳定性，在现有电气比例阀这种单回路PID压力调节技术的基础上，本文将提出升级改造方案，即采用串级控制法（双回路PID控制，也称级联控制），通过在电气比例阀回路中增加更高精度的压力传感器和PID控制器，可以将研磨抛光压力的稳定性提高一个数量级，从1~2%的稳定性提升到0.1~0.2%。[size=18px][color=#990000][b]二、CMP设备压力控制的串级PID控制方案[/b][/color][/size]在传统的CMP设备压力调节过程中，采用电气比例阀进行压力调节的稳定性完全受集成在比例阀内的压力传感器、高速电磁阀和PID控制器性能和体积等因素制约。为了提高压力控制的稳定性，并充分发挥电气比例阀的自身优势，我们采用了一种串级控制技术，即在作为第一回路的电气比例阀中增加第二控制回路，其中第二控制回路由更高精度的压力传感器和PID控制器构成。串级PID控制方案的整体结构如图2所示。[align=center][img=03.超高精密研磨机电气比例阀压力串级控制系统结构,600,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209150918245058_1534_3221506_3.png!w690x384.jpg[/img][/align][align=center]图2 串级控制法CMP系统压力控制装置结构示意图[/align]在图2所示的串级控制法压力调节装置中，安装了一个外置压力传感器用于直接监测气缸内的气压，压力传感器检测到的气缸压力信号传输给外置的PID控制器，外置PID控制器根据设定值或设定程序将控制信号传送给电气比例阀，比例阀根据此控制信号再经其内部PID控制器来调节高速电磁阀的动作，使得电气比例阀输出到气缸的气体气压与设定值始终保持一致。从上述串级控制过程可以看出，串级控制是一个双控制回路，是两个独立的PID控制回路，电气比例阀起到的是一个执行器的作用。串级控制法（也称级联控制法）是一种有效提升控制精度的传统方法，但在具体实施过程中，需要满足的条件是：[color=#990000]第二回路的传感器和PID控制器（这里是外置压力传感器和PID控制器）精度一般要比第一回路的传感器（这里是电气比例阀内置的压力传感器和PID控制器）要高。[/color]为了实现更高稳定性的CMP系统压力控制，我们推荐的实施方案是采用0.05%精度的外置压力传感器和超高精度PID控制器（技术指标为24位ADC、16位DAC和双浮点运算的0.01%最小输出百分比）。此实施方案我们已经进行过大量考核试验，压力稳定性可以轻松达到0.1%。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：对标美国MKS公司的148J、248A和154A 系列上游流量控制阀以及244、250、946和651系列控制器，介绍了相应的国产化替代产品电子针阀和多功能高精度控制器，并介绍了国产化替代产品的相应特点和技术指标 。[/color][color=#990000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、MKS公司上游流量控制阀[/color][/size] MKS上游流量控制阀是一类真空型电磁比例阀，如图1所示，主要有以下三个系列产品： （1）148J全金属流量控制阀：金属密封，流量范围0.01~20L/mim。 （2）154B大流量控制阀：橡胶密封，流量范围20~200L/mim。 （3）248D通用型流量控制阀：橡胶密封，流量范围0.01~50L/mim。[align=center][color=#990000][img=MKS上游气体流量控制阀,690,259]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012251024178_4191_3384_3.png!w690x259.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 MKS公司上游流量控制阀[/color][/align][size=18px][color=#990000]二、MKS公司流量/压力控制器[/color][/size] MKS公司的流量/压力控制器是一类PID控制器，如图2所示，主要有以下4个系列产品： （1）244系列：手动PID控制，单通道控制，适配多种传感器，0~10VDC输入信号，手动/自动/外部控制模式，精度为满量程的0.25%，多个设定点（3或4），控制偏差指针显示。此型号系列控制器现已停产。 （2）250系列：手动PID控制，单通道控制，适配多种真空传感器，0~10VDC输入信号 ，手动/自动/外部控制模式，精度为满量程的0.25%，最多4个设定点，外部编程设定，数码显示测量值和控制偏差值。此型号系列控制器现已停产。[align=center][color=#990000][img=MKS流量压力控制器,690,102]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012251398451_7424_3384_3.png!w690x102.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 MKS公司流量/压力控制器[/color][/align] （3）946系列：自动PID控制，16位A/D采集，6通道控制，适配多种真空传感器，最多可同时监测6路传感器信号，0~10VDC输入/输出信号 ， 手动/自动/外部控制模式，内部编程设定，数字显示测量值和控制偏差值，12路继电器输出，RS232/485通讯。 （4）651系列：自调节快速PID控制，16位A/D采集，单通道控制，适配多种真空传感器，0~10VDC输入/ 输出信号 ， 手动/自动/外部控制模式，重复性为满量程的±0.1%，外部编程设定，数字显示测量值， 多路I/O接口，RS232/485通讯。[size=18px][color=#990000]三、国产化电子针阀替代MKS电磁控制阀[/color][/size] MKS公司的上游流量控制阀是一种传统的电磁阀，电磁阀最大的问题是磁滞比较大，会明显的影响线性度和控制精度。这些控制阀的整体价格较高，也没有相应的国产品牌。 为了实现上游流量控制阀的国产化替代并提高性价比，我们在针阀技术上采用数控步进电机来代替电磁阀，开发了一些列不同流量的电子针阀，如图3和图4所示，完全实现了国产化替代。[align=center][color=#990000][img=电子针阀,500,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012252026101_430_3384_3.gif!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][img=电子针型阀技术指标,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012252322209_7636_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术参数[/color][/align][align=left][size=18px][color=#990000]四、国产化高精度PID控制器替代MKS控制器[/color][/size][/align] MKS公司的气体流量/压力控制属于专用控制器，只能满足真空领域内的气体流量和压力控制，尽管功能十分强大，但价格较贵。国产化替代的PID控制器，采用了更高精度的24位A/D采集器，控制器更趋于通用性，可实现温度和真空压力的同时控制，如图5所示。[align=center][color=#990000][img=VPC-2021系列控制器,690,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012252599268_5639_3384_3.png!w690x358.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 国产高精度多功能PID控制器主要特点如下： （1）高精度：±0.05%满量程，24位A/D采集，16位D/A输出。 （2）多通道：独立的1通道和2通道。 （3）多功能：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制，可进行正反向控制（双向控制模式）。 （4）PID控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。20组分组PID，分组输出限幅功能。 （5）双传感器切换：每一个通道都可支持温度高低温和高低真空度的双传感器切换，两通道可形成总共接入四只传感器的控制组合。 （6）程序控制：支持20条工艺曲线，每条50段，支持段内循环和曲线循环。[hr/]

[align=center][b][font=宋体] [/font][/b][/align][b][font=宋体]关键词：[/font][/b][font=宋体]气路控制、高压、程控、独立、分离、切换、差压气路、远程通讯、自动化、密封快速、操作简单。[/font][b][font=宋体]概述：[/font][/b][font=宋体] [/font][font=宋体]智能气路控制器主要针对压力设备生产厂家、计量院、校验量身定制实现对气路的自动切换。不同量程，不同设备之间的气路自动切换，可选择手动控制版本或自动控制版本，便于系统集成，实现系统高度智能化，通过RS232接口与智能气路控制器进行通讯，实现多路进气及多路输出的压力切换。全自动实现、解决目前通过拆装管路进行气路切换难题，便于集成化设计。[/font][b][font=宋体]技术参数：[/font][/b][font=宋体]1) [/font][font=宋体]型号：LMR2000（可按客户需求定制）[/font][font=宋体]2) [/font][font=宋体]进气控制：实现多路进气控制[/font][font=宋体]3) [/font][font=宋体]出气控制：实现多路出气控制[/font][font=宋体]4) [/font][font=宋体]密封：0泄露[/font][font=宋体]5) [/font][font=宋体]支持压力：可达到 40MPa[/font][font=宋体]6) [/font][font=宋体]切换方式：可自动、手动气路切换[/font][font=宋体]7) [/font][font=宋体]工作环境：15~55℃,5…95%RH [/font][font=宋体]8) [/font][font=宋体]系统供电：220VAC,2A [/font][font=宋体]9) [/font][font=宋体]压力接口：7/16-20 SAE[/font][font=宋体]10) [/font][font=宋体]通讯接口：RS232 [/font][font=宋体]11) [/font][font=宋体]安装：支持19寸标准机架[/font][font=宋体]12) [/font][font=宋体]重量：约10kG[/font][b][font=宋体]功能:[/font][/b][font=宋体]（1）智能气路控制器内置高压力控制阀，气路自动切换与显示一体，自动完成压力管路自动切换并显示在液晶屏上，便于用户读取数据。[/font][font=宋体]（2）触摸屏操作[/font][font=宋体]（3）多通道模式，可按用户需求选择装配。[/font][font=宋体]（4）通用的RS232通信模式，与上位机通信。[/font][font=宋体]（5）操作界面简洁大方，便于用户操作。[/font][font=宋体]北京莱森泰克科技有限公司[/font][img=,520,516]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206081422153697_1326_5627570_3.jpg!w520x516.jpg[/img][img=,520,516]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206081422153697_1326_5627570_3.jpg!w520x516.jpg[/img][font=宋体]地址：北京市通州区东燕郊留山大街10号13B[/font]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对微流控芯片压力驱动进样系统中压力和流量的高精度控制，本文提出了国产化替代解决方案。解决方案采用了积木式结构，便于快速搭建起气压驱动进样系统。解决方案的核心是采用了串级控制模式，结合高精度的传感器、电气比例阀和PID控制器，通过压力和流量的双闭环PID控制回路可实现微流控芯片内液体流量的高精度控制。另外，解决方案具有强大的拓展功能，可进行手动、自动、程序和周期控制，同时也具备芯片的温度控制功能。[/b][/color][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 微流控芯片是将成百上千的微流道集成于以平方厘米为单位的芯片上，以实现样本的制备、分离、筛选、检测等功能，其特点在于可以用极少量的检测样本有效地完成各类检测，可取代常规的生化实验平台。微流控芯片中的微流道内径非常细小，可以实现低至1微米的空间细胞操作精度，因此在向微流道中进样时，对于流量的控制要求非常高。[/size][size=16px] 目前的微流控进样系统，主要是一些国外进口产品，如法国FLUENT公司基于传统的压力控制元件生产的MFCS-EZ流体驱动－精密压力控制器性能比较优良，达到稳定的时间可低至100ms，压力稳定误差小于0.1%，但价格昂贵；美国ELVEFLOW公司基于压电效应设计的OB1 MK3压力控制器性能更加优异，达到稳定的时间可低至35ms，压力稳定误差小于0.01%，但其功耗较高，售价更为昂贵。[/size][size=16px] 为了实现对微流控芯片内微流体压力和流量的高精度自动控制，特别是为了实现国产化替代，本文提出了一种压力和流量的串级控制解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 压力驱动的微流量精密控制工作原理[/b][/color][/size][size=16px] 微流控芯片中气压驱动进样系统的工作原理非常简单，如图1所示，即采用可调气压作为驱动力，控制一个装有液体的封闭容器中的气体压力实现液体驱动，控制液体向微流控芯片进行充注。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.微流控芯片压力驱动进样系统工作原理图,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271542286750_971_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 压力驱动进样系统工作原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 充液过程中随着流阻的变化，负载也在不断改变，为保证流经微流控芯片液体流量的恒定在设定值，对应的驱动压力也应随时进行调节。[/size][size=16px] 在微流控芯片气压驱动进样系统中，针对不同的应用场景和要求，目前国外产品普遍采用了两种控制技术，一种是对驱动压力进行控制的开环控制技术，另一种是同时对压力和流量进行控制的闭环控制技术。[/size][size=16px] 如图2所示，在仅对驱动气压进行控制的进样系统中，是在进气端口增加了一个压力调节器。此压力调节器中集成了压力传感器、阀门和PID控制器，通过对高压气源的减压控制，由此用来精密调节和控制密闭容器上部的气体压力。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.微流控芯片进样系统纯压力控制工作原理图,600,248]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271541131358_1798_3221506_3.jpg!w690x286.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 微流控芯片进样系统纯压力控制工作原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图2可以看出，这种纯压力控制方式尽管可以调节微流控芯片内液体的流量，但无法获知具体流量是多少，这样一种开环控制形式更无法对液体流量进行高精度控制。[/size][size=16px] 为实现对微流控芯片内液体流量的精密控制，在上述开环控制形式的基础上，通过增加液体流量计和PID控制器，与压力调节器组成一个闭环控制回路，如图3所示。在此闭环控制回路中，PID控制器检测流量传感器信号并与设定值进行比较，通过PID控制算法计算后向压力调节器输出控制信号，压力调节器对进气气压进行调节，最终使微流控芯片内的液体流量在设定值处恒定。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=03.微流控芯片进样系统压力和流量串级控制工作原理图,600,289]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271541419942_6786_3221506_3.jpg!w690x333.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 微流控芯片进样系统压力和流量同时控制工作原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图3可以看出，这种压力和流量同时控制的工作原理采用了一个非常典型的PID串级控制（级联控制）结构，即压力调节器作为压力控制的PID辅助控制回路，同时压力调节器作为执行器与流量传感器和PID控制器构成PID主控制回路。这种PID串级控制结构常用于高精度控制领域中，所以采用这种串级控制方法可以实现微流体压力驱动进样系统流量的高精度调节和控制。需要说明的是流量传感器可以布置在微流控芯片的进口端或出口端，具体可以根据微流控芯片的具体结构来进行选择。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 从上述微流控芯片压力驱动进样系统的串级控制工作原理可知，采用串级控制方式在理论上可实现流量的高精度控制，而要实现这种高精度控制，还需要相应的硬件配置提供保证。为此，本解决方案提出的硬件系统结构如图4所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=04.微流控芯片进样系统压力和流量串级控制系统结构示意图,650,366]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271542005587_5164_3221506_3.jpg!w690x389.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图4 微流控芯片进样系统压力和流量串级控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图4所示的系统中，为实现高精度的压力和流量控制，解决方案中的关键部件配置如下：[/size][size=16px] （1）流量传感器：需根据流量的范围和控制精度需要选择合适的流量传感器，目前市场上有多种国内外的液体流量传感器可供选择。同时要求传感器具有相应的模拟量信号输出。[/size][size=16px] （2）压力调节器：压力调节器可选择电气比例阀，同样需要根据压力调节范围选择相应的型号。另外尽可能采用高精度和高速电气比例阀，特别是更快速度的压电式电气比例阀。[/size][size=16px] （3）超高精度PID控制器：在测量精度和控制精度都满足要求的前提下，主回路PID控制器精度将最终决定流量控制精度，如果PID控制器精度不够，则无法发挥传感器和压力调节器的精度优势。为了，本解决方案选择了超高精度的PID控制器，其具有24位AD、16位DA和采用双精度浮点运行的0.01%最小输出百分比。另外，此控制器具有PID参数自整定功能，并带有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，可方便与上位计算机连接。[/size][size=16px] 通过上述高精度器件的配置，可很方便的搭建起微流控气压驱动进样系统并实现高精度的压力和流量控制。另外，采用超高精度PID控制器的高级功能，还可实现以下拓展功能：[/size][size=16px] （1）采用自带的计算机软件，可通过上位计算机直接进行界面操作，无需再进行编程。[/size][size=16px] （2）采用远程设定点功能，可实现手动旋钮调节方式的压力和流量控制。[/size][size=16px] （3）同样采用远程设定点功能以及外置一个周期信号发生器，可对压力和流量按照设定周期和幅度进行周期性变化。[/size][size=16px] （4）采用正反向控制功能以及外置一个TEC半导体制冷模组，可实现对微流控芯片的加热和制冷控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过此解决方案模块式结构以及高精度器件的配置，可灵活和快速搭建起微流控芯片进样系统，并可在很高的精度上实现微流控芯片压力驱动进样系统中的压力和流量控制。[/size][size=16px] 另外，依此解决方案所搭建的压力和流量控制系统还具有强大的拓展功能，可满足各种微流控芯片气压驱动进样系统的使用，完全可以替代进口产品，同时也为后续多通道微流控压力驱动进样系统的国产化替代奠定的技术基础。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：膜辅助相变散热器（MHS）作为一种新型高效冷却技术正逐渐成为研究热点，其中的真空压力和温度控制是有效实施MHS技术的关键因素，为此本文提出了相应的解决方案。解决方案的核心内容是同时为MHS工作液体提供准确的高压压力控制和为MHS沸腾蒸发提供低压真空度控制，另外解决方案还包含了MHS隔膜的渗透性测试方法和测试装置结构，包含了MHS冷却能力和传热系数测量装置。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]============================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 高功率密电子设备的激增催生了高性能计算及其数据中心的发展，由此带来的需求是开发高性能的散热器。目前，普遍都采用比空气冷却效果更好的水冷和浸没式液冷的单相散热技术，而随着功率密度的快速增加和电子设备的小型化要求更高的冷却效率。当前高效冷却的研究领域之一是具有更高传热系数的相变散热，这样每单位工作流体质量流量可移除更多热量，且可以提高散热面积上的温度均匀性。[/size][size=16px] 目前出现一种膜辅助相变散热器（MHS）技术，其沸腾冷却工作原理如图1所示，水作为冷却过程的工作流体，采用薄膜将液体和蒸汽分离。蒸汽空间压力（P蒸汽）为16kPa，对应于饱和温度55℃。此冷却技术的临界热流极限（CHF）随着传热面积比和液体空间压力（P水压）的增加而增加，据报道在具有3.45的增大面积比的表面上的最大CHF为670W/cm2，获得的传热系数高达1MW/m2K。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=膜辅助散热器压差下渗透膜蒸汽排出冷却原理图,550,167]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201758191124_9322_3221506_3.jpg!w690x210.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 膜辅助散热器压差下渗透膜蒸汽排出冷却原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，与具有液体入口和两相流出口的传统散热器不同，MHS仅包含一个液体入口，工作液体通过该入口以压力P水压供应到散热面。放置在散热面上方的疏水蒸汽渗透膜允许蒸汽从液体池中排出。[/size][size=16px] MHS这种独特的设计将沸腾的液体限制在散热器内表面，并对气泡产生全方位的压力。随着气泡的足够生长，在加热器内表面和膜之间建立了蒸汽桥，导致膜上的液体接触线减少（由于膜的疏水性），将气泡从加热器表面拉出和排出。由此可见，膜的渗透性和压差决定了蒸汽流过膜的速率，而压差太大则会导致膜破裂，这样使得MHS工作机理及其散热能力的研究评价主要内容是膜渗透性测量装置和膜辅助散热器装置的搭建，其中关键涉及到真空压力和温度的精密控制技术。为此本文针对压力和温度的准确控制提出了完整的解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px][color=#990000][b]2.1 膜渗透性测量装置[/b][/color][/size][size=16px] 薄膜渗透性测量装置如图2所示，测量装置包括测试腔室、调压器、质量流量控制器、压力计、真空计、电动针阀、双通道真空压力控制器和真空泵。测试腔室由不锈钢制成，由上腔室、下腔室和观察窗组成。被测薄膜固定在下室上，测试流体进入上腔室，穿过隔膜流入下部腔室，通过真空泵抽气流出下腔室。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=薄膜渗透性测量装置结构示意图,600,316]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201758468846_1005_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 薄膜渗透性测量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在每次测试中，通过双通道真空压力控制器，并结合相应的压力传感器和真空度传感器，自动调节腔室入口处的调压器使上腔室恒定在设定压力，自动调节下腔室出口处的电动针阀使下腔室恒定在设定真空度，由此使得被测隔膜两侧达到所需的测试压差，根据压力、真空度、压差和流速可计算得到薄膜的渗透率。[/size][size=16px][color=#990000][b]2.2 膜辅助相变散热器试验装置[/b][/color][/size][size=16px] 膜辅助相变散热器试验装置的作用是用来研究不同散热器微结构、薄膜特性和真空压力等条件下的散热能力以及对传热系数进行测量，整个装置的结构如图3所示。MHS放置在一个不锈钢耐压腔室内，腔室两侧相对的法兰上安装有光学观察窗。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=膜辅助相变散热器试验装置结构示意图,650,359]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309201759137821_6145_3221506_3.jpg!w690x382.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 膜辅助相变散热器试验装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] MHS结构与图1近似，只是在散热面处布置了薄膜加热器和温度传感器，加热器和温度传感器引线连接到腔室外的温度控制器上以控制散热面温度和热流密度。[/size][size=16px] 真空压力控制原理和结构与图2近似，即往腔室内通入高压气体使腔内压力按照设定值进行控制，MHS内的真空度也同样进行自动控制以使内部液体处于饱和条件（如16kPa绝对压力）。[/size][size=16px] 冷却过程中采用去离子水作为工作液体，液体通过腔室内的压力被压入MHS中，从MHS排出的蒸汽流经帕尔贴TEC蒸汽冷却器成为液体后再流回腔室，由此形成工作液体的循环。此蒸汽冷却器采用了专用的TEC控制器进行温度控制。[/size][size=16px] 在实验过程中，首先对MHS内的真空度进行控制，然后通过加热器向MHS散热面供热，同时将腔室内部的工作压力保持恒定，在此压差恒定条件下测量得到相应的冷却温度和热流密度。如果施加的热流以步进或线性方式逐渐增加，直到观察到温度突然升高，那么该温度点时的热流就是此特定压差下的临界热流极限CHF（critical heat flux limit）。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 膜辅助相变散热器（MHS）作为一种新型高效冷却技术正逐渐成为研究热点，本文提出的解决方案为MHS的研究提供了宽范围真空压力和控温精密控制的可能性，为MHS的深入研究和冷却性能考核评价提供了有效的技术支撑。[/size][align=center][b][color=#990000][/color][/b][/align][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：本文针对真空型热离子能量转换器（发电装置）中真空压力和温度的关联性复杂控制，提出一个简便的控制方式和控制系统的解决方案，控制系统仅采用一个双通道高精度PID调节器。方案的核心技术思路是将一个可调参量转换为两个，即将阴极加热电源替换为两个串联形式的小功率电源，分别调节这两个电源的功率即可实现真空室气压和阴极温度的同时控制，由此可大幅减小设备造价且无需使用任何软件。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000][b]一、问题的提出[/b][/color][/size][size=14px] 热离子能量转换器（TEC）是一种将热能直接转化为电能的静态装置，是一种基于热离子发射的转换方法。TEC可分为真空、带有正离子的铯离子和由辅助放电产生的惰性气体（如氩气）等形式。[/size][size=14px] 真空型TEC的简化示意图如图1所示，电极被放置在高真空环境中。阴极与热源热连接，阳极与热沉连接。电极颜色反映了它们温度之间的关系。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=01.真空热离子能量转换器结构示意图,500,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230931128921_2824_3221506_3.jpg!w690x515.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图1 真空热离子能量转换器结构示意图[/color][/align][size=14px] 一般情况下，最常见的商用温度控制器都能控制TEC阴极的温度，但如果使用了钡钨分压器阴极，因其氧化性问题则对加热过程有特殊的要求并不可忽视。在使用前，阴极必须烘烤并激活。为了保护阴极免受来自周围结构或焙烤过程中产品的氧化和污染，在真空室中必须保持必要的超高真空水平。此外，为了防止阴极可能被水分永久性污染而造成发射能力降低和钨阴极表面损伤，阴极必须允许浸泡在200~400℃足够长的时间，以允许完全的水蒸气出气。[/size][size=14px] 为了防止上述情况出现，最佳控制指标就是真空压力，即真空室中的压力必须始终小于1.33E-04Pa。因此，在TEC运行过程中，当给阴极加热器通电时，由于出气，温度会升高，真空室压力会增加。如果压力超过1.33E-04Pa，则需要关闭加热器电源，直到压力降到这个水平以下。真空室排气和焙烧后的活化是通过将钨基体中的氧化钡转化为阴极表面的游离钡来实现的。活化速率是真空室清洁度、阴极污染、时间和温度的函数。一般来说，阴极在工作温度或略高于工作温度时被激活。阴极温度不应超过1473K。[/size][size=14px][/size][size=14px] 由此可见，在TEC运行过程中，一个重要前提条件是供电加热和温度控制应确保整个过程的真空压力水平不应超过设定的超高真空度，即在运行过程中，除了温度控制之外，还需控制真空室内的真空度始终不超过额定值，但只有加热功率一个可调装置。[/size][size=14px] 从上述真空型TEC的运行要求可以看出，阴极的加热过程是通过调节一个可控变量（加热功率）来实现两个参数（气压和温度）的同时控制。[/size][size=14px] 为了实现这个特殊的控制过程，文献1采用一种复杂的控制机构，此控制机构基于类似的串级控制方法，使用了一个典型的PID控制器结合一个PXI单元，并编制了专用程序进行整体控制，其控制框图如图2所示。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=02.文献1中使用的控制框图,600,356]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230931510435_9811_3221506_3.jpg!w690x410.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图2 文献1中使用的控制框图[/color][/align][size=14px] 从图2所示的控制框图可以看出，整个控制装置结构较复杂，还需编制控制软件，整体造价也高。为了实现更简便的控制，本文提出一个更简便的控制方式和控制系统的解决方案，控制系统中仅采用一个双通道高精度PID调节器。方案的核心技术思路是将一个调节参量转换为两个，即将阴极加热电源替换为两个串联形式的小功率电源，分别调节这两个调节小功率电源来实现真空室气压和阴极温度的控制。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]二、解决方案[/b][/color][/size][size=14px] 由于在真空型TEC运行过程中只能调节阴极加热温度而同时不能使真空室内的气压超过设定值，这使得整个工作过程只有阴极加热功率一个可调节变量。为了实现阴极温度和腔室真空度的同时控制，解决方案采用了两个串联电源的新型结构，如图3所示。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=03.新型真空压力和温度同时控制系统结构示意图,600,276]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230932179007_2110_3221506_3.jpg!w690x318.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图3 新型真空压力和温度同时控制系统结构示意图[/color][/align][size=14px] 如图3所示，解决方案中采用了一个高精度的两通道PID控制器，此控制器具有两个独立的PID控制通道。第一通道与真空计和电源1组成第一闭环控制回路，第二通道与安装在阴极上的热电偶温度传感器（TC）和电源2组成第二闭环控制回路。这里的第一控制回路提供阴极的基础温度，其主要用于较低温度段的烘烤，并同时起到控制腔室真空度的作用。第二控制回路是在阴极温度达到一定温度后（如600℃）才开始起作用，其主要作用是将阴极温度最终恒定控制在设定的高温温度上。整个过程的真空压力和温度的控制效果基本与文献1所述的图4和图5所示相同。[/size][align=center][color=#ff0000][size=14px][img=04.全温域的真空压力和阴极温度的变化,690,449]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230932441901_8566_3221506_3.jpg!w690x449.jpg[/img][/size][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center]图4 全温域的真空压力和阴极温度的变化[/align][align=center][size=14px][/size][/align][align=center][size=14px][img=05.加热初期的真空压力和阴极温度的变化,690,449]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230933014212_1816_3221506_3.jpg!w690x449.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图5 加热初期的真空压力和阴极温度的变化[/color][/align][size=14px] 在实际运行过程中的控制步骤如下：[/size][size=14px] （1）首先抽取腔室真空，使其达到2E-06Pa的超高真空水平。然后运行第一控制回路，真空计采集腔室压力，然后自动调节电源1的加热功率使得阴极温度从室温逐渐升高，其中的压力控制设定值为5E-06Pa。在此控制期间腔室压力始终不会超过设定值，但温度则会逐渐快速升高，且电源1始终有一定的输出功率。[/size][size=14px] （2）当第一控制回路控制中阴极温度达到初级设定温度（如600℃）后，第二控制回路自动开始运行，这使得电源2开始输出加热功率，此时电源1和电源2同时输出，使得阴极温度进一步升高，最终恒定在第二控制回路的温度设定值上。[/size][size=14px] （3）在第二回路工作期间，阴极温度进一步上升，势必会造成腔室气压升高而超出设定值5E-06Pa水平，此时第一回路会自动减小电源1的输出功率，使得阴极温度变化速度放缓。在第二回路运行过程中，第二回路相当于一个正向调节作用，第一回路实际上则是一个反向调节作用，这样既能保证腔室气压不会超出设定值，又能保证阴极温度逐步升高而达到设定的高温温度。[/size][size=14px] 总之，通过上述解决方案及其自动控制，可很便捷的实现热离子能量转换器中真空压力和温度的同时控制，压力水平和阴极恒定温度可根据阴极材料要求任意设定。而且整个控制装置得到了大幅度的简化，且无需进行采用任何软件。[/size][size=18px][b][color=#ff0000][/color][color=#ff0000]三、参考文献[/color][/b][/size][size=14px][1] Kania B, Ku? D, Warda P, et al. Intelligent Temperature and Vacuum Pressure Control System for a Thermionic Energy Converter[M]//Advanced, Contemporary Control. Springer, Cham, 2020： 253-263.[/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size]

[size=16px][color=#339999]摘要：目前各种PID控制器仪表常用于简单的设定点（Set Point）和斜坡（Ramp）程序控制，但对于复杂的正弦波等周期性变量的控制则无能为力。为了采用标准PID控制器便捷和低成本的实现对正弦波等周期性变量的自动控制，本文介绍相应的解决方案。解决方案的主要内容一是采用具有远程设定点功能的PID控制器，二是采用外置信号发生器，发生器输出的周期信号作为PID控制器周期性改变的设定值，从而实现周期性变量的自动控制。[/color][/size][align=center][size=16px][img=正弦波等周期性变量PID自动控制的解决方案,600,365]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303031128526531_6859_3221506_3.jpg!w690x420.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在各种科研生产中经常会设计一些周期性的温度、湿度、真空压力和振动等交变环境或边界条件来进行各种特定的测试和考核，这些周期性边界条件或环境所呈现出的常见形式往往会是方波、正弦波，三角波和梯形波等，这在各种物理参数的动态测试和产品构件的性能考核试验过程中体现的尤为明显，由此就要求相应的自动化系统能提供这些不同波形环境变量的准确控制，从而保证实际环境的变化与测试及试验数学模型对边界条件的描述尽可能的吻合，最终保证物理变量测试以及考核试验的准确性和可靠性。[/size][size=16px] 在各种温度、湿度、真空压力和振动等环境的形成和自动化控制过程中，基本都是采用各种小巧的工业级PID控制器和PLC可编程逻辑控制器，这些控制器非常适用于定点或变化速度较慢的线性变化控制，图1(a)所示就是这样一个非常典型温度控制变化过程曲线。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=典型被控变量变化曲线,690,213]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303031129551376_5834_3221506_3.jpg!w690x213.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 温度过程典型变化曲线：（a）折线形式；（b）正弦波形式[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于图1(a)所示的典型温度变化过程，采用普通的PID程序控制器进行编程设计就可以实现，并且还可以编辑多条这样的多折线控制程序进行存储和调用运行。但对于如图1(b)所示的正弦波形式的温度控制和线性升温加正弦波调制的温度控制，目前还未看到可进行这种周期性变量控制的标准化PID控制器。为了在实际应用中实现这种周期性变量的PID控制，往往需要采用计算机和PLC并进行复杂的控制程序编写才能实现这种复杂功能，但这具有较高的技术门槛。[/size][size=16px] 为了解决上述PID控制器对于复杂正弦波等周期性变量控制的无能为力，并能采用标准PID控制器便捷和低成本的实现对正弦波等周期性变量的自动控制，本文将提出以下解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] PID调节器进行自动控制的基本原理是根据设定值与被控对象测量值之间的控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合形成控制输出量，对被控对象进行控制。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。[/size][size=16px] 由此可见，对于PID控制器要实现自动控制的必要前提是要已知被控对象的变化要求，并将此要求按照设定值曲线输入给PID控制器。通常的设定曲线如图1(a）所示，它可以通过设定不同的爬升速率构成控制程序曲线。如果采用此方式来进行如图1(b）所示正弦波那样的周期性被控对象，则需要设计很多个小折线才能准确代表波形曲线，而在实际应用中还需能不断调整被动对象的波幅和频率，由此可见采用这种折线方式来对正弦波类周期性变化被动对象进行设定值近似无可操作性。总之，这种问题最终可以归结到如何使得PID控制器的设定值变得符合周期性函数特征，并可以很方便的进行波形、波幅和频率的更改。[/size][size=16px] 为了可以很方便的将PID控制器设定值按照所需的函数波形进行设置，本文提出的解决方案具体内容如下：[/size][size=16px] （1）采用具有外部设定点功能的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）外置一个函数信号发生器，给PID控制器传输所需的波形信号。[/size][size=16px] 依据上述方案所确定的PID控制装置及其接线如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=正弦波等周期变量PID控制装置及接线图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303031146347077_9300_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 正弦波等周期变量PID控制装置及接线图[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#339999][b]2.1 具有远程设定点功能的PID控制器[/b][/color][/size][size=16px] 所用的具有远程设定值功能的PID控制器一般配置有两个输入通道，第一主输入通道作为测量被控对象的传感器输入，第二辅助输入通道用来作为远程设定点输入。与主输入信号一样，辅助输入的远程设定点同样可接受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，都可以直接接入第二辅助输入通道作为远程设定点源。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][color=#339999][b]2.2 函数信号发生器[/b][/color][/size][size=16px] 对于所有被控对象而言，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，为了实现被控对象周期性变化的控制，可以采用各种相应的函数信号发生器输出周期性设定值，对于热电偶和热电阻的周期信号输出，可以采用专门的过程校验仪输出相应的温度设定值。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.3 接线、参数设置和操作[/b][/color][/size][size=16px] 在如图2所示的周期性变量PID控制系统中，在主输入通道上连接过程传感器，在主控输出通道连接的是执行机构，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，在一般情况下可以通过内部设定点进行PID自动控制。[/size][size=16px] 如果要对被控对象进行周期性变化的控制，则使用远程设定点功能，此时需要在辅助输入通道接入远程设定点源，即函数信号发生器或过程校验仪。[/size][size=16px] 完成外部接线后，在运行使用远程设定值功能之前，需要对PID控制器的辅助输入通道相关参数进行设置，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远程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，开始使用远程设定点功能时，还需要激活远程设定值功能。远程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远程设定点功能。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中所示的纽子开关实现远程设定点和本地设定点之间的切换，开关闭合时为远程设定点功能，开关断开时为本地设定点功能。[/size][size=16px] 需要注意的是，无论采用哪种远程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=16px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案，可以彻底解决正弦波等周期性变量的PID控制问题，而且使用简便和门槛较低，无需再进行复杂的程序编写。[/size][size=16px] 另外，本解决方案还可以进行多种拓展，如可实现被控对象周期性调制波的加载，非常便于实现更复杂的第二类和第三类边界条件的精密PID控制。[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=16px][/size]

[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]