气体压力控制传感器

[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]

[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]压力测量元件[/font][/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]压力表和电子压力传感器[/font][/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='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统中的载气或者辅助气体控制器，一般需要装备有精确、可靠的压力测量元件，用以正确的显示流路压力。此外压力测量元件也是流量控制器[/font][font=Times New Roman]——[/font][font=宋体]尤其是电子流量控制器[/font][font=Times New Roman]——[/font][font=宋体]的重要组成部分，压力测量元件与比例电磁阀接受色谱系统的控制并协同工作，实现流路气体流量（或压力）的精确控制。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]一般情况下，机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]使用机械式压力表，电子式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]使用压力传感器作为压力测量元件。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的外围气源、和某些外接设备中也会有压力测量元件，实时显示和辅助实现准确的压力（或流量）控制。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]一[/font] [font=宋体]机械[/font][/font][font=宋体]流量[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]式[/font][/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]色谱仪的压力测量元件[/font][font=Times New Roman]——[/font][font=宋体]压力表[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]压力表是一种以弹簧管为测量元件的指针式测量仪表[/font][/font][font=宋体]，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]因其结构坚固、生产成本较低、性能可靠等特点，在机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的载气流量控制和检测器流量控制器中较为常见。[/font][/font][font=宋体]压力表的工作原理为：[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]当[/font][/font][font=宋体]待测[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体压力发生变化时，表内的敏感元件（波登管、膜盒、波纹管）将会发生弹性形变，再由表内机芯的转换机构将压力形变传导至指针，引起指针转动来显示压力。压力表的结构如图[/font]1[font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,268,190]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209151709527102_9907_1604036_3.jpg!w616x435.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]1 [font=宋体]压力表结构图[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]压力表中的弹簧管（也称为波登管）的自由端是封闭，通过机械传动装置驱动压力表指针。其内部压力发生变化时，弹簧管发生形变，自由端产生位移，其位移量与被测压力的大小成正比。通过机械传动装置驱动指针偏转，在度盘上指示出压力值，如图[/font]2[font=宋体]所示。[/font][/font][img=,513,176]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209151709596556_7465_1604036_3.jpg!w690x236.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][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='Times New Roman'][font=宋体]如果表壳内通有大气，压力表测出的压力为相对压力，如果将表壳密封并抽真空，压力表测出的压力就是绝对压力。一般情况下，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的压力表均指示相对压力数值。[/font][/font][font=宋体]压力表一般用于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的载气控制器、检测器气体控制器和气源减压阀上，需要注意其响应速度一般极低，不适合测定极速变化的气体压力。[/font][font=宋体]使用时需要注意气源清洁、气源的压力范围符合要求、尽量避免较为剧烈的压力冲击，以避免弹性元件发生故障造成压力显示数值不正确，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]关机或者长时间不使用时，需要将气源的压力表泄压以保护弹性元件。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体][font=宋体]二、电子流量式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的压力测量元件[/font][font=宋体]——压力传感器[/font][/font][/align][font=宋体]机械流量式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，流量控制系统较为复杂，较为笨重，使用较多的气流控制阀和压力表，调节效率较低，并且重现性较差。电子流量式的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，体积小，调控方法简易，重现性良好，目前在各个行业的实验室中逐渐得到较为广泛的应用。[/font][font=宋体][font=宋体]电子流量控制器主要由比例电磁阀、流量传感器和压力传感器以及对应的控制系统组成，如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示（以压力传感器为例）：[/font][/font][align=center][img=,338,72]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209151710067697_8338_1604036_3.jpg!w690x146.jpg[/img][font=Calibri] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Calibri]3 [/font][font=宋体]电子流量控制器组成结构图[/font][/font][/align][font=宋体]某些固体（常见的材质是单晶硅片）收到力的作用后，其电阻值（或电阻率）会发生相应变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测定装置。[/font][font=宋体][font=宋体]现代的压力传感器采用集成电路工艺制成，测量电路和半导体硅片扩散电阻可以集成到零点几毫米大小的尺寸，能够感知[/font][font=Times New Roman]0.01kPa[/font][font=宋体]左右的压力变化，可以显著减小电子流量控制器的尺寸。压阻式传感器体积小、灵敏度较高，分辨率高，响应速度快，广泛的应用于航空、航天、化工、生物医学等多个领域。[/font][/font][font=宋体]需要注意压力传感器测定的气体，不能含有水、固体颗粒等杂质，避免剧烈的压力变化，长时间使用后，可能会产生一定的偏差，需要注意进行压力校准。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]简单叙述机械流量和电子流量控制方式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]使用的压力测量元件[/font][font=宋体]——压力表和压力传感器的基本原理和使用注意事项。[/font][/font]

[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][font=宋体]压力传感器[/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][font=宋体]压力传感器是电子流量控制器（[/font][font=Times New Roman]EPC[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]AFC[/font][font=宋体]或[/font][font=Times New Roman]EFC[/font][font=宋体]）的重要组成元件，目前常见[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]配备的压力传感器主要为压阻式传感器，其灵敏度高、分辨率高、体积小、工作频带宽、响应速度快。[/font][/font][align=center][font=宋体]简介[/font][/align][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]维修人员在检查或维修电子流量式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]过程中，当拆解或者检查电子流量控制器时[/font][font=宋体]——不论是进样口流量控制器或者检测器流量控制器，都可以观察到如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示的元器件，尺度大约[/font][font=Times New Roman]10mm*10mm[/font][font=宋体]左右，此即为压力传感器，用来测定气体压力和协助控制气体流量。[/font][/font][align=center][img=,189,150]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231551479727_3572_1604036_3.jpg!w531x423.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]压力传感器外观[/font][/font][/align][font=宋体]目前常见[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]配备的压力传感器主要为压阻式传感器，其灵敏度高、分辨率高、体积小、工作频带宽、响应速度快。压阻传感器的工作原理基于压阻效应，压力敏感元件是使用集成电路工艺在半导体材料的基片上制成的扩散电阻，当受到流体压力作用于敏感元件时，扩散电阻的阻值发生对应的变化。[/font][font=宋体][font=宋体]对于某个确定的导电材料，其电阻值的变化率可以由公式[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]决定：[/font][/font][font=宋体] [/font][img=,240,76]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231551556750_971_1604036_3.jpg!w600x191.jpg[/img][font=宋体] [/font][font=宋体][font=宋体]公式[/font] [font=Calibri]1[/font][/font][font=宋体][font=宋体]公式中[/font][font=Times New Roman]R [/font][font=宋体]为电阻值、ρ为电阻率、[/font][font=Times New Roman]l[/font][font=宋体]为导电材料长度、[/font][font=Times New Roman]s[/font][font=宋体]为导电材料截面积。[/font][/font][font=宋体]对于金属电阻（常见于工业测量中使用的金属应变片），上式中的[/font][font=宋体]Δ[/font][font=宋体][font=宋体]ρ[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]ρ项数值较小，即电阻率变化较小，而尺度的变化率（[/font][/font][font=宋体]Δ[/font][font=宋体]l/l和[/font][font=宋体]Δ[/font][font=宋体]s/s[/font][font=宋体]）较大，所以金属电阻阻值的变化主要由其尺寸变化率引起。而对于半导体电阻，受力时其尺寸变化率较小，而电阻率变化率（[/font][font=宋体]Δ[/font][font=宋体][font=宋体]ρ[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]ρ）较大，这就是压阻式传感器的基本工作原理。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]当压力作用于半导体硅晶片时，硅晶体晶格发生变形，是载流子产生不同能谷之间的散射，载流子的迁移率发生变化，从而使硅晶片的电阻率发生变化。对于半导体电阻，其压阻系数较大，压阻传感器的灵敏度是金属应变片灵敏度的[/font][font=Times New Roman]50-100[/font][font=宋体]倍。[/font][/font][align=center][font=宋体]压阻式传感器的结构[/font][/align][align=center][font=宋体] [/font][/align][font=宋体]压阻传感器的压力敏感元件是采用集成电路工艺在半导体基片（硅晶片）上制成的扩散电阻，扩散电阻依附于弹性元件才能工作。单晶硅材料纯度高、功耗低、滞后和蠕变小、机械稳定性好，传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，所以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力测试仪表在工业测量领域得到广泛应用。[/font][align=center][img=,221,213]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231552062434_3094_1604036_3.jpg!w332x320.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]压阻传感器的结构[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]为压阻式传感器的机构示意图，在硅膜片上用离子注入和激光修正方法形成[/font][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体]个阻值相等的扩散电阻，并连接成惠斯登电桥形式，如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,215,194]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231552138775_83_1604036_3.jpg!w690x624.jpg[/img][font=宋体] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]惠斯登电桥[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]使用[/font][font=Times New Roman]MEMS[/font][font=宋体]技术在硅膜片上形成一个压力室，一测与大[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]连（或真空），一侧与取压口相连，此结构即为硅杯。当待测压力作用于膜片上，膜片发生部分拉伸和部分压缩，电桥失去平衡，产生输出电压，电压的大小反应了膜片受到的压力情况。该电路一般采用恒电流工作方式，可以抑制环境温度的变化对传感器带来的影响。[/font][/font][align=center][font=宋体]压阻传感器的使用注意事项[/font][/align][font=宋体][font=宋体]压阻传感器具有灵敏度高、分辨率高、体积小、工作频带宽、测量电路以及传感器一体化等优点。压阻传感器可以测量[/font][font=Times New Roman]0.01kPa[/font][font=宋体]左右的微小压力变化，频率响应高，可以测量数十[/font][font=Times New Roman]kHz[/font][font=宋体]的脉动压力，其有效面积可以做的很小，可以做到[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]平方毫米左右。对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]得到高精度高灵敏的气体流量和压力控制非常有益。[/font][/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]工作者使用电子流量方式的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]时，需要注意避免气源压力过高或者过于剧烈的变化，造成传感器损坏；注意控制气源质量加强维护，避免水、油污或者细小的固体颗粒物进入色谱仪流量控制器内，造成传感器损坏。在使用电解水方式的气体发生器时，尤其需要注意仪器的维护，发生器故障或者维护不足导致气源中含有大量水，对于压力传感器而言是致命的。电子式的压力传感器，随着不断的使用，还存在零点漂移问题，造成压力显示不正确或者出现压力显示为负值等异常现象，需要色谱工作者进行零点校正。[/font][font=宋体] [/font][align=center][font=宋体]小结[/font][/align][font=宋体]压阻式传感器的原理和使用注意事项。[/font]

液氮罐在现代科技中扮演着重要的角色，被广泛应用于许多领域，如冷冻、医疗和科学实验等。而在这些应用中，一个关键的组成部分就是液氮罐的压力控制装置。然而，压力传感器失灵可能导致罐内压力无法正常监测，从而可能带来一系列问题。本文将探讨液氮罐压力传感器失灵的原因，并提供解决方案和修复措施。一、压力传感器失灵的原因1. 电路故障压力传感器的失灵很可能是由于电路故障引起的。电路故障可能包括电线断裂、焊接点松动或老化、电源供应问题等。当电路故障发生时，压力传感器无法准确地向控制装置发送信号，导致压力无法正常监测。2. 传感器损坏压力传感器可能会受到外界物理力或不合适的使用环境影响而损坏。例如，摔落、挤压或过度震动可能导致传感器内部元件的损坏。此外，如果传感器长时间处于高温或低温环境中，也可能影响其性能。二、修复压力传感器失灵的方法1. 检查电路连接当发现压力传感器失灵时，首先应检查电路连接是否正常。仔细检查电源线、信号线和地线是否有断裂或松动的情况。如果发现问题，应立即修复或更换损坏的电线。2. 更换传感器如果电路连接正常，但压力传感器仍然失灵，那么可能需要考虑更换传感器。首先，检查压力传感器周围是否有损坏的迹象，如裂纹或变形。如果发现传感器有损坏，应及时更换新的传感器。同时，确保新传感器与原传感器的规格相匹配，并按照制造商的指示进行安装。[img=液氮罐,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/12/202312130935077943_3504_3312634_3.jpg!w690x517.jpg[/img]3. 调试和校准传感器一旦更换了新的传感器，还需要调试和校准传感器以确保其正常工作。这包括使用专业设备对传感器进行校准，并调整传感器的灵敏度和响应时间。校准后，应使用合适的工具和方法测试传感器的工作状态，以确保其准确地监测罐内压力。[url=http://www.mvecryoge.com/]金凤液氮罐[/url]三、预防措施除了修复压力传感器失灵之外，还可以采取一些预防措施，以延长传感器的寿命并减少故障的可能性。1. 定期检查定期检查液氮罐的压力传感器，确保其连接牢固并没有损坏。定期检查可以发现潜在问题，并及时采取措施修复或更换传感器。2. 控制温度维持合适的温度范围也是保护压力传感器的关键。避免将液氮罐暴露在过高或过低的温度环境中，这样可以减少传感器受损的风险。[url=http://www.yedanguan365.com/]液氮罐[/url]正确使用[url=http://www.yedanguan1688.com/]液氮罐[/url]和相应的压力控制装置是保护压力传感器不被损坏的重要措施。严禁摔落、挤压或强烈震动罐身，同时避免使用液氮罐处于超出规定温度的环境中。液氮罐压力控制装置是确保液氮罐正常工作的重要组成部分。当压力传感器失灵时，可能会导致一系列问题。本文讨论了压力传感器失灵的原因，并提供了修复方法和预防措施。通过及时检查、更换传感器以及正确使用液氮罐可以确保压力传感器的正常运行，并延长其寿命，从而提高液氮罐的性能和安全性。

[align=center][size=16px][img=石英增强光声光谱和光热光谱技术中的高精密压力控制解决方案,600,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311130940541042_934_3221506_3.jpg!w690x452.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#339999][b]摘要：光声池内气体压力的可调节控制以及稳定性是保证光声法高精度测量的关键，但在目前的光声和光谱研究中，对气体样品池内压力控制技术的报道极为简单，甚至很多都是错误的，根本无法实现高精度调节和控制，为此本文提出了可工程化实现的解决方案。基于动态平衡法控制介绍，解决方案采用了高精度真空计、气体流量计、电动针阀和双通道真空压力控制器等，可实现气体样品池的进气流量和真空压力的自动精密控制，并适用于多种气体。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]===================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 光声法是基于光声效应的一种光谱技术，气体分子吸收特定波长的调制光辐射能量，由振动基态跃迁到激发态，然后通过快速的辐射跃迁或者无辐射跃迁过程回到基态。 气体分子通过无辐射跃迁过程回到基态会产生热能，导致气体温度的变化，相应地引起气体压强的变化，从而产生声波信号，信号的强弱与入射光强和气体吸收大小成正比，检测声音信号即可间接测定气体浓度。在光声法中气体既是被检气体，又是吸收光辐射的探测器，利用同一光声池检测装置，只要改变光源的波长即可对多种气体进行检测。[/size][size=16px] 随着技术的发展出现了许多新型光声光谱检测技术，但光声池始终是所有光声光谱检测仪器中的核心部件，注入光声池内的被检气体压力是影响光声法测量精度的关键因素之一，主要体现在以下两个方面：[/size][size=16px] （1）气体压力的稳定性对测量精度的影响[1,2]。[/size][size=16px] （2）不同气体和浓度的光声法测量过程中，在一个最佳气体压力下时测量精度最高[3]。[/size][size=16px] 由此可见，光声池内气体压力的可调节控制以及稳定性是保证光声法高精度测量的关键，而在光声池压力控制的所有文献报道中，有些仅简单描述了压力控制基本原理，有些所描述的压力控制方法和装置根本无法实现高精度调节和控制。[/size][size=16px] 如文献[3]采用石英增强光声和光热光谱技术测量痕量一氧化碳气体含量的报道中，仅介绍了光声池进样气体方式和压力控制的原理，整个装置和压力控制结构的简单描述如图1所示，图中所示的光声池压力控制尽管包括了真空泵、针阀、压力传感器和压力控制系统（PCS），但压力控制系统的布置位置并不一定正确，既没有明确具体技术细节，也没有显示出压力控制的自动化能力和控制精度能达到什么水平。同样，许多多其他光声法测试技术的研究报道也多是如此简单介绍，并未看到光声池压力控制的详细文献报道。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=文献[3]光声和光热谱检测系统结构示意图,600,527]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311130942538680_3779_3221506_3.jpg!w690x607.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 文献[3]光声和光热谱检测系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在河北大学的发明专利CN111595786B“基于光声效应的气体检测系统及方法”中提出了一种详细的光声池内部压力控制方法[4]，其结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=文献[4]基于光声效应检测系统的结构示意图,690,447]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311130943224524_1783_3221506_3.jpg!w690x447.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 专利[4]基于光声效应检测系统的结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图2所示的光声池压力控制系统中，光声池上设有供气体进入的进气口，进气口通过导管与?30℃的冷肼预浓缩装置相连通，可以去除待测气体中水分的干扰，达到一定的浓缩效果。在光声池上还设有供气体排出的出气口、控制腔体内气压的压力监测口以及压力控制口。在进气口、出气口和压力控制口处均设有单向阀，在出气口和压力控制口处均设有真空泵。在压力监测口设有气体压力传感器，气体压力传感器连接单片机，单片机控制继电器以及一个抽气系统，当腔体内的气压未达到所设置的目标值时，压力传感器传出电信号到控制系统中的单片机来控制继电器闭合，使电机转动，抽气系统运行，保持腔内部的气压值为设定好的目标值，当腔内的气压达到设定目标值时该抽气系统不工作。[/size][size=16px] 由此可见，尽管专利[4]中采用了单片机进行压力的自动控制，但所描述的抽气系统控制是一种最简单的开关式控制方式，这种控制方式在控制精度的稳定性很差，往往会使光声池内的实际压力在设定值上下出现较大波动现象。[/size][size=16px] 另外，这种开关模式在控制过程中存在很大的滞后性，当传感器测量到压力值大于或小于设定值时才发出关闭或启动抽气电机信号，这势必带来控制延迟。而且对于小容积内的气压控制，目前已很少采用调节真空泵转速或开关式真空泵技术，这是因为会很容易影响真空泵寿命。[/size][size=16px] 为了彻底解决光声光谱和光热光谱技术中气体样品池的压力精密控制问题，基于真空压力控制的动态平衡法，即通过自动调节气体样品池的进气和排气流量，使它们能快速达到动态平衡状态，本文将提出以下详细且可工程化实现的解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 从研究文献所报道的光声光热法气体池内压力控制中，可以得出以下几项技术指标要求：[/size][size=16px] （1）气体池有一进气口和排气后，其中排气口连接真空泵，真空泵提供负压使样品气体通过进气口流入样品池，样品池的这种结构和气体取样方式则说明样品池内的压力一般应该是一个大气压上下的微负压或微正压，即样品池内的气体压力在500~1000Torr的绝对压力范围内，且要小于进气口压力。[/size][size=16px] （2）在文献[3]中报道了对最佳压力的测试研究，得到的最佳压力为600Torr。由此可见，针对不同气体的光声和光热法测试中，需要根据不同气体样品池的结构和具体被测气体寻找到最佳压力值，由此可保证最佳的测试精度。[/size][size=16px] （3）在文献[2,3]中，涉及到了多种气体混合和进气流量的控制，由此可说明在某些光声和光热法测试中需要具备对进气流量的调节，这也就是说，对于气体样品池而言，既要能调节进气流量，还要能调节气体压力且稳定控制。[/size][size=16px] 针对光声光谱和光热光谱技术中气体样品池的压力精密控制问题，特别是实现上述技术指标和功能，本解决方案所设计的气体样品池压力和进气流量控制系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=光声池气体压力和流量控制系统结构图,690,314]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311130943461767_8516_3221506_3.jpg!w690x314.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 光声池气体压力和进气流量控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，整个控制系统主要包含以下几方面的内容：[/size][size=16px] （1）压力控制模式：由于光声池内的压力需要在500~1000Torr的绝对压力范围进行调节和控制，因此解决方案中采用了动态平衡法中的下游控制模式，即恒定进气流量，通过调节排气流量的大小以达到不同的动态平衡，由此来实现不同气体压力的精密控制。进气形式如图3所示可以是单独一种气体，也可以是多种气体混合，各种气体可以通过气体质量流量控制器（MFC）进行流量的精密控制，各路气体进入一个混气罐进行混合后，再注入光声池内。气体的注入则通过排气端真空泵所提供的负压与进气端正压所形成的压力差来实现。[/size][size=16px] （2）压力控制回路：如图3中的蓝色箭头线所示，压力控制回路由1000Torr量程的电容真空计、NCNV-20型电动针阀和VPC2021-2型压力流量控制器组成，其中真空计检测光声池的真空压力并传输给控制器，控制器将传感器数据与压力设定值比较并经过PID计算，输出控制信号给排气电动针阀，实现压力自动恒定控制。[/size][size=16px] （3）流量控制回路：如图3中的红色箭头线所示，流量控制回路由气体流量计、NCNV-120电动针阀和VPC2021-2型压力流量控制器组成，其中控制器通过手动控制方式直接输出控制信号来调节进气电动针阀的开度，使得流量计达到希望值，由此可始终恒定进气流量保持不变。[/size][size=16px] 由此可见，通过图3所示的解决方案控制系统可实现光声池压力和进气流量的独立调节和控制，这种实现的关键部件是电控针阀和双通道压力流量控制器，电控针阀可以快速精密的调节进气和排气流量，而双通道压力流量控制器可直接连接真空计和流量计，实现高精度的真空压力和流量的测量，控制精度能小于读数的±1%，同时还能进行自动PID控制和手动恒定输出控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案对现有文献所报道的光声池压力控制方法进行了细化，比较而言，本文所提出的解决方案具有以下优势和特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案更具有实用性，并经过了试验考核，按照解决方案可很快的搭建起光声池压力控制系统。[/size][size=16px] （2）本解决方案具有很强的适用性和可拓展性，如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，可满足光声法和光热法中对样品池气体压力的各种控制要求。[/size][size=16px] （3）本解决方案可以通过高压气源的改变来实现不同样品气体的测量，也可进行多种气体混合后的测试，具有很大的灵活性。[/size][size=16px] （4）解决方案中的真空压力控制自带计算机软件，可直接通过计算机的软件界面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，极大方便了光谱设备的搭建和测试研究。[/size][size=18px][color=#339999][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] 陈伟根,刘冰洁,胡金星,等.微弱气体光声光谱监测光声信号影响因素分析[J].重庆大学学报:自然科学版, 2011(2):7-13.[/size][size=16px][2] 张佳薇,谈志强,李明宝,等.气体流量对石英增强型光声光谱检测精度的影响[J].科学技术与工程, 2022(003):022.[/size][size=16px][3] Pinto D , Moser H , Waclawek J P ,et al.Parts-per-billion detection of carbon monoxide: A comparison between quartz-enhanced photoacoustic and photothermal spectroscopy[J].Photoacoustics, 2021, 22:100244.DOI:10.1016/j.pacs.2021.100244.[/size][size=16px][4] 娄存广,刘秀玲,王鑫,等.基于光声效应的气体检测系统及方法：CN202010511763.8[P]. CN111595786B[2023-11-10].[/size][size=16px][/size][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[align=left]传统的水果和蔬菜储存和保存方法比较简单的，比如通风存储、辐射保存、化学保存、冷藏。这些存储方法虽然设备简单、投资少，但存储效果差，存储周期短，腐烂严重。辐射和化学保存对某些水果有一定的适用性，但有辐射和化学残留污染，并非所有的水果和蔬菜都可以应用。[/align]而气调库气调贮藏是通过在适当的低温条件下改变储存环境气体组合物的相对湿度来创造适合水果和蔬菜的储存环境。其原理如下：气调库需要营造低氧环境（一般O2含量为1％-5％），同时适当的CO2浓度可有效抑制呼吸，减少果蔬中营养成分的流失，抑制病原菌的生长，控制某些生理疾病的发生，增加环境气体的相对湿度和控制温度，减少水果和蔬菜水分蒸发，从而达到长期储存和保存水果和蔬菜的目的。[img=,524,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811221621156747_5297_3422752_3.png!w524x340.jpg[/img]气调库储藏蔬菜水果有哪些优势？（1）保持水果和蔬菜的原始形状、颜色、香味 （2）果实硬度高于普通制冷，储存时间延长 （3）延长保质期。由于水果和蔬菜长期受低O 2和高CO 2的影响，脱气效果解除后仍存在长时间的“滞后效应”或休眠期 气调库的组成：气调库一般由气调系统、制冷系统、加湿系统、压力平衡系统和温度、湿度、 O2、 CO2、燃气等气体自动检测和控制系统。其中就要用到CO2传感器、O2传感器、温湿度传感器、压力传感器等精密元器件来对气调库内部气体进行监测，保证环境的稳定性。OFweek Mall具体说明一下CO2传感器、O2传感器、温湿度传感器在气调库中具体的应用。二氧化碳传感器（CO2传感器）脱除系统主要用于监测控制气调库储存中的二氧化碳含量。它完全依赖水果和蔬菜呼吸时释放的二氧化碳来增加气调库中二氧化碳的浓度，适量的二氧化碳使得水果和蔬菜储存效果良好。但是，如果二氧化碳浓度过高，会对水果和蔬菜造成损害。因此，需要使用二氧化碳传感器（CO2传感器）对气调库内部CO2浓度进行实时监测，避免浓度过高或过低。OFweek Mall推荐使用[b]英国GSS 4系大量程红外二氧化碳传感器 （NDIR CO2传感器）-MINIR/ExplorIR-M：[/b]红外二氧化碳传感器/CO2传感器MINIR 是具有超低功耗（3.5mW）和高性能的CO2传感器，是应用于电池供电产品和便携式设备的理想选择；基于 IR LED 专利技术和创新的光路设计，使 二氧化碳传感器MINIR成为低功耗的 NDIR传感器；并可选配温度和湿度输出。同时该二氧化碳传感器还有以下特性：超低功率3.5mW测量范围从 0 到 100%供电电压 3.3v峰值电流仅 33mA20mm 直径探头式封装脱氧机它是目前先进的用于气调库中的降低氧含量的设备。脱氧机的工作原理是使用压力低于24KPa的风机进行循环脱氧，然后用真空泵进行解析活化。当气调库中的气体成分含量产生变化时需要使用氧气传感器来监测判断氧浓度是否过高，从而提醒工作人员采取措施降低氧含量。气调库中常用的氧气传感器是[b]英国SST 荧光氧气传感器 (O2传感器)-LOX-02/LOX-01 [/b]荧光氧气传感器 (O2传感器)-LOX-02/LOX-01是应用荧光猝灭原理和出厂校准的氧传感器，用于测量环境氧分压（ ppO2）大小。LOX-02有氧压和温度补偿，使得它可以准确工作于宽环境范围而无需额外的补偿系统。不像其他传感器技术，LuminOx 非常稳定和环保，不含铅或其他任何有毒材料，并且不受其他气体交叉干扰的影响。[img=,282,270]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811221621355009_5545_3422752_3.png!w282x270.jpg[/img]加湿系统我们都知道蔬菜瓜果生长环境对温度和湿度是有一定的要求的，那么同样蔬果存储过程中也要提供合适的温湿度环境，一旦温度过高水分过少蔬果会脱水，新鲜度会大大降低，所以气调库存贮中必不可少的就是要安装相应的温度传感器与湿度传感器，通过温湿度传感器更有效准确监测蔬果存贮中的温度与湿度的变化情况。OFweek Mall技术工程师推荐使用[b]法国Humirel 模拟电压输出温湿度传感器模块-HTG3535CH[/b] 特点：环保产品全量程可互换性高可靠性和长期稳定性精度:+/-3%RH @55%RH供电电压需在规定范围内通过10Kohm NTC电阻测量温度精度为+/-1%直接输出在5Vdc供电时输出电压值为1~~3.6V 可测量0~~100%RH相对湿度相关传感器分类：气体传感器丨氨气传感器丨二氧化硫传感器丨一氧化碳传感器丨臭氧传感器丨氧化锆氧气传感器丨超声波传感器丨气体流量传感器丨空[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]量传感器丨二氧化碳传感器丨氧气传感器丨可燃气体传感器丨酒精传感器丨微量氧传感器丨PID传感器丨温湿度传感器丨湿度传感器丨光纤应变传感器丨voc传感器丨氧化锆传感器丨光电液位传感器丨超声波液位传感器丨紫外线传感器丨CO2传感器https://mall.ofweek.com/123.html丨CO传感器丨UV传感器丨光离子传感器丨PH传感器丨荧光氧气传感器丨流量传感器丨光纤传感器丨光纤压力传感器丨双气传感器丨PM2.5传感器

[color=#333333]随着科技的发展自动化技术的进步，在工业设备中我们常见的[/color]压力传感器[color=#333333]除了液柱式压力计、弹性式压力表外，目前更多的是采用可将压力转换成电信号的[/color]压力变送器[color=#333333]和传感器。压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。通常传感器由两部分组成，即分别是敏感元件和转换元件。其中敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量的应变转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般很微弱，需要将其调制与放大。集成技术的发展，促使人们又将这部分电路及电源等电路也一起装在传感器内部。这样，[/color]传感器[color=#333333]就可以输出便于处理，传输的可用信号了。在技术相对落后的阶段，所谓的传感器是指上文中的敏感元件，而变送器就是上文中的转换元件。压力传感器一般是指将变化的压力信号转换成对应变化的电阻信号或电容信号的敏感元件，如：压阻元件，压容元件等。同时压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。目前应用较为广泛的压力传感器有：陶瓷压阻压力传感器、溅射薄膜压力传感器、电容压力传感器、耐高温特性的蓝宝石压力传感器。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们具体了解一下压力传感器的工作原理及应用领域。[/color][color=#333333][img=,374,235]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712121625_01_3332482_3.jpg!w374x235.jpg[/img][/color][color=#333333]压阻式力传感器：电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。陶瓷压力传感器：陶瓷压力传感器基于压阻效应，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2．0／3．0／3．3mV／V等，可以和应变式传感器相兼容。扩散硅压力传感器：扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应，利用压阻效应原理，被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，利用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。[/color][color=#333333][img=,448,301]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712121626_01_3332482_3.jpg!w448x301.jpg[/img][/color][color=#333333]电容式压力传感器：电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。蓝宝石压力传感器：利用应变电阻式工作原理，采用硅－蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。因此，利用硅－蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅－蓝宝石半导体敏感元件，无p－n漂移。压力传感器主要应用于：增压缸、增压器、气液增压缸、气液增压器、压力机，压缩机，空调制冷设备等领域。[b]压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制[/b]压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。当控制阀芯突然移动时，在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。在典型的行走机械和工业液压中，如果设计时没有考虑到这样的极端工况，任何压力传感器很快就会被破坏。需要使用抗冲击的压力传感器，压力传感器实现抗冲击主要有2种方法，一种是换应变式芯片，另一种方法是外接盘管，一般在液压系统中采用第一种方法，主要是因为安装方便。此外还有一个原因是压力传感器还要承受来自液压泵不间断的压力脉动。[b]压力传感器在安全控制系统中经常应用[/b]压力传感器在安全控制系统中经常应用，主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。在安全控制领域有很多传感器应用，压力传感器作为一种非常常见的传感器，在安全控制系统中应用也不足为奇。在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑，从价格上的考虑，还有从实际操作的安全性方便性来考虑，实际证明选择压力传感器的效果非常好。压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。所以体积小也是它的优点之一，除此之外，价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。在安全控制系统中，通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力，这算是一定的保护措施，也是非常有效的控制系统。当压缩机正常启动后，如果压力值未达到上限，那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。关于压力传感器在工业中的测量与应用工釆网小编推荐：工业级压力传感器 - M7100[/color][color=#333333][img=,448,301]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/12/201712121626_01_3332482_3.jpg!w448x301.jpg[/img][/color][color=#333333]工业级压力传感器M7100产品采用MEAS专利的微熔技术，适合液体和气体压力测量，甚至包括污水，蒸汽和腐蚀性液体等介质。 M7100的压力腔由17-4PH不锈钢单件一体式结构加工而成，标准产品带有1/4 NPT压力接口，全金属密封，无泄漏。由于无O型圈、无焊缝、并且不直接接触测量介质，传感器的稳定性和耐用性非常好。汽车级的压力变送器集成密封压力端口和电气接头，最大量程可达43,000psi（3000bar）。传感器符合最新的重工业CE标准，包括浪涌保护，和16Vdc的正向和反向过电压保护。此外M7100还可以应用于HVAC/R控制，工程机械，发动机控制，压缩机，液压系统，能源和水资源控制等方面。由于其性能特点工业级压力传感器M7100为要求严格的发动机和机动车辆应用树立了新的性能价格比典范。转载本站文章请注明出处：仪器仪表应用_传感器应用_智能硬件产品 - 工采资讯[/color]

[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][font=宋体] [font=宋体]—— 电子流量控制器中的流量传感器 —— 差压式流量计[/font][/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='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的[/font][/font][font=宋体]电子[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量控制[/font][/font][font=宋体]单元的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量测量[/font][/font][font=宋体]原理[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]和[/font][/font][font=宋体]常见流量传感器[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的原理[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]差压式流量计（节流式流量计）[/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体] 采用电子流量控制方式[/font][/font][font=宋体]的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，[/font][/font][font=宋体]进样口、检测器或者其他辅助部件单元中，均安装有[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]电子流量控制[/font][/font][font=宋体]单元[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]，[/font][/font][font=宋体]可以给进样口、色谱柱、检测器以及特殊部件提供准确和稳定的气体流量。[/font][font=宋体] 气体流量的大小可以由流量控制单元内置的流量计予以测定，流量计的具体形式较多，其中[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]比较常见的为差压式流量计。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体] 差压式流量计是工业生产中[/font][/font][font=宋体]用以测定[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体、液体和蒸汽流量的[/font][/font][font=宋体]较为常见[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的[/font][/font][font=宋体]一类[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量计[/font][/font][font=宋体]，包括节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计等。其中使用最多的是节流装置和差压计组成的节流式流量计[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体] 节流式流量计具有结构简单、工作可靠、成本低、易标准化的优点，在工业生产中应用较为广泛。其[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]基本原理如图[/font]1[font=宋体]所示，管路中如果存在截面积小于管路的[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman']R[font=宋体]，[/font][/font][font=宋体]当[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流体通过[/font][/font][font=宋体]该节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]时，在[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的前后[/font][/font][font=宋体]两端[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]将产生一定的压力差。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体] 在一定的流体参数条件之下（[/font][/font][font=宋体]节流装置的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]尺寸、压力测量位置、[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]前后的管路状况），[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]前后的压力差[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']p[/font][font=宋体]与流体[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量[/font]F[/font][sub][font='Times New Roman']v[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]之间有[/font][/font][font=宋体]确[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]定的函数关系。因此可以通过测量[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]前后的差压来确定流体的流量。[/font][/font][align=center][img=,298,176]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010911348571_4335_1604036_3.jpg!w684x403.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]差压式流量计结构示意图[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体] 对于可压缩流体（[/font][/font][font=宋体]例如[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体），体积流量[/font]F[/font][sub][font='Times New Roman']v[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]与[/font][/font][font=宋体]节流装置两端[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]压力差[/font][/font][font=宋体]的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量关系式为：[/font][/font][align=center][img=,170,52]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010913553235_7720_1604036_3.jpg!w559x133.jpg[/img][font=宋体] [font=宋体]（[/font][font=Times New Roman]1-1[/font][font=宋体]）[/font][/font][/align][font=宋体] [font=宋体]公式[/font][font=Times New Roman]1-1[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]中[/font][/font][font=宋体]：[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']Α[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]—— [/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流体的流量系数[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']ε[/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [font=宋体]—— [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]可膨胀性系数[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']A[/font][sub][font='Times New Roman']0[/font][/sub][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [font=宋体]—— [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]管路截面积[/font][/font][font='Times New Roman'] ρ [/font][font=宋体] [font=宋体]—— [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流体密度[/font][/font][font='Times New Roman'] Δ[/font][font='Times New Roman']p[/font][font=宋体] [font=宋体]—— 节流装置两端的压力差[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman] F[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]v [/font][/font][/sub][font=宋体]—— 流体的体积流量[/font][font=宋体] 该公式中流量系数、可膨胀系数与流体的粘度、可压缩性、温度均有关。[/font][font=宋体] 差压式流量计适用于性质和状态均匀的牛顿流体的流量测量，一般不适用于流体脉动较大的场合。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]差压式流量传感器[/font][/align][font=宋体][font=宋体] 随着微电子[/font][font=宋体]——微机械系统的发展，差压式流量计目前可以被制作成体积较小的单个电子元件——流量传感器，可以安装于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的进样口流量控制单元或者系统辅助流量控制单元中，其结构原理如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][font=宋体] 流量传感器内置有微气体阻尼器，代替经典差压式流量计的节流装置，阻尼器的两端集成两个微压力传感器，测定阻尼器两端的压力差。[/font][font=宋体] [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统根据实际工作过程中使用的气体种类（不同的气体粘度和可压缩系数）、环境温度等参数，对阻尼器压力差进行计算和修正，获得正确的气体流量。[/font][align=center][img=,389,98]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010911232086_5053_1604036_3.jpg!w690x204.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]流量传感器原理示意图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]流量传感器一般安装在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的进样口电子流量控制单元或辅助流量控制单元内部，与微电磁阀等部件构成负反馈控制系统，在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]系统的指令协调下多个部件联合工作，用以提供流量准确、重现性良好的气体，如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,526,177]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010911470920_3574_1604036_3.jpg!w690x232.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]流量传感器在流量控制单元中的位置[/font][/font][/align][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][align=center][font=宋体]差压式流量计的特点和使用注意事项[/font][/align][font=宋体][font=宋体] 与传统的机械阀方式调节流量控制器相比较，电子流量控制器有更高的精密度和重现性，在保留时间要求较高的分析应用场合下（例如复杂样品的[/font][font=Times New Roman]PONA[/font][font=宋体]分析，多阀多柱的复杂[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]分析系统等），有更好的应用表现。[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 差压式流量计组成元件较少，结构比较简单，长期运行的可靠性较高，装配差压式电子流量计的电子流量控制器的故障率较低。通过良好的电气[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]气流控制设计，差压式流量计可以获得较好的惯性，压力[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]流量调节速度较快。差压式流量计的流量测量范围较大，适用色谱分析方法的范围较广。[/font][/font][font=宋体] 使用带有电子流量传感器的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，需要注意以下几个方面的问题：[/font][font=宋体][font=Times New Roman] 1 [/font][font=宋体]气体类型的配置信息必须准确[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 由公式[/font][font=Times New Roman]1-1[/font][font=宋体]可知，气体流量与节流装置（阻尼器）两端的压力差与气体种类、环境温度等参数有关，使用不同种类的气体，流量——压力差的特性不同。[/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]的硬件[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]软件配置需要正确指定正确的气体类型，否则最终测定的气体流量数值不正确。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman] 2 [/font][font=宋体]流量——压力需要进行校准[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 色谱系统在长时间运行之后，有可能存在电子元件电气性能变化，从而造成流量传感器测定的阻尼两端的压力值的偏差，进而导致流量值测定发生错误，在必要的情况下需要运行压力[/font][font=宋体]——流量的校准。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman] 3 [/font][font=宋体]气源的要求[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 流量传感器要求气源洁净，操作时尽可能去除气体中的水分、[/font] [font=宋体]油污等有机物杂质和固体颗粒物，以避免损坏压力传感器和堵塞阻尼，造成流量测量产生一定误差。[/font][/font][font=宋体]避免气源或管路气流压力、流量的瞬间剧烈变化，可能对流量计造成较大的压力和流量冲击。[/font][font=宋体]气源压力不可超出色谱系统允许输入压力，避免损坏流量计中的压力传感器。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font=宋体]本文简单介绍压差式流量测量的原理，和压差式流量传感器的原理和使用注意事项。[/font][font='Times New Roman'] [/font]

[size=24px][font=宋体]在当今电子时代，光电传感器仍有许多应用，发展速度也很快，特别是随着智能机器的出现，对传感器的使用变得更加依赖。光电传感器的特性使得它在未来能够得到更多的发展。[/font][font=宋体]而可以用来控制液位的光电传感器，简称光电液位传感器。它可以控制电磁阀、水泵等，从而实现半自动化或全自动。有很多方法，取决于不同产品的选择。[/font][font=宋体]光电液位传感器就是利用光学折射原理来检测液位。光电液位传感器利用这种现象来区分有水状态和无水状态，从而将其转换为电平信号输出。光电液位传感器内部有一个红外发射管，当传感器处于水的状态时，光线会在水中发生折射；它在无水状态下不会折射。[/font][img=,600,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210081755422476_2512_4008598_3.jpg!w600x324.jpg[/img][font=宋体]对比[/font][font=宋体]原始机械式的浮球液位传感器来说，其可靠性及精度、稳定性方面都可以维持在一个较高的范围内，具有液位控制精度高、一致性强、可靠性高、寿命长的特点。[/font][font=宋体]液位传感器配合控制器可以实现液位控制，当被测液体到达传感器[/font][font=宋体]检测[/font][font=宋体]位置时，芯片[/font][font=宋体]就会[/font][font=宋体]输出高电平或低电平信号，然后与控制器配合实现对液位的控制。然后在液位下降到没有液体时，传感器可以发出信号实现缺水预警，或者驱动水泵加水。在液位上升到设定一个位置时，传感器检测到后可以实现满水提醒并控制水泵停止工作。[/font][/size]

[align=center]在正常室温以及大气压下，氦是一种无色无味的气体。其在空气中的体积含量为5.24×10-6，它是人类发现临界温度最（ZUI）低的物质。氦是重要的工业气体之一，氦气广泛用于军事工业  研究  石化  制冷  医疗  半导体  管道泄漏检测等领域，其具体应用如下：[/align]检验和分析应用：核磁共振分析仪的超导磁体需要使用液氦冷却。在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱仪[/url]中，氦气通常用作载气，氦气渗透性良好，不易燃，它还能用于真空泄漏检测。用作保护气体：氦气具有非活泼的化学性质，常用于保护镁  锆  铝  钛等金属焊接。在航空航天技术中，氦气可用作卫星、火箭的挤压和姿态控制发动机空气源。[img=,348,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/06/201906051610066391_5463_3422752_3.png!w348x310.jpg[/img]虽然氦气是无毒的，表面上对人体无害，但是大量吸入会引起窒息甚至死亡！这是因为过度吸入窒息会导致人体缺氧，轻者人会感到疲倦，严重的人可能会突然变黑并在眩晕中窒息！因此在使用氦气的环境中必须实时监测氦气的浓度，OFweek Mall推荐使用热导式气体传感器MTCS2601来进行氦气泄露检测。 法国Endetec的热导式气体传感器MTCS2601由基于 MEMS 技术的 4 个 Ni-Pt 电阻组成的微机械的热电导率传感器。此热导式气体传感器安装在小型的 SMD 封装内。同时结合了低功耗 CMOS 标准集成电路，非常适合 OEC厂商的泄漏检测，或者基于帕拉尼原理的真空度检测，需要超低功耗，长寿命和免维护的产品。适用于恶劣环境下初级压力控制，需要功耗和尺寸的限制，或者是气体泄漏或者水分，或者侵入。[b] 法国Endetec热导式气体传感器 MTCS2601特点：[img=,339,295]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/06/201906051609017071_7955_3422752_3.jpg!w339x295.jpg[/img][/b]MEMS 热导式气体传感器遵循没有化学反应的物理皮拉尼原理，基于气体热导率变化对于压力测量范围：0.0001~1000mbar，卓越的可重复性。硅晶片上有加热电阻，并且有优异的温度补偿。超小的传感器气体体积例如0.1cm3 。

[align=left]如今，传感器已经融入生活的每个角落，它可以分析用户的日常行为，并增加用户与周围世界的互动方式。通过一些常用的智能传感器，可以大大提高生活的便利性和安全性。[/align]在流行的智能家居产品的设计中，有空气净化器、有毒气体检测等作品的设计，这些都与气体传感器的工作密不可分。智能家居是指封闭式建筑某一区域内电气化、自动化的内部结构，在科学合理的空间布局的基础上提高空间的自动控制效果，获得更好的生活、心理学双重享受的目的。通过气体传感器对室内空气进行实时监测能够第一时间判断室内空[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]量是否安全（一氧化碳、二氧化碳、氧气、可燃气体等），出现事故及时作出调整。气体传感器作为整个智能家居控制系统的骨干，相当于整个系统的“中枢神经”，因此气体传感器对智能家居中信息传输、命令的智能释放具有意义。检测不同的气体需要用到不同的气体传感器，比如检测甲烷等气体就需要用到可燃气体传感器，检测氧气需要用氧气传感器，其实智能家居中用的气体传感器（空[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]量传感器）远远不止这些，例如温度传感器、湿度传感器、光电传感器等。OFweek Mall工程师列举几种智能家居中用的较多的气体传感器：[b]日本FIGARO 纽扣式一氧化碳传感器(CO传感器)-TGS5141 [/b]* 超小型、可电池驱动* 对一氧化碳选择性/重复性高* 对一氧化碳具有很高的线性输出特性* 校准简便易行、使用寿命长[b]日本FIGARO 长寿命电化学氧气传感器（O2传感器）-KE-25F3/KE-25/KE-50[/b]日本于1985年开发成功的原电池式氧气传感器。其显著特点是使用寿命长，具有优良的化学稳定性，而且不易受CO2的干扰与影响。[b]CO2二氧化碳传感器-ZG09[/b]测试原理：双光束NDIR采样方法：自由扩散 或者气流控制（50~200mL/min)使用温度：0~50°C，0~95%RH，无冷凝测量范围：ZG09 0~10000ppm/1.0%精度：50ppm或 读数的3%的较大值[img=,298,251]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811061116360144_9553_3422752_3.png!w298x251.jpg[/img][url=https://mall.ofweek.com/category_11.html]气体传感器[/url]丨氧气传感器丨一氧化碳传感器丨二氧化碳传感器丨可燃气体传感器丨空[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]量传感器丨温湿度传感器丨甲烷传感器

水箱水位控制一般会使用什么传感器呢？一般是采用水位传感器来进行检测，水位传感器可以很好的检测水位的变化，检测到水位达到某一位置时发出信号给出提示。配合控制板还可以实现自动加水功能。所以水箱水位控制通常最适合的是水位传感器。水位传感器又有很多种类型，目前机器设备中是有采用哪些水位传感器呢？比如浮球式水位传感器、光电式、电容式等水位传感器。1.[b]电容式水位传感器[/b]价格便宜，体积小，并不直接接触液体，而是安装在水箱外壁使用。可检测各类各类带杂物、腐蚀性等液体。[img=,690,440]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/10/201810251019466712_2449_3397320_3.jpg!w690x440.jpg[/img]2.[b]浮球式液位传感器[/b]运作简单，优点是价格便宜，缺点是液位控制精度低，通常只能控制在±3mm之内甚至更高。浮球式水位传感器只能上置、下置安装，会局限了产品要求。并且浮球式水位传感器在使用一段时间后会产生水垢，水垢导致浮球增重的同时会影响液位检测精度，且不符合食品卫生认证标准。 [img=,253,210]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/10/201810251025552067_5793_3397320_3.png!w253x210.jpg[/img]3.[b]光电式水位传感器[/b]可上置、下置、侧置、斜向安装，防水等级达到IP 64，液位检测精度高，可以控制±0.5mm。且体积小、寿命长，安装工艺简单，稳定性强，可靠性高。应用环境广，受液体中的腐蚀性、沉淀物、漂浮物等影响较低。且接触液体面积小，易清洁更卫生[img=,629,386]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/10/201810251029499801_167_3397320_3.jpg!w629x386.jpg[/img]4.[b]超声波水位传感器：[/b]超声波水位传感器重量轻，检测精度高，非接触式的检测，更加卫生。具有安全、寿命长、可靠性高的特点。适用环境广，安装方式多样。超声波式水位传感器易有盲区，盲区内则检测不到液体或物体。超声波水位传感器下面不易有障碍物，以及有粉尘、水雾、易产生大量泡沫的液体，或者液体易挥发的情况下不适合超声波水位传感器。容易导致测量误差、信号丢失、精度下降等等。超声波式传感器价格较贵。5.[b]电极式[url=http://www.eptsz.com/Products.aspx][color=#000000]液位传感器[/color][/url]：[/b]电极式水位传感器结构简单，价格低廉，电极式传感器是直接利用水的电阻检测水位，这种传感器一般以不锈金属，或导电硅橡胶作为导电体，其封装工艺的优劣直接关系到产品的质量。电极式水位传感器在使用时间长久后会产生电解，产生的电解物质是有毒的，会影响人体健康。

最近实验中发现了这样一个问题。空气和二氧化碳配制的混合气体通过管道输送到实验设备，在管道一端接了一个三通，在三通侧向的出口放入一个测量CO2浓度的探头，进行CO2浓度的实时测量。见附件的图。我的问题是，同样配比的混合气体，在管道出口放空（就是不接设备，气体直接排到大气）的时候，探头是一个读数。接了设备以后， 探头的读数发生了很大的变化。后面我改动了设置，把少量气体从三通的侧口引出来，通到一个盒子里面，探头放在盒子里（盒子开一个小孔作为气体的出口），这个时候读数虽然也和放空时不同，但变化的幅度就不那么大了。这里想问一下，是不是因为接了设备以后，管道内的气体压强增加，导致传感器的读数发生偏移。因为我看到很多CO2的传感器，在工作压强的范围上都写的是1±0.3atm。也就是说基本是在常压下使用的，不能偏离正常大气压太多。传感器放在盒子里以后，所处环境压强没有管道内部那么高，所以读数偏离不大。不知道有没有哪位高人研究过这方面的问题，有没有哪些合适的解决办法。还请多指教。谢了！http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/08/201408232318_511399_1391279_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/08/201408232318_511400_1391279_3.jpg

[align=center][size=14px][img=双传感器自动切换PID控制器,690,426]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107281550092924_2978_3384_3.png!w690x426.jpg[/img][/size][/align][color=#990000]摘要：为了解决PID过程控制器中双传感器自动切换的难题，降低成本提高性价比，替代昂贵的英国欧陆公司2704系列产品，上海依阳实业有限公司推出了单通道和双通道系列的24位高精度PID过程控制器，每个通道都可以实现双传感器自动切换。采用双通道控制器还可以实现温度和真空度的同时测量和控制，温度和真空度测控都可以实现双通道自动切换。另外双传感器自动切换功能还可使备份传感器成为可能，可有效保证过程控制的连续性和安全性。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=24px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][size=14px][/size]　　在许多工业控制领域中，如真空热处理、冷冻干燥机、高压釜、半导体加热炉、空间环境模拟室等，被控参数的量程往往会很宽泛，为了覆盖全量程范围内的准确测量和控制，往往需要两只不同量程的传感器。[size=14px][/size]　　如在温度测控过程中，往往在低温段采用热电偶温度传感器，在高温段采用红外测温仪，有时也会采用两种不同类型的热电偶温度传感器来覆盖宽的温度区间。[size=14px][/size]　　如在真空度测控过程中，往往会采用10Torr和1000Torr两只薄膜电容真空计来完成0.1~760Torr全量程范围的真空度准确测量和控制。[size=14px][/size]　　对于这种需要双传感器测量和控制的场合，目前普遍还是采用人工判断切换方式，这给实际应用带来很大不便。[size=14px][/size]　　国外著名厂商欧陆（EUROTHERM）公司针对上述应用，专门推出了2704系列PID过程控制器，但价格较贵。[size=14px][/size]　　为了解决PID过程控制器中双传感器自动切换的难题，降低成本提高性价比，替代昂贵的国外产品，上海依阳实业有限公司推出了单通道和双通道系列的24位高精度PID过程控制器，每个通道都可以实现双传感器自动切换，采用双通道控制器还可以实现温度和真空度的同时测量和控制，温度和真空度测控都可以实现双通道自动切换。另外双传感器自动切换功能还可以使备份传感器成为可能，有利于控制过程中若一只传感器出现故障而自动切换到第二只备份传感器，保证过程控制的连续性和安全性。[size=24px][color=#990000]2. 基本原理[/color][/size][size=14px][/size]　　双传感器自动切换的基本原理是在控制器主输入接口的基础上引入了一个辅助输入接口，如图2-1所示为两只传感器切换的情况。以温度传感器为例，高切换点（2-3）是第一只传感器工作的高点，低切换点（1-2）是第二只传感器工作的低点，在这两点之间控制器进行平滑计算。当主输入PV1和辅助输入PV2的测量值连续采样低于下切换点，切换到低温传感器。当主输入PV1和辅助输入PV2的测量值连续采样高于上切换点，则切换到高温传感器。[align=center][color=#990000][img=双传感器自动切换原理,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107281552543835_2273_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][size=14px][/size][align=center][color=#990000]图2-1 双传感器自动切换原理图[/color][/align][size=24px][color=#990000]3. 控制器参数设置[/color][/size][size=14px][/size]　　双传感器高低量程的切换点数值判断以辅助输入测量值为判断依据，因此当系统采用双传感器测量和控制时，辅助输入接口做为高端量程传感器的信号输入源。[size=18px][color=#990000]3.1. 双传感器切换功能时，输入类型分辨率的设置[/color][/size][size=14px][/size]　　（1）主输入接口输入类型为热电偶或热电阻时[size=14px][/size]　　此时的温度单位“摄氏度”和“开尔文”设置为0.1度分辨率，温度单位“华氏度”为1度分辨率。即，主输入类型为热电偶或热电阻，温度单位为摄氏度或开尔文时，辅助输入通道小数点设置为1位小数。温度单位为华氏度时，小数点设置为0位小数。[size=14px][/size]　　（2）主输入通道的输入类型为模拟信号时（真空度测控情况）[size=14px][/size]　　根据小数点设定分辨率，两通道必须相同分辨率，即主输入和辅助输入保持相同小数位数，但相应的量程要根据传感器的实际量程进行设置。如对于10Torr和1000Torr两只真空计，其对应的模拟信号都是0~10V，但显示量程分别要设置为10和1000。[size=18px][color=#990000]3.2. 双传感器切换功能中的上下限切换点设置[/color][/size][size=14px][/size]　　在使用双传感器切换功能时，还需在控制器上进行相应子菜单设置，分别设置上限切换点和下限切换点，具体内容详见控制器使用说明书。[size=24px][color=#990000]4. 双传感器自动切换功能的应用[/color][/size][size=14px][/size]　　具有双传感器自动切换功能的PID过程控制器可应用于多种场合：[size=14px][/size]　　（1）由于双传感器功能能够同时从两个独立的传感器接收输入信号，这就使得控制器可用于测量两传感器之间的差值和平均值，如温差、平均温度、真空压力差和真空压力平均值。[size=14px][/size]　　（2）双传感器自动切换功能也可作为备份传感器切换功能使用，即在控制器上连接两只完全一样的传感器，当第一只传感器开路时，当前测量自动切换到第二只传感器测量值进行控制，由此对测量和控制起到保护和保险作用。[size=14px][/size]　　（3）由于上海依阳公司的VPC2021-2系列PID过程控制器具有双通道同时测控能力，而每一通道都配备了辅助输入端口，这样就可以同时连接4只传感器。这种4只传感器的接入能力，能带来非常多的组态形式，如同时进行两路不同变量（如温度和真空度）的测量和控制，其中2只传感器同时测控温度和真空度，其他2只传感器用来同时监测其他两个测量点处的测量值变化情况。[size=14px][/size]　　（4）在高真空工艺过程中，最常见的是使用扩散泵，并将扩散泵放置在真空炉膛和机械泵（粗真空）之间，而扩散泵和机械泵之间的区域称为前级室。机械泵将前级室气压降低到扩散泵的最大吸入压力以下，扩散泵才能开始正常运行。在典型的单室真空系统中，一般会配备三个真空计：在主真空室（或炉膛）中将安装两个真空计，一个用于低真空（皮拉尼真空计10-3 mbar），另一个用于高真空（有源倒磁控管AIM）仪表10-8mbar。而另一个皮拉真空计被视为单独的输入用来监控前级室气压。在实际应用中需要两个主真空室上的真空计进行自动切换，同时外加一个真空计监测前级室气压和一个温度传感器进行腔室温度测控。两种类型的真空计（每种都需要24V直流电源）提供2~10V直流对数输出，涵盖不同的真空范围。在实际控制过程中，两通道控制器将前级室与主真空室隔离并打开前级泵，当前级室达到设定的真空度时，控制器将改变其联锁装置，使扩散泵能够将炉子抽真空。同样，当炉子达到设定的真空度时，两通道控制器将控制执行设定的温度曲线，同时继续监测是否保持必要的真空度。[align=center]=======================================================================[/align][align=center][img=,690,349]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107281553360737_7536_3384_3.jpg!w690x349.jpg[/img][/align][size=14px][/size]

[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：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]

[size=14px][color=#990000]摘要：为了保证科研生产中的安全运行和控制，针对一些对可靠性、安全性和产品价值要求较高的控制对象，往往要求传感器具有冗余设计。本文介绍了VPC 2021-1系列多功能超高精度PID控制器，主要介绍了此控制器的双传感器冗余功能及其使用方法。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px] 在各种工业和科研领域中，会采用大量各种传感器进行相应的过程参数测量和控制。在一些使用环境比较恶劣的条件下，如高低温、高压力、腐蚀、侵蚀、振动和强磁场等，传感器往往会受到损伤而发生故障，由此会在使用过程中给测量和控制带来严重影响，从而造成测量和控制效果降低，甚至造成产品报废和试验失败，更严重的还会造成控制失控而引发事故。特别是在一些高价值产品的长时间生产控制过程中，绝不允许期间出现中断而造成控制参数巨变造成高价值产品报废现象。[/size][size=14px] 为了解决上述运行过程中传感器损坏而带来的控制失效问题，最好的解决方法是进行冗余设计，即对工作用传感器进行备份。如图1所示，在被控对象中布置至少两个传感器，一个作为主传感器，另一个为备份传感器。当主传感器出现故障时，特别是主传感器出现断路时，控制器自动切换到备份传感器。[/size][align=center][size=14px][color=#990000][img=双传感器冗余示意图,500,294]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211161612313860_2879_3221506_3.jpg!w690x407.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#990000]图1 冗余设计的双传感器（主传感器和备份传感器）[/color][/align][size=14px] 在控制过程和运行设备中配备双传感器比较容易实现，条件是主传感器和备份传感器的规格型号和量程要完全一致，但发挥这种冗余设计功效的关键是要求相应的PID控制器具有传感器断路自动监测能力，并同时要求能将控制回路自动切换到备份传感器。[/size][size=14px] 为了满足安全生产和控制需要，VPC2021-1系列多功能超高精度PID控制器配备这种双传感器冗余功能。如图2所示，此系列PID控制器具备万能型传感器输入功能，可连接的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。在备份传感器的具体使用中，可以将两只完全相同的传感器分别接入主输入端和辅助输入端，并将辅助输入通道设置为双传感器冗余功能。开始运行后，控制器同时采集两只传感器信号，但采用主传感器信号进行控制。当主传感器开路时，当前测量自动转入辅助输入端（备份传感器）的测量值并继续进行控制。[/size][align=center][size=14px][color=#990000][img=具有双传感器冗余功能的多功能超高精度PID控制器,350,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211161614314227_180_3221506_3.jpg!w496x551.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#990000]图2 具有双传感器冗余功能的PID控制器[/color][/align][size=14px] 这种双端口输入信号的功能还可以进行扩展，可以通过相应的设置用来进行加热器断丝报警、阀位反馈、远程设定、不同量程双传感器切换。[/size][size=14px] 总之，这种具体双传感器冗余功能的PID调节器完全可以满足安全控制的需要，功能十分强大，同时还保持了超高精度的测量控制能力。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对环境扫描/透射电子显微镜对样品杆中的真空压力气氛环境和流体流量精密控制控制要求，本文提出了更简单高效和准确的国产化解决方案。解决方案的关键是采用动态平衡法控制真空压力，真空压力控制范围为1E-03Pa~0.7MPa；采用压差法控制微小流量，解决了以往采用质量流量控制器较难对混合气体和微小流量准确控制的难题，可实现气体和液体在0.005sccm~10slm范围内的流量的高精度控制。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]============================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在环境扫描/透射电子显微镜（ESEM/ETEM）技术应用中，常会在研究对象附近创造出一个气氛环境，以研究固体和气体在原子尺度上相互作用过程中发生的现象。这种气氛环境通常为负压低真空或高于一个大气压的正压压力，由一个称之为环境样品杆“environmental sample holder”的密封形式的特殊气体样品架来提供。典型的环境样品杆结构如图1所示，其具有两个进出端口，用于气体或液体流入和流出位于样品架尖端的空腔。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=典型的电子显微镜样品杆,550,208]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309111733107508_954_3221506_3.jpg!w690x261.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 典型的电子显微镜样品杆[/b][/color][/size][/align][size=16px] 一般电子显微镜样品杆及其进气控制装置需具有以下功能：[/size][size=16px] （1）样品杆具有独立的气氛环境和很好的密封性，极低的漏率使得电子显微镜能正常工作在超高真空条件下。[/size][size=16px] （2）进入样品杆的一种或多种气体，采用一个或多个质量流量控制器（MFC）来控制流量，且每个MFC需要根据进气气体进行独立校准。[/size][size=16px] 在实际研究过程中，上述功能的电子显微镜样品杆进气控制装置还存在以下几方面的问题需要解决：[/size][size=16px] （1）无法实现真空压力的精密控制，即无法为被测样品提供稳定的真空压力环境，且随着反应过程的进行以及温度变化和反应气体的挥发，无法使真空压力不受影响并保持稳定。[/size][size=16px] （2）对于原子尺度上的研究，通常会涉及到纳米粒子的气体反应，这就要求进出样品杆的气体流速低至0.005 SCCM或更低，且始终保持稳定，这是采用MFC无法控制实现的。此外，由于MFC是针对特定的气体种类来进行校准，所以复杂的气体混合物或未知的气体混合物不能被精确地计量。[/size][size=16px] 因此，考虑到上述现有技术的问题，本文提出一种能准确控制样品杆内部真空压力环境以及全量程控制通过样品杆的气体流速的解决方案，且流速的控制与气体种类无关。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对电子显微镜气体样品杆内的真空压力控制，解决方案的基本原理是动态平衡法，使得样品杆的进气流量与排气流量达到不同的平衡状态，实现不同真空压力的精密控制。[/size][size=16px] 针对电子显微镜气体样品杆内的混合气体流量控制，解决方案的基本原理是压差法，使得样品杆的进出气口两端形成恒定压差，调节出气口开度大小来是实现不同微小流量的精密控制。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.1 真空压力控制[/b][/color][/size][size=16px] 气体样品杆的真空压力控制装置如图2所示，整个装置主要由电控针阀、真空计、真空压力控制器和真空泵组成。装置中配置了两个电控针阀，分别用来调节进气流量和排气流量。真空计用来测量样品杆内的真空度，控制器采集真空计信号与设定值对比，驱动针阀来进行恒定控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=气体样品杆真空压力控制装置,600,290]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309111733596359_8287_3221506_3.jpg!w690x334.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 气体样品杆真空压力控制装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在此真空压力控制装置的具体使用过程中，需注意以下几点：[/size][size=16px] （1）此控制装置可实现宽泛范围内的真空度控制，如从1Pa~0.1MPa（绝对压力），且可以轻松达到±1%的控制精度。但需要注意的是需要至少采用两只电容真空计来覆盖整个范围，如果控制精度要求不高，可直接使用一只测量精度较差的皮拉尼等真空计来覆盖全真空度范围。[/size][size=16px] （2）此控制装置也可实现正压压力的精密控制，如从0.1MPa~0.7MPa（绝对压力），可以轻松达到±0.5%的控制精度。具体应用时，可以将真空计处增加一个正压压力传感器。[/size][size=16px] （3）控制装置中的真空压力控制器需要是两通道的高精度控制器，控制器可连接两只真空度传感器并驱动两个电控针阀，并可在两只真空计之间进行自动切换。在具体控制过程中，低真空（1000Pa~0.1MPa）范围内，具体控制方式是恒定进气针阀开度而自动调节排气针阀开度；在高真空（1Pa~1000Pa）范围内，控制方式是100%排气针阀开度而自动调节进气针阀开度。[/size][size=16px] （4）如果需要对气体样品杆内进行更高真空度（1E-04Pa~1Pa）范围的控制，则需更换真空计和进气针阀并增加分子泵等，关键是需将进气针阀更换为阀门开度更小（微米量级）和进气流量更低的可变泄漏阀。[/size][size=16px] （5）如果采用非电容式真空计作为真空度传感器来进行真空度控制，要求真空压力控制器需具有输入信号线性处理功能，这是因为除了电容式真空计外，其他形式的真空计输出的都是非线性信号，要实现准确的真空度控制，就要求真空压力控制器具有多点拟合线性化处理功能。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.2 微小流量控制[/b][/color][/size][size=16px] 气体样品杆的微小流量控制装置结构如图3所示，整个装置主要由电控针阀、流量计、PID调节器、压力控制器和上下游气罐组成。装置中配置了两个气罐分别来恒定气体样品杆进出口两端的压力以形成压差，然后PID调节器根据设定值来调节电控针阀实现流量的精密控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=气体样品杆精密流量控制装置,690,262]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309111734506728_6036_3221506_3.jpg!w690x262.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 气体样品杆精密流量控制装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在此微小流量精密控制装置的具体使用中，需注意以下几方面的内容：[/size][size=16px] （1）因为流量控制是基于压差法，所以只需能提供稳定的压力差，且调节电控针阀的开度就可实现流量控制。压力差精密可控，且针阀的开度也可自动调节，这是保证微小流量精密控制的关键。[/size][size=16px] （2）另外决定微小流量精密控制的因素是流量计和PID调节器的精度，因此在采用满足流量测量范围要求的高精度流量计的同时，还需采用高精度的PID调节器，如24位AD和16位DA。[/size][size=16px] （3）同样，为了实现稳定的高精度的压差供给，需要对上下游气罐的压力进行精密控制。简单的方法是通过双通道的PID调节直接设定两个压力控制器为不同的压力控制值，采集压力控制器内部自带的压力传感器信号进行控制。如果要求实现更高精度的压差控制，则需在上下游气罐上增加更高精度的压力传感器并分别与PID调节器连接。[/size][size=16px] （4）图3所示的气体样品杆流量控制装置同样适用于液体的流量控制，同样可以实现液体微小流量的高精度控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，采用本文解决方案中真空、压力和流量控制装置，可实现以下功能：[/size][size=16px] （1）真空压力控制范围为1E-03Pa~0.7MPa（绝对压力），1E-03Pa~1Pa真空度范围内的控制精度可达±15%，1Pa~0.1MPa真空度范围内的控制精度可达±1%，0.1MPa~0.7MPa范围内正压压力控制精度可达0.5%。上述控制精度主要由真空计和压力传感器的测量精度决定。[/size][size=16px] （2）流量控制范围为0.005sccm~10slm，控制精度可达±1%，主要由流量计测量精度决定。流量控制装置可适应于气体和液体。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]