压力调节器

引言 JJC 376 -1985《电导仪》试行检定规程第14条对常数调节器的检定做如下规定:“按检定规程的图示方式接通线路。先将常数调节器置于J1= 1. 00(0)。接入标准电导G1标时，电计示值为G1，此时G1=K1，应符合表1规定。然后将常数调节器由J1变换至待检的J处，重新确定仪器零点，而标准电导G1标不变，测得电计示值K检。再根据J和G1标可得到计算值K计，按下式计算常数调节器的误差:[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/08/200908161640_166012_1615922_3.jpg[/img]式中:k[sub]满 [/sub]为电导仪被检档的满量程。若按此规定，依据常数J和G1标计算得K[sub]记1[/sub]，(下同)代入式( 4)进行常数调节器误差的计算，将会把被检点的电计引用误差引入到仪器常数调节器误差中来，不能客观真实的反映被检对象常数调节器的调节性能。若依据J和电计示值C [sub]1平[/sub]的平均值可得到计算值 K[sub]记1[/sub](下同)代入式阵(4)进行常数调节器误差的计算，则能避免电计引用误差的影响，客观地反映出常数调节器的真实性能。

[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]

[align=center]校准压力变送器超差时调节的浅谈[/align][align=center]西安国联质量检测技术股份有限公司[/align][align=center]材料室:周栋[/align][align=center] [/align]该压力变送器的各项参数：该压力变送器的量程为（0~2.5）MPa ，电源：24V，输出：（4~20）mA，准确度等级：0.5。我们实验室采用高压气体压力源SPMK-2000E 量程：（-0.095~6）MPa，精密数字压力表DPM400 量程：（0~4）MPa，特稳携式校验仪JY823 量程： (0~30)mA。 开始工作时，先把精密数字压力表和压力变送器装在校验台上，连接仪表时，不要用生料带在螺纹周围密封，这样容易造成高压，损坏仪表，一般应在螺纹底部垫一个聚四氟密封圈。装好仪表后，在确定管路压力为零时观察精密数字压力表DPM400的零位是否为零，当显示为零正常使用，当显示不为零，用手按表盘上的ZERO键复零。把特稳携式校验仪打到测量界面用mA输出线和24V电源线串联以便测量压力变送器的mA值和给压力变送器提供24V 电源。开始校准：[table][tr][td=1,3]被检点(MPa) [/td][td=1,3] 理论输出值（mA） [/td][td=6,1]实际输出值（ mA ）[/td][td=1,3] 基本误差（mA ）[/td][td=1,3]回差(mA）[/td][/tr][tr][td=2,1]第一次[/td][td=2,1]第二次[/td][td=2,1]第三次[/td][/tr][tr][td]上行程[/td][td]下行程[/td][td]上行程[/td][td]下行程[/td][td]上行程[/td][td]下行程[/td][/tr][tr][td]0.00[/td][td]4.00[/td][td]4.00[/td][td]4.00[/td][td]4.00[/td][td]4.00[/td][td]4.00[/td][td]4.00[/td][td]0.00[/td][td]0.00[/td][/tr][tr][td]0.50[/td][td]7.20[/td][td]7.19[/td][td]7.20[/td][td]7.18[/td][td]7.19[/td][td]7.18[/td][td]7.19[/td][td]-0.02[/td][td]0.01[/td][/tr][tr][td]1.00[/td][td]10.40[/td][td]10.38[/td][td]10.38[/td][td]10.39[/td][td]10.39[/td][td]10.39[/td][td]10.39[/td][td]-0.02[/td][td]0.00[/td][/tr][tr][td]1.50[/td][td]13.60[/td][td]13.58[/td][td]13.58[/td][td]13.58[/td][td]13.58[/td][td]13.59[/td][td]13.58[/td][td]-0.02[/td][td]0.01[/td][/tr][tr][td]2.00[/td][td]16.80[/td][td]16.78[/td][td]16.79[/td][td]16.78[/td][td]16.78[/td][td]16.78[/td][td]16.78[/td][td]-0.02[/td][td]0.01[/td][/tr][tr][td]2.50[/td][td]20.00[/td][td]19.99[/td][td]19.99[/td][td]19.99[/td][td]19.98[/td][td]19.98[/td][td]19.99[/td][td]-0.02[/td][td]0.01[/td][/tr][/table] 在校准时， 观察在0MPa时特稳携式校验仪的显示是否为理论输出值为4.00mA，如果大于或小于4.00mA就要看它是否超出最大允许误差（±0.08mA）。如果超出可通过调节压力变送器的调零电位器缓慢调节使特稳携式校验仪显示在允差范围内。符合条件后开始校准下一个点，用预压手柄开始增压快至0.50MPa时.用升降压微调手轮调至0.50MPa.观测特稳携式校验仪的mA显示值是否与该点的理论输出值之差小于等于最大允许误差。如果两者之差大于最大允许误差，则通过调节压力变送器的量程调节器使两者之差小于最大允许误差，依次继续下一个测量点，直至2.5MPa这个点。降压过程轻轻开启放气阀和逆时针转动升降压手轮依次校准各个点直至0检点，这时我们要观察0检点的mA值是否因为我们调节压力变送器量程电阻而受到变化，如果受到影响就从新调节零位对应显示值和理论值之差小于最大允许误差，再调节满量程显示值和理论值之差小于最大允许误差。两者都满足条件后再依次检定各个检点是否满足要求，如果其中有某一个点超出最大允许误差要给以说明。[align=center][img=,690,345]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807051640571283_9978_2904018_3.png!w690x345.jpg[/img][/align]

[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]

[color=#990000][size=16px]摘要：现有的[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]加速量热仪普遍存在单热电偶温差测量误差大造成绝热效果不好，以及样品球较大壁厚造成热惰性因子较大，都使得[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]测量精度不高。为此本文提出了技术改进解决方案，一是采用多只热电偶组成的温差热电堆进行温差测量，二是采用样品球外的压力自动补偿减小样品球壁厚，三是用高导热金属制作样品球提高球体温度均匀性，四是采用具有远程设定点和串级控制高级功能的超高精度[/size][size=16px]PID[/size][size=16px]控制器，解决方案可大幅度提高[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]精度。[/size][/color][align=center][size=16px][color=#990000][b]==============================[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 加速量热仪（Accelerating Rate Calorimeter）简称ARC，是一种用于危险品评估的热分析仪器，可以提供绝热条件下化学反应的时间-温度-压力数据。加速量热仪（ARC）基于绝热原理，能精确测得样品热分解初始温度、绝热分解过程中温度和压力随时间的变化曲线，尤其是能给出DTA和DSC等无法给出的物质在热分解初期的压力缓慢变化过程。典型的加速量热仪的结构如图1所示。为了保证加速量热计的测量精度，ARC装置需要实现以下两个重要条件：[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热计典型结构,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121740385310_8045_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 ARC加速量热仪典型结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）被测样品始终处于绝热环境。绝热环境的实施需采用等温绝热方式，即样品球周围的护热加热器温度始终与样品球温度保持一致，两者的温差越小，样品散失或吸收的热量则越小，量热仪测量精度越高。[/size][size=16px] （2）空心结构样品球（样品池或样品容器）的壁厚越薄越好，以最大限度减少热惰性因子，减少球体吸热和放热影响。[/size][size=16px] 在目前的各种商品化ARC加速量热仪中，并不能很好的实现上述两个边界条件，主要存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）样品温度和护热温度仅采用了两只热电偶温度传感器，而热电偶的测温精度和一致性本身就较差，仅靠两只热电偶测温和控温，很难保证达到很好的等温效果，往往会造成漏热严重的现象，导致测量精度较差。热电偶在使用一段时间后，这种现象会更加突出。[/size][size=16px] （2）因为化学反应过程中会产生高温高压，使得现有ARC的样品球壁厚必须较厚以具有较大的耐压强度，避免样品球或量热池产生形变或破裂，但这势必增大了热惰性因子。这种壁厚较厚和较大热惰性因子，是造成ARC加速量热仪测量误差较大的另一个主要原因。[/size][size=16px] （3）由于首先要保证壁厚和耐压强度，量热池所用材质往往是高强度金属，但这些金属材质相应的热导率往往较低，较低的热导率则会影响量热池侧壁温度的快速均匀。这种低导热材质所带来的样品球温度非均匀性问题，又会造成周边护热温度控制的误差，所带来的连锁效果会进一步降低测量精度。[/size][size=16px] 为了解决目前ARC加速量热仪存在的上述问题，本文提出了以下解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案主要包括两方面的技术改进，一是采用多只热电偶构成温差热电堆来提高温差检测的灵敏度和更好的保证绝热环境，二是在样品球外增加气体压力自动补偿。改进后的ARC加速量热仪的结构及控制装置如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图,550,283]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121741195817_6742_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在如图2所示的高温高压控制装置中，采用了4对热电偶组成的热电堆来检测样品球与护热加热器之间的温差，这样可以使温差测量灵敏度提高4倍，即可使原来采用单只热电偶的量热计测量精度得到大幅提高。在实际应用中，热电堆中的热电偶数量并不限制于4只，可以根据ARC结构和体积采用更多的热电偶，由此可进一步提高温差测量灵敏度，但在选择热电偶时，需要采用尽可能细的热电偶丝，以减少热量通过热电偶丝进行传递。[/size][size=16px] 对于补偿压力的控制，如图2所示，在ARC中增加了一路高压气路。压力控制回路由压力传感器、压力调节器和PID控制器构成，通过压力调节器将来自高压气源（如氮气）的压力进行自动减压控制，使得高温高压腔体内的压力始终跟踪样品球内的压力变化，从而尽可能降低样品球内外的压力差。压力调节器是一个内置压力传感器、PID控制器和两只高速进出气阀门的压力控制装置，可直接接收外部压力设定信号进行快速和准确的压力控制，非常适用于像ARC量热仪高温高压腔这样的密闭腔室的气体压力控制。压力调节器的压力控制范围为0~5MPa（表压），如需要更高压力调节，则需增加一个高压背压阀，但压力调节还是通过压力调节器。[/size][size=16px] 在图2所示的高温高压控制装置中，温差传感器的灵敏度、压力传感器测量精度以及压力调节器控制精度都决定了ARC加速量热计边界条件是否精确，但这些部件对ARC的最终测量精度贡献还需PID控制器来决定。PID控制器作为ARC绝热量热仪的核心仪表，需要满足以下要求才能真正保证最终精度：[/size][size=16px] （1）在量热仪绝热实现方面，采用温差热电堆，可灵敏检测出样品球与护热加热器之间的微小温差变化，但温差灵敏度最终是要通过PID控制器的检测精度得以保证，由此要求PID控制器应有尽可能高的采集精度。同样，绝热控制的最终效果是温差越小越好，这也对PID控制器的控制输出提出了很高的要求，即要求控制精度越高越好。本解决方案中选择了VPC2021系列的超高精度PID控制器，这是目前国际上最高精度的工业用小尺寸PID调节器，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可完全满足微小温差热电势信号高精度检测和高精度温度控制的要求。[/size][size=16px] （2）在量热仪高压补偿控制方面，需要对高温高压腔室内的气体压力进行跟踪控制以尽可能的减小样品球内外的压力差。在压力控制回路中，压力传感器用来检测样品球内部的压力变化，同时此传感器的输出压力值又作为高温高压腔室压力控制的设定值，PID控制器根据此设定值来动态控制高温高压腔室压力，这就要求PID控制器具有远程设定点功能，并具有与压力调节器组成串级控制回路的功能，而本解决方案配置的VPC2021系列PID控制器则具备这种高级控制功能。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案采用了温差热电堆和压力补偿两种技术手段对现有ARC加速量热仪进行改进，改进后的ARC加速量热仪具有以下特点：[/size][size=16px] （1）温差热电堆可明显提高温差检测灵敏度，可更好的实现绝热效果。[/size][size=16px] （2）压力补偿可使得样品球的壁厚更薄，并降低了样品球材质的强度要求，样品球就可以采用高导热金属，在降低样品球热惰性因子的同时，更能提高样品球整体的温度均匀性，可显著提高量热仪测量精度。[/size][size=16px] （3）采用了具有远程设定点和串级控制这些高级功能的超高精度PID控制器，可充分发挥上述技术改进措施的优势，真正使ARC加速量热仪测量精度的提高得到了保障。[/size][size=16px] （4）所采用的技术手段，可推广应用到其它形式的热反应量热仪中。[/size][align=center][color=#990000][b][/b][/color][/align][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][/size]

[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=#ff0000]摘要：针对双层玻璃反应釜中存在的无法进行真空压力自动和准确控制等问题，本文提出了完整和成熟的解决方案，即采用卫生级电动调节阀和高精度双通道PID控制器，结合不同量程的真空计，与反应器、真空泵和正压气源构成闭环控制回路。通过上下游（进气和排气）同时控制的双向模式，可实现真空度全量程和微正压的自动程序控制，可达到很高的控制精度，并可与上位机通讯实现中央控制。[/color][align=center][img=玻璃反应器高精度真空度控制系统,690,368]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212082226547967_8886_3221506_3.jpg!w690x368.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#ff0000]1. 问题的提出[/color][/size][/b] 双层玻璃反应釜为双层玻璃设计，内层放入反应溶媒可做搅拌反应，夹层可通以不同的冷热源（冷冻液，热水或热油）做循环加热或冷却反应。在设定恒温条件下的密闭玻璃反应器内，可根据使用要求在真空至微正压条件下进行搅拌反应，并能做反应溶液的回流与蒸馏，是现代精细化工厂、生物制药和新材料合成的理想中试、生产设备。 双层玻璃反应釜与其他反应器一样，真空压力是反应过程中的一个重要控制变量，不同反应过程往往需要不同的真空度（负压）或压力（正压）值。但在目前绝大多数玻璃搅拌釜反应器中，真空压力的准确控制还存在严重不足，主要体现在以下几个方面： （1）无自动化控制手段，很多还仅靠真空泵的抽取加人工干预，仅能提高简单的真空环境但无法实现控制。 （2）有些真空压力控制器还采用开关式进气控制方式，真空压力波动非常大，往往很多也无法实现程序控制。 （3）控制方式单一，无法进行全量程的（1Pa~0.1MPa）真空度控制，只能在某一区间进行控制。另外，绝大多数玻璃搅拌釜反应器都不具备微正压供给和控制能力。 （4）许多反应器对抽气速率控制采用蝶阀或球阀控制，对于较小尺寸的玻璃反应器而言，蝶阀和球阀的响应速度太慢，无法实现真空压力的准确控制，特别是在温度变化的反应过程中这种现象尤为明显。 （5）同样，也有采用可调转速的真空泵来进行反应器的真空度控制，但同样存在响应速度慢导致真空压力波动大的问题。另外，仅调节抽气速率也只能控制接近一个大气压的低真空（高压）范围，对较高真空（低压）区间的控制则无能为力。 （6）很多反应器对接气（或接液）部件有严格要求，要求卫生级（或食品级）阀门，而目前大多数电动调节阀都无法满足这种特殊要求。 为解决双层玻璃反应釜存在的上述问题，本文将提出完整和成熟的解决方案，即采用卫生级电动调节阀和高精度双通道PID控制器，结合不同量程的真空计，与反应器、真空泵和正压气源构成闭环控制回路。通过上下游（进气和排气）同时控制的双向模式，可实现真空度全量程和微正压的自动编程控制，可达到很高的控制精度，并可与上位机通讯实现中央控制。[b][size=18px][color=#ff0000]2. 真空压力（正负压、高低气压）控制方法[/color][/size][/b] 一般我们以一个标准大气压（绝对压力为1Bar 或 750 Torr）为参考点，规定小于标准大气压为负压或真空环境，大于标准大气压为正压（压力）环境。那么，搅拌式反应器的气压工作环境的控制就是一个典型的真空压力（正负压或高低气压）控制问题。 正负压控制的典型方法是动态平衡法，其原理如图1所示。[align=center][b][color=#ff0000][img=真空压力动态平衡法控制原理框图,600,262]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212082224430816_252_3221506_3.jpg!w690x302.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#ff0000]图1 真空压力动态平衡法控制原理框图[/color][/b][/align] 动态平衡法的核心原理是被控压力容器内的进气和出气达到某种设定平衡。图1中的黑色箭头线代表气体流动方向，红色箭头线代表电信号的传递和方向。 其中高压气源作为正压源，真空泵进行抽气提供负压源，过程调节器采集传感器信号经过与设定值比较后同时调节进气和出气阀门的开度，使得进气和出气流量达到设定的平衡状态。 在真空压力控制中采用动态平衡法主要有两个优势： （1）控制区间非常宽泛，可以实现从真空到正压全量程的连续控制。 （2）在全量程具有很高的控制精度。在高真空（低压）区间控制时，固定抽气阀开度，调节进气阀开度大小。在低真空或微正压区间控制时，固定进气阀开度，调节抽气阀开度。[b][size=18px][color=#ff0000]3. 解决方案[/color][/size][/b] 依据上述真空压力动态平衡法控制原理，针对双层玻璃反应釜的真空压力控制，解决方案提出的控制装置结构如图2所示。[align=center][b][color=#ff0000][img=双层玻璃反应釜真空压力控制装置结构示意图,690,360]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212082225130500_9388_3221506_3.jpg!w690x360.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#ff0000]图2 反应器真空压力控制装置结构图[/color][/b][/align] 从图2可以看出，真空压力控制装置主要由高压气源、电动阀门、真空压力传感器、PID过程调节器和真空泵几部分组成。以下是对前四部分内容的介绍。 [color=#ff0000]（1）高压气源[/color] 高压气源一般为微正压控制过程提供大于设定压力的高压气体。气源一般为高压气瓶，高压气瓶经减压阀输出固定压力的气体，此固定压力需略大于所需控制的微正压。若反应器只需在真空（负压）范围内控制，则无需高压气源，直接采用大气即可。 [color=#ff0000]（2）电动阀门[/color] 解决方案中的电动阀门是一种快速响应的电子调节阀，包括电动针阀和电动球阀。电动针阀适用于小流量进气调节，电动球阀用于大流量排气调节。对于小容积的双层玻璃反应器，进气和出气调节阀可以直接用电控针阀；而对于大容积反应器，则进气阀选择电子针阀，排气阀选择电控球阀。电子针阀的全程开启时间为0.8s，电子球阀的全程开启时间有1s和7s两种规格，快速响应时间是保证控制精度的重要因素之一。另外，无论是针型阀还是球阀，都有卫生级、食品级和耐酸腐蚀的对应型号。 [color=#ff0000] （3）真空压力传感器[/color] 传感器是整个反应过程中真空压力测量的关键，其测量精度也决定了反应器温度和真空压力控制精度以及工艺的有效性。一般推荐采用精度较高的电容真空计，在整个真空压力范围内，通过两种规格的电容真空计（10Torr和1000Torr）基本可以覆盖整个低压（真空）至微正压（高压）区间，而且还可以保证在任意真空压力下的精度为测量值×0.25%。电容真空计对应测量范围的信号输出一般为0~10V直流电压，此输出电压与真空度测量值呈线性关系。 有些反应器采用的是皮拉尼计进行真空范围内的测量，但皮拉尼计的测量误差较大，同时相应的输出电压信号与真空度呈非线性关系，所以一般采用皮拉尼计进行对控制精度要求不高的反应器真空压力控制。在使用中需要特别注意的是，电容真空计的正压测量能力非常有限，皮拉尼计无法测量正压，如果要进行正压控制，则还需要配备相应精度的正压压力传感器。 [color=#ff0000] （4）PID过程调节器[/color] 过程调节器是实现真空压力控制的关键，其采集精度和调节精度决定了真空压力的最终控制精度。本解决方案采用的是超高精度的双通道PID过程调节器，其中有两个独立通道分别用来调节进气阀和出气阀。每个通道配置的都是24位AD、16位DA和双精度浮点运算，可实现0.01%的最小输出百分比，这是目前国内外工业用PID调节器最高级别的配置，结合电容真空计和快速调电子调节阀，可轻松实现优于±1%的真空压力控制精度。 超高精度双通道PID过程调节器具有强大的功能，PID参数可以自整定，可存储多组PID参数以满足不同反应工艺需要，并具有MODBUS标准通讯协议，通过上位机可实现多台调节器的中央控制。随机配备的计算机软件可对PID调节器进行远程设置、数据采集、显示和存储，极大方便了真空压力控制系统的调试。[b][size=18px][color=#ff0000]4. 总结[/color][/size][/b] 综上所述，本文所提出的真空压力准确控制解决方案，除了可满足双层玻璃反应器真空压力（正负压）准确控制需要之外，也可以用于其他各种反应器和旋转蒸馏器中的真空压力控制。 本文解决方案描述的是一种分立结构形式的真空压力控制系统，也可以按照需要和具体反应器设计对控制系统进行集成，将电控阀门和PID调节器集成为仪器，更便于反应器的整体布局设计和配套。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：采用当前的各种涂布机很难适用气体扩散层这类脆性材料的涂布工艺，需要控制精度更高的微张力控制系统。为此本文基于串级控制原理，提出了采用双闭环PID控制模式和超高精度PID张力控制器的解决方案，一方面形成浮动摆棍闭环和主动辊闭环构成的串级控制回路，另一方面是采用目前测控精度最高的工业用PID控制器，结合相应配套的高精度传感器和执行器，可真正实现微张力的精密控制。[/b][/color][/size][align=center] [img=微张力精密控制,690,225]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307261628010805_2785_3221506_3.jpg!w690x225.jpg[/img][/align][size=16px] [/size][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 气体扩散层（GDL）在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用，常用于质子交换膜燃料电池，在具体生产工艺中需要在GDL材料表面定量涂布一层特定功能涂料。由于GDL基体层材料较脆，涂布工艺过程中易造成基体层材料断裂或撕裂，转弯处易折断，在高温状态下材料比常温下更脆弱，一般要求涂布过程中控制张力设定在5～10N很窄的一个范围内，且还需要在此微张力范围内具有较高的控制精度。[/size][size=16px] 传统涂布设备，浮动摆辊均为气缸驱动，直线电位器反馈摆辊位置。存在以下问题：[/size][size=16px] （1）无法精确控制摆辊位置。[/size][size=16px] （2）气缸行程只有一个方向，需要料膜的张力平衡气缸推力，易造成GDL脆性材料拉伸。[/size][size=16px] （3）摆辊瞬间偏移至一端时，料膜张力瞬间增大或减小，极易造成GDL脆性材料的撕裂甚至断裂。[/size][size=16px] （4）张力控制器中的模数转换AD精度和数模转换DA精度较低，最小输出百分比也只能达到0.1%，无法提供更高精度的测量和控制。[/size][size=16px] 由此可见，为实现GDL脆性材料的微张力控制，实现具有精度高、张力小、控制稳的伺服电机驱动的浮动摆辊微张力控制是氢能材料制备的关键技术，为此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] 为实现涂布工艺中的微张力高精度控制，本文提出的解决方案包含以下两方面的内容：[/size][size=16px] （1）采用双闭环PID控制形式调节料膜张力，即对浮动摆棍和主动辊进行独立的PID控制。[/size][size=16px] （2）采用超高精度的双通道PID控制器，每个通道都具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。[/size][size=16px] 解决方案所涉及的微张力控制系统结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=双闭环微张力控制系统结构示意图,500,200]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307261628351448_1980_3221506_3.jpg!w690x277.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 双闭环微张力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图1所示的双闭环控制系统中，浮动摆辊PID闭环控制的具体过程是根据工艺要求，给控制器输入张力值，控制器根据张力传感器信号与设定张力值之差进行快速PID计算后输出控制信号，此控制信号控制浮动摆辊伺服驱动器和伺服电机动作，从而使浮动摆棍产生偏移使得料膜张力快速达到设定值。[/size][size=16px] 浮动摆辊的PID闭环控制过程主要是通过浮动摆辊偏移来调节料膜张力，主动辊速度仍为主机速度，并未参与调节。当浮动摆辊伺服电机持续动作调节料膜张力时，浮动摆辊偏差会导致累积，最终达到浮动摆辊位置报警值。因此仅由浮动摆辊伺服电机调节料膜张力不能完全解决张力不稳、精度不高的问题，为此增加主动辊PID闭环控制实现张力的精准控制。[/size][size=16px] 第二路主动辊PID闭环控制的具体过程是在浮动摆辊PID闭环控制实现调节后，由于浮动摆辊偏离中位，位移传感器跟随浮动摆辊偏移产生对应的偏移电压信号并输入给控制器，控制器根据此偏移电压信号与0V值的正负偏差进行快速PID计算后输出控制信号，此信号控制主动辊伺服驱动和主动辊伺服电机来改变主动辊速度，使得浮动摆棍回到中位，最终实现GDL脆性材料的微张力精准控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过上述解决方案，可很好的解决微张力的精密控制问题，具体优点如下：[/size][size=16px] （1）解决方案所采用的双闭环控制结构，实际上是一个非常典型的串级控制结构，因此充分利用了串级控制结构的优势，更利于实现高精度张力的控制。[/size][size=16px] （2）制约微张力精密控制的另一个主要因素是控制器的精度普遍不高，采用PLC很难达到超高的采集和控制精度。因此，本解决方案中采用了超高精度的双通道PID控制，既使用了串级控制功能，又实现了超高精度的PID控制。[/size][size=16px] 当然，传感器和执行器精度也是制约微张力精密控制的因素，为了真正实现微张力的精密控制，还需在使用串级控制和超高精度PID控制器的基础上，配备相应高精度的传感器和执行器。[/size][size=16px][/size][size=16px][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align]