自动控制试验

[font=&][color=#333333]水池水位自动控制器是一种用于监测和控制水池水位的设备。它通过传感器实时监测水池的水位，并根据设定的水位范围自动控制水泵或阀门的开关，以保持水池的水位在合适的范围内。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]水池水位自动控制器具有以下功能：[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]实时监测水位：水池水位自动控制器配备了高精度的水位传感器，能够准确地监测水池的水位变化。它可以实时显示当前水位，并将数据传输给控制器进行处理。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]自动控制水泵或阀门：根据设定的水位范围，水池水位自动控制器可以自动控制水泵或阀门的开关。当水位低于设定的最低水位时，控制器会自动启动水泵或打开阀门，将水注入水池；当水位达到设定的最高水位时，控制器会自动关闭水泵或关闭阀门，停止注水。[/color][/font][align=center][img=水位自动控制器,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307191457554937_9399_4008598_3.jpg!w690x690.jpg[/img][/align][font=&][color=#333333]报警功能：水池[url=https://www.eptsz.com]水位自动控制器[/url]还具有报警功能。当水位超出设定的安全范围时，控制器会发出声音或光信号，提醒操作人员及时采取措施，避免水池溢出或水位过低。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]远程监控和控制：一些高级的水池水位自动控制器还具有远程监控和控制功能。通过与互联网连接，操作人员可以远程监测水池的水位，并进行远程控制，实现对水泵或阀门的远程开关。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]水池水位自动控制器的功能使得水池的水位控制更加方便和精确。它可以广泛应用于各种水池，如蓄水池、游泳池、鱼塘等，有效地提高了水资源的利用效率，减少了人工操作的工作量，同时也提高了水池的安全性和稳定性。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font]

[align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]随着科技的发展，人们的生活越来越智能化。对于养鱼爱好者来说，一个自动控制的鱼缸水位开关控制器能够极大地提高养鱼的便利性和舒适度。[/back][/color][/font][/align][align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]这款鱼缸水位[url=https://www.eptsz.com]开关自动控制器[/url]采用先进的微处理器技术，能够实时监测鱼缸的水位。当水位过低或过高时，控制器会立即启动相应的工作模式。当水位过低时，控制器会自动打开水泵，将水注入鱼缸，确保鱼儿有足够的水生活环境。[/back][/color][/font][/align][align=center][img=水位自动控制器,673,582]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/12/202312141603520014_401_4008598_3.jpg!w673x582.jpg[/img][/align][align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]鱼缸补水器分为控制器和磁性吸盘两部分，确定鱼缸需要保持的水位线，将吸盘与控制器对准后分别放在鱼缸壁的内侧与外侧。电源的一头插入控制器，将另一头插入插座内，即可完成补水器供电。水泵插头插入控制器，水泵接上水管放入备用水箱中，既可实现补水功能。[/back][/color][/font][/align][align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]这款鱼缸水位开关自动控制器是养鱼爱好者的理想选择。它不仅能够提供舒适的鱼儿生活环境，还能大大降低养鱼的难度和劳动强度。在未来，随着技术的不断进步，相信这款控制器将会更加智能、更加人性化，为养鱼爱好者带来更多的便利和乐趣。[/back][/color][/font][/align]

[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]

[color=#339999][b][size=16px]摘要：目前临床用气管导管[/size][size=16px]套[/size][size=16px]囊压力管理中缺乏操作简便和技术成熟的套囊压力自动控制仪器，现有压力测量和控制装置操作繁琐，存在充气增压和放气减压过程不及时和压力不稳定等问题。针对这些问题本文提出了[/size][size=16px]套[/size][size=16px]囊[/size][size=16px]压力自动控制解决方案，采用动态平衡原理的球囊压力控制仪可根据设定压力自动排气和进气，快速抑制各种干扰，使球囊压力始终处于稳定状态。控制仪配有面板显示屏和微型气泵，并可连接外置压力传感器，使控制更准确和直观。[/size][/b][/color][align=center][img=气管扩张球囊压力控制,600,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308031417449117_6777_3221506_3.jpg!w690x425.jpg[/img][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 气管导管套囊在机械通气中可起防止气道漏气，预防呼吸机相关性肺炎的作用，套囊压力管理是气管插管患者气道管理中的一个重要环节。由于气管导管套囊的压力异常与很多因素相关，如患者自身因素（肥胖、有吸烟史或合并哮喘、气管炎等）、麻醉医生因素和外在因素（体位、二氧化碳气腹、术中相关操作、笑气的应用等）以及呼吸机正常运行也会对套囊的压力产生影响。因此在套囊压力管理中，应当调节套囊中的压力以使其维持在一个稳定的水平，以避免漏气和其他潜在疾病的风险。套囊中压力过低可能产生漏气，而压力过高则可能对病人产生不适感。此外，在对套囊中压力进行调节时，也应当尽可能长时间维持套囊内压力稳定，降低套囊的不停膨胀和收缩的频率。但在目前的临床应用中套囊压力管理还无法达到稳定控制要求，所存在的问题主要体现在以下几个方面：[/size][size=16px] （1）外接压力测量和控制装置操作繁琐、器械及人力成本高。充气增压和放气减压过程用时长，压力调节缓慢，不利于抢救插管时快速操作，也不利于整个过程中的压力稳定。[/size][size=16px] （2）缺乏操作简便的套囊压力自动控制的成熟技术和相应仪器。[/size][size=16px] 为了解决上述问题，基于快速闭环气体压力控制技术，本文提出了一种解决方案，可完美的实现套囊压力的快速自动调节和控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 依据套囊的结构，临床气管导管套囊的压力控制，从理论上可以归结为对一个弹性体材质的密闭容器进行气压控制，此密闭容器只有一个对外进气或出气接口。由此，我们采用了动态平衡法进行压力控制，其基本原理如图1所示，即压力控制仪的核心是一个四通结构的小管件，其中管件的左右两端口分别作为进气和排气口，向上端口作为压力测量端口，向下端口作为工作压力输出口。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=套囊压力控制仪工作原理,400,293]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308031419148618_9875_3221506_3.jpg!w690x506.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 套囊压力控制仪工作原理[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在压力控制过程中，PID控制器采集压力传感器信号并与设定压力值进行比较，根据比较差值来驱动进气和出气电磁阀打开或关闭，由此来控制压力输出口处的压力快速达到设定压力值。[/size][size=16px] 根据上述原理制造的套囊压力控制仪实际上是一个自动控制的压力源，此压力源直接连接到气管导管上就能实现对套囊压力的准确控制。整个套囊压力控制装置结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=两种形式气管导管套囊的自动压力控制结构示意图,650,270]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308031419447144_9325_3221506_3.jpg!w690x287.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 两种形式气管导管套囊的自动压力控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在压力控制过程中，PID控制器采集压力传感器信号并与设定压力值进行比较，根据比较差值来驱动进气和出气电磁阀打开或关闭，由此来控制压力输出口处的压力快速达到设定压力值。[/size][size=16px] 这里需要说明的是，标准的压力控制仪是在控制仪中内置了一个高精度压力传感器，但在实际应用中压力传感器更靠近被控容器以准确测量容器压力，所以球囊压力控制器提供了一个外置压力传感器的接口，由此可更准确的调节和控制球囊内压力，如图2(a)所示。[/size][size=16px] 由于气管导管往往较细较长，图2(a)所示的外置压力传感器形式因距离球囊较远，往往也不能很准确和及时的监测和控制球囊压力。为此，目前新型的气管导管球囊往往会内置一个微型压力传感器，此内置压力传感器连接到球囊压力控制器可进行更准确和快速的压力控制。[/size][size=16px] 在球囊压力控制仪中集成了一个微型气泵以始终提供正压压力，在控制仪面板上还提供了一个手动调节旋钮。在具体使用过程中，操作人员可根据面板上显示的压力数值来调整旋钮以设定球囊所需要稳定控制的压力值，设定完毕后，按动执行按钮，控制仪就可以全程的进行球囊压力自动控制，无论其他形式的各种干扰，球囊压力始终稳定在设定的压力值上。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案所采用的球囊压力自动控制仪，基于动态平衡的压力控制方法，可很方便的实现球囊进气和排气的自动控制，使球囊压力始终保持稳定，具有很强的各种压力干扰的抑制性和恢复性。并且此球囊压力控制仪进行了最大程度的集成，内置了压力传感器和气泵，并具有很强的适用性，可连接各种气管导管球囊和外部压力传感器。整个操作极为简便，仅需通过面板旋钮进行操作，压力监测和控制结果直观面板数字显示。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[color=#ff0000]摘要：玻璃制品吹塑成型工艺中，始终存在人工吹气和机器吹气气压不稳造成成品一致性差、成品率不高等问题。为解决这些问题，本文提出了一种吹气气压全自动控制解决方案，使得吹气气压可以按照设定曲线进行快速和精密控制，可大幅提高生产效率和产品良率。[/color][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]玻璃是一个非结晶无定形固体，玻璃制品在加工过程中需要加热软化和吹塑成型，但目前的吹塑成型工艺存在以下几方面的问题需要解决：（1）在目前大多数通过人工用嘴吹气方式向玻璃制品的内部进行吹气的吹塑成型工艺中，需要依靠人力用管吹气然后将熔融的玻璃液塑形。这种工艺方法极大增加了生产者的负担，容易使得生产者因脑部缺氧而产生晕眩，同时降低了工作效率。这种工艺所生产的成品一致性差，且成品率不高，同时对于玻璃制品的生产周期延长，不利于广泛的推广和普及。（2）在玻璃瓶成型工艺中，由于风从吹塑管出来后一直作用于玻璃瓶的瓶底，吹塑气压不够均匀，会导致玻璃瓶成型后瓶底厚薄不一，同时现有的自动吹塑装置在吹塑过程中会出现气压不稳定的情况，不具备自动稳压的功能，导致玻璃瓶质量层次不一。分析现有玻璃制品的吹塑成型工艺可以发现，整个吹塑过程是一个典型的小型密闭空间内的气压变化过程，如果可以精密控制这个气压变化过程，并总能准确重复这个气压变化过程，即可实现玻璃制品吹塑工艺的自动化和质量可靠性，大幅提高成品率和缩短生产周期。本文针对玻璃制品吹塑成型工艺中存在的上述问题，提出了一种吹气气压全自动控制解决方案，吹气气压可以按照设定曲线进行快速和精密控制，由此大幅提高生产效率和产品良率。[size=18px][color=#ff0000]二、技术方案[/color][/size]玻璃塑形吹气压力自动控制的基本原理是按照需要快速控制一个密闭空腔内的气压，用此气压来代替人工吹气时的压力变化。整个控制装置的结构如图1所示。[align=center][img=玻璃塑形吹气压力自动控制,500,386]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205111628124420_8460_3384_3.png!w690x533.jpg[/img][/align][align=center]图1 玻璃塑形吹气压力自动控制装置结构示意图[/align]吹气压力自动控制装置主要包括腔体、电动针阀、压力传感器、PID控制器和高压气源。腔体内的压力精密控制采用动态控制法，即根据压力传感器的测量值与设定值的比较，PID控制器同时调节进气流量和排气流量，使得腔体内的压力快速达到动态平衡，将压力控制在设定值上。设定值可以是一个不随时间变化的压力恒定点，也可以是根据玻璃吹塑工艺要求设计出来的压力随时间变化的曲线，以此来满足不同压力要求。总之，通过此技术方案，可实现玻璃塑形吹气压力的自动精密控制，并可保证控制精度和重复性，以此保证产品质量和稳定性。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][size=16px][img=体外循环术中灌注流量的高精度自动控制,600,415]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310271116037597_5912_3221506_3.jpg!w690x478.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#990000][b]摘要：在目前的体外循环手术过程中，需要灌注师快速而精确地操作使得血液流速调节到期望的目标值。基于国外文献报道的血流量自动控制方法和装置，本文提出了技术改进且国产化解决方案。通过本解决方案中增加的国产系列电控夹管阀、电控针阀和具有远程设定值功能的超高精度PID控制器，可以使得体外循环过程中的静脉和动脉血流量控制真正实现高精度的自动化控制，在满足临床应用和研究需求的同时，可降低灌注师的操作难度和医疗事故。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 体外循环（CPB）设备在心脏手术期间临时替代心肺功能，以维持体循环。心脏体外循环手术时，需要将手术病人静脉血从体内引出，通过体外循环机氧合后回输至体内动脉管道、静脉回流管、左心房引流管、心内吸引管、普通吸引管等管道，并维持血流量、静脉储库水平、氧气浓度、氧气血流量和血液温度，其中对血液流速的控制要求非常高，稍有错误就会导致循环障碍和大量空气栓塞，从而导致严重的医疗事故。[/size][size=16px] 在CPB具体操作过程中，需要灌注师快速而精确地操作三个装置（静脉侧阻隔器、动脉侧阻隔器和离心泵）来将血液流速调节到期望的目标值，不正确的操作会导致气栓并改变静脉储血水平而导致意外的血压波动，从而将患者置于危险之中。因此，需要开发一种有助于自动调节血液流速的装置以提高自动化控制水平和降低灌注师工作强度，为此文献[1]提出了一种体外循环过程中动脉侧血流量的自动控制方法和控制装置，其结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=体外循环血流量自动控制结构示意图,650,351]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310271117325921_65_3221506_3.jpg!w584x316.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 体外循环血流量自动控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 尽管文献[1]提出了一种体外循环过程中动脉侧血流量的自动控制方法和相应装置，但距离真正的临床应用还有一定差距，这些差距主要体现在以下几个方面：[/size][size=16px] （1）尽管文献[1]给出了静脉侧和动脉侧血流量调节用的手动和自动阻隔器的具体型号，但我们并未在阻隔器厂家官网上查到相应型号阻隔器的具体产品和相应技术参数。因此，为了真正实现临床应用还需进一步明确阻隔器产品，甚至是国产化替代。[/size][size=16px] （2）动脉侧血流量自动控制的目的是要自动调节动脉侧血流量的变化始终要与静脉侧血流量的变化保持快速同步和相同，但文献[1]给出的控制模型和控制策略过于复杂，较难真正的工程化实现。[/size][size=16px] 针对文献[1]技术方案存在的上述缺陷，本文提出了可真正实现临床应用的解决方案，能很好的解决上述问题，并可完全采用国产化相关产品予以实现。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 基于文献[1]所述的动脉侧血流量自动控制技术方案，我们进行了改进，并进一步明确和细化了相关所用部件，改进后的自动控制装置结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=改进后的体外循环血流量自动控制结构示意图,650,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310271118025749_1493_3221506_3.jpg!w690x331.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 改进后的体外循环血流量自动控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案的改进内容之一是采用国产的电控夹管阀来代替文献[1]中所用的阻隔器，这种电控夹管阀可以通过0~10V的直流电压信号来改变加持力以调节管路导通口径的大小，从而实现对管路中的流体流量进行调节。由此可见，这种电控夹管阀可以很方便的被用来进行静脉侧和动脉侧血流量的手动或自动调节。[/size][size=16px] 尽管电控夹管阀和自动阻隔器可以用来对体外循环系统中的血流量进行调节，但存在的问题是会带来的非线性，这种非线性会对自动控制精度带来严重影响，这也是文献[1]控制模型非常复杂的主要原因。文献[2]对这种非线性进行了研究和描述，发现操作值与开度之间呈指数关系。[/size][size=16px] 为了解决管夹形式所带来的非线性问题，解决方案提出的改进内容之二是采用NCNV系列的电控针阀。NCNV系列电控针阀具有非常高的线性度，且具有快速的响应速度以及不同的孔径尺寸，常用于气体和液体介质的真空、压力和流量的精密调节。尽管采用电控针阀可以很好的解决夹管阀非线性所带来的控制精度问题，但电控针阀存在的重要问题是针阀需要接触所调节的流体介质，不能像夹管阀那样与流体介质不发生接触。[/size][size=16px] 为真正使动脉侧血流量能快速与静脉侧血流量保持同步和相同，本解决方案提出的重大改进是采用具有远程设定点功能的VPC2021系列高精度PID控制器，控制器的具体特性和功能如下：[/size][size=16px] （1）具有两个输入信号接收通道，其中主输入通道接收动脉侧流量计信号，并由主控输出通道输出控制信号对动脉侧电控夹管阀/针阀进行调节；而辅助输入通道接收静脉侧流量计信号，此接收到的静脉侧流量信号则作为动脉侧流量控制的设定值。通过这种辅助输入通道的这种远程设定值功能，可使得动脉侧的流量控制始终以静脉侧的流量为跟踪控制目标。[/size][size=16px] （2）控制器具有超高的测量精度和控制精度，其中24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，并采用了无超调的PID控制模式，这非常适用于体外循环装置中的高精度血液流量控制。[/size][size=16px] （3）控制器具有RS485通讯接口，并执行标准的MODBUS协议。控制器自带测控软件，在计算机上运行软件可实现控制器参数设置、驱动运行、过程参数的采集、曲线显示和存储，无需再进行程序编写就可组成软硬件控制系统用于临床应用和研究。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 通过本解决方案中增加的国产系列电控夹管阀、电控针阀和具有远程设定值功能超高精度PID控制器，可以使得体外循环过程中的静脉和动脉血流量控制真正实现高精度的自动化控制，在满足临床应用和研究需求的同时，降低医疗事故和灌注师的操作难度。[/size][size=18px][color=#990000][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] Takahashi H, Kinoshita T, Soh Z, et al. Automatic control of blood flow rate on the arterial-line side during cardiopulmonary bypass[C]//2021 43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society （EMBC）. IEEE, 2021: 5011-5014.[/size][size=16px][2] Takahashi H, Soh Z, Tsuji T. Steady-state model of pressure-flow characteristics modulated by occluders in cardiopulmonary bypass systems[J]. IEEE Access, 2020, 8: 220962-220972.[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[color=#990000]摘要：目前亚硫酸法澄清工艺中普遍采用调节阀来控制磷酸液体的流量，但调节阀普遍存在耐腐蚀性差、响应速度慢和自动化水平低的问题。本文介绍了一种基于针型阀的新型耐腐蚀电动调节阀，采用了步进电机推进和FFKM全氟醚橡胶密封技术，具有可用于真空下的良好密封性能和微秒量级的响应速度，可采用直流电压信号或RS 485直接驱动，并已在蔗糖生产线得到了应用。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]目前的蔗糖生产过程中普遍采用亚硫酸法澄清工艺，其中的磷酸自动控制系统要求能够进行磷酸的自动配比，并根据蔗汁流量实时连续自动调节磷酸添加量以保证磷酸添加的准确性。磷酸添加量控制是通过对浓度85%磷酸液体的流量进行调节，但存在以下迫切需要解决的难题：（1）耐腐蚀性差：85%浓度的磷酸液是一种无机中强酸，具有一定的腐蚀性，而目前绝大多数电动流量调节阀的耐腐蚀性普遍较差，无法用于硫酸流量调节。（2）自动化水平低：目前磷酸流量调节中大多还采用耐腐蚀的手动调节阀，磷酸添加准确性和及时性差影响产品质量，无法准确掌握磷酸使用情况。（3）精度差和响应速度慢：尽管也有用于流量调节电/气动球阀和蝶阀，但普遍口径太大，调节精度差，响应速度慢，无法满足磷酸流量ppm级调节精度要求。[size=18px][color=#990000]二、耐腐蚀精密电动调节阀[/color][/size]上海依阳实业有限公司开发的NCNV系列耐腐蚀数控电动针阀是一种灵巧型的电子式双向计量针阀，采用高精度直线步进电机驱动阀轴。[align=center][img=耐腐蚀电动调节阀,400,297]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112281632323226_702_3384_3.png!w603x449.jpg[/img][/align]主要技术指标如下：（1）接触材料：不锈钢；（2）密封材料：全氟醚橡胶（FFKM）；（3）响应时间：0.8s（全关到全开）；（4）流体：气体和液体；（5）压力范围：-1~7bar；（6）阀芯节流内径：0.9~4.1mm；（7）流量范围：0.1~2000L/m；（8）线性度：±0.1~±11%（9）重复精度：±0.1%（全量程）；（10）使用温度范围：0~84℃；（11）控制信号：0~10VDC或RS485；（12）工作电源：24V（≤12W）。[align=center][/align][align=center]=======================================================================[/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：在液氮低温冷却控制系统中，目前大多数都采用自增压液氮罐作为低温源，但存在的问题是罐内压力无法精密调节、喷射液氮温度和流量不稳定、冷却温度无法准确控制以及冷却温度范围较窄等问题。为此本文提出了液氮罐内电加热压力调节解决方案，可很好的规避自增压液氮罐方式存在的问题，可实现宽泛区间内的低温温度和降温速度的精密控制。结合可编程分程PID控制器和石英灯加热器，更是能很好的实现高低温冷热交变温度的准确控制。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]--------------------------------------------------------------[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在很多高等级工件和军用部件中需要进行温度疲劳试验，以降低采用了新材料、新结构及新工艺所带来了温度疲劳风险和提高安全性。温度疲劳试验是包含一些列升温过程和降温过程的温度交变过程，升温过程一般采用石英灯管阵列作为发热元件，降温过程一般采用强制冷却装置。[/size][size=16px] 在石英灯非接触加热过程中，灯管阵列中每根灯管的间距，距试验件的高度都经过精确计算，因此升温过程中试验件的升温速率和各区域的温度场均匀性都能得到保证。相对于升温过程，对于喷射液氮这种最常用的强制冷却方式，现有控制手段的不准确性使得试验件的降温速率和温度均匀性很难得到保证。比较典型的液氮喷射冷却系统如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=液氮流量调节式温度交变控制系统,600,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308301118499926_3198_3221506_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 液氮流量调节式温度交变控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图1所示的温度交变控制系统中，石英灯管阵列作为加热器为工件提供加热，来着自增压液氮罐的喷射液氮为工件提供冷却，液氮喷射流量由液氮调节阀进行控制。具体温度交变试验中，分程式PID控制器采集工件温度分别控制加热器加热功率和液氮喷射流量，使工件温度按照设定的升降温曲线进行变化，但这种冷却系统存在以下问题：[/size][size=16px] （1）自增压液氮罐是通过向液氮罐内导入室温大气使得罐内液氮汽化后的罐内压力增大来驱动液氮排出，很难实现微小液氮气体或液体的排出，因此自增压液氮罐常被用来直接灌注液氮，无法进行较精细的冷却温度控制。[/size][size=16px] （2）在室温大气进行液氮罐后，汽化液氮使得罐内压力增大但无法控制，虽然出于安全考虑采用了安全阀，但罐内压力的不稳定使得所排出的液氮温度自身也不稳定。[/size][size=16px] （3）液氮罐的进气采用手动调节阀进行控制，所以排出液氮的流量和温度基本无法控制，因此无法满足不同冷却温度和冷却速度对液氮流量的精细化调节和快速响应要求。[/size][size=16px] （4）尽管在液氮排出管路中采用了液氮调节阀来改变液氮喷射流量，但这种对温度严重不稳定流体进行流量调节的方式，很难做到冷却温度的准确控制，且液氮调节阀的流量调节精细度也十分有限。虽然可以通过加热器进行一些辅助调节，但液氮流体的温度和压力不稳定是无法进行冷却温度精密控制的主要原因。[/size][size=16px] （5）自增压液氮罐的液氮喷射冷却方式作为一种液氮流量调节，往往会因为液氮调节阀开度的变化使得液氮罐在大部分时间内其内部压力向较高方向变化。由于有安全阀进行放气，这往往会造成很多液氮的无效损失。[/size][size=16px] （6）由于在液氮管路中增加了液氮调节阀，调节阀一方面破坏了液氮管路的整体隔热防护，另一方面还需要对调节阀本身进行低温隔热防护。液氮在排出管路上的冷量损失以及受环境温度不稳定的影响，也是较难实现低温精密控制的因素之一。[/size][size=16px] 为了解决冷热温度交变过程中液氮强制冷却存在的上述问题，本文提出了一种采用液氮罐内直接电加热方式的液氮喷射流量调节解决方案，通过液氮罐内压力的精密控制，快速和精密调节液氮喷射流量，由此可很好地实现冷却温度和冷却速度的精密控制。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 解决方案[/color][/size][/b][size=16px] 解决方案所涉及的液氮电加热调压式温度交变控制系统如图2所示，即在密闭液氮罐内直接放置一个电加热器，通过改变此电加热器的加热功率来调节液氮罐内的压力。由于加热功率可以非常精确的进行控制，这使得液氮罐内的压力也可以实现准确调节，因此这种低温介质受控排出的方式可以进行较宽泛的低温区间进行冷却，既可以排出液氮气体，也可以排出液滴和流体，且响应速度快。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=液氮电加热调压式温度交变控制系统,590,322]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308301119254117_5512_3221506_3.jpg!w690x377.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 液氮压力调节式温度交变控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案中的另一个关键是采用了可编程的分程式PID控制器，即根据温度范围可自动进行加热和制冷控制。控制器具有编程功能，便于周期性的温度交变控制程序的设定。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，采用液氮罐内电加热压力调节解决方案，可完全消除目前采用自增压液氮罐存在的罐内压力无法精密调节、喷射液氮温度和流量不稳定和冷却温度无法准确控制等问题，可很好的实现宽泛区间的低温温度精密控制。结合可编程分程PID控制器，可很好的实现高低温冷热交变温度的准确控制。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/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]

[align=center][img=在昆虫学实验用自动气压室中如何实现正压和负压的高精度程序控制,500,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090604445428_4508_3221506_3.jpg!w690x535.jpg[/img][/align][color=#990000]摘要：昆虫的行为模式会受气压变化的明显影响，为在可控气压条件下的气压室内模拟自然气压变化对昆虫行为进行准确和可重复的研究，需要气压室的气压变化可精确程序控制。本文针对客户提出的气压室压力精密程序控制要求，介绍了高精度真空压力控制仪解决方案。真空压力控制仪采用密闭容器进出气体动态平衡法工作原理，以高压气瓶作为高压气源，真空泵进行抽气，通过双通道真空压力程序控制器采集压力传感器并同时自动调节进气针阀和出气针阀的开度，实现任意设定压力变化程序的精密控制和长时间稳定运行。[/color][align=center][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][color=#990000][size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size][/color]各种生物体所处的环境会影响和改变其生活方式，这些环境条件主要包括风、雨、土壤成分、辐射、温度和大气压力等因素。大量研究表明，不利的天气条件（通常与气压变化有关）会影响繁殖、摄食和栖息。昆虫行为，如飞行、产卵、寄生、交配和鸣叫等，会受到气压的影响。对于昆虫行为模式与气压之间的相关性研究，目前普遍采用的方式是在自然条件下进行观察和记录，存在效率低、周期长和不准确等问题。个别实验室使用了手动控制气压的气压室，但存在气压控制不准确、无法长时间的精密模仿自然压力的缓慢变化过程以及可控的气压变化范围很窄等问题。最近有客户希望能对昆虫研究用的气压室进行正负压自动控制，具体要求如下：（1）气压控制范围：以一个标准大气压为基准，能实现气压室的气压在内正负压力范围内的精密控制，即气压室内的绝对压力在90kPa~110kPa范围内精密可控。（2）气压控制形式：可自动模拟自然界大气压的缓慢变化过程，即气压变化可按照任意设定的变化方向和速度进行控制，气压可准确恒定在任意设定点处。总之，整个气压变化过程可按照任意设定的折线形式进行精密控制。（3）气压控制精度：在90kPa~110kPa范围内，任意压力下的控制精度小于±0.1%。为了满足客户提出的上述要求，本文将提出相应的高精度气压程序控制解决方案。解决方案将采用密闭容器进出气体动态平衡法，采用高压气瓶作为高压气源，真空泵进行抽气，通过双通道真空压力程序控制器采集压力传感器并同时控制进气针阀和出气针阀的开度，实现任意设定压力变化程序的精密控制和长时间稳定运行。[b][size=18px][color=#990000]二、解决方案[/color][/size][/b]从客户提出的上述要求可以看出，用于昆虫行为研究的气压室压力控制是个典型的正负压力自动控制问题。此正负压力自动控制需要解决以下几方面的问题：（1）正压（压力）和负压（真空）如何形成。（2）正负压自动控制方法和控制仪器。（3）压力传感器的选择。（4）控制阀门的选择。为解决上述几方面的问题，本文提出的具体解决方案如图1所示。[align=center][color=#990000][img=气压室压力控制方案结构示意图,550,227]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090607045916_3943_3221506_3.jpg!w690x285.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 昆虫研究用气压室正负压力程序控制方案示意图[/color][/align]首先，为在气压室内形成正压和负压，解决方案采用了动态平衡法。如图1所示，在气压室的左边进气端布置高压气源，在气压室的右边出气端布置真空泵，如果进气流量大于排气流量则形成正压，若排气流量大于进气流量则形成负压。进气和出气流量通过进气阀和排气阀调节。对气压室正压和负压的调节和控制，是一个典型的分程控制案例，即采用一个调节器的输出同时驱动几个工作范围不同的执行器。这里的调节器就是图1所示的压力控制器，工作范围不同的执行器是进气阀和排气阀。由此可见，压力控制器要求具有分程控制功能，即要求压力控制器针对不同工作范围（正压或负压区间）具备同时调节进气阀和排气阀开度大小的功能。另外，为了保证控制精度，所选择的压力控制器为超高精度PID调节器，具有24位AD和16位DA转换器，并具有双精度浮点运算功能，最小输出百分比可以达到0.01%。为了保证气压室内压力变化达到客户提出的控制精度，还需要选择高精度压力传感器。如果要达到±0.1%的控制精度，压力传感器的测量精度需要达到±0.05%。同样，压力控制精度还取决于进气阀和排气阀的调节精度和响应速度。对于体积较小的昆虫学实验用气压室，则要求阀门具有超高的响应速度。我们选择用步进电机驱动的快速电动针阀，电动针阀的全程开启速度为0.8秒，具有超低的真空漏率和7bar的耐正压能力。一系列不同通孔孔径的电动针阀可供选择以满足不同规格尺寸的自动气压室。最关键的是可以使用0~10V（或4~20mA）的模拟信号直接驱动电动针阀，且具有非常好的线性度和重复性。经过上述选择和配置，按照图1所示的解决方案，所配置的真空压力控制仪如图2所示。[align=center][color=#990000][img=用于气压室的真空压力控制仪结构示意图,550,447]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090607364958_9108_3221506_3.jpg!w690x561.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 昆虫研究用气压室真空压力控制仪结构示意图[/color][/align]图2所示的真空压力控制仪是一个集成式仪器，将包括数控针阀、控制器、电源等所有部件都集成安装在控制仪内。控制仪两侧留有连接充气/抽气泵的快插接头。控制仪背面留有连接气压室进气/出气的快插接头，同时还留有连接压力传感器、计算机通讯和工作电源的专用接口。压力传感器以外置形式直接安装在气压室侧壁上，可更准确的检测气压室内的真空压力变化。压力传感器的信号和电源引线连接到真空压力控制仪背面相应的连接器上。这种外置式压力传感器形式更具有扩展性，可根据不同气压室或密闭容器的真空压力控制范围选择不同压力传感器，并便于更换和安装。计算机通讯采用了具有标准MODBUS协议的RS 485接口，由此可连接计算机。通过PID控制器随机所带的控制软件，计算机可直接遥控PID调节器，并采用软件界面操作进行控制程序设置和运行，对控制过程进行数据采集、存储和全过程结果曲线显示。[b][size=18px][color=#990000]三、总结[/color][/size][/b]上述的正负压精密控制解决方案作为一种标准的真空压力控制仪器，除了可以满足昆虫学实验用自动气压室的各项要求外，还具有很强的适用性和可扩展性，主要体现在以下几个方面：（1）可进行更大区间的真空压力控制，绝对压力控制范围可覆盖0.1Pa~0.5MPa，具有非常宽泛的正压和负压控制范围。（2）在正压和负压区间可实现各种形式的控制，如单独控制正压、单独控制负压（真空度），也可正负压连续控制，所有控制可进行定点控制，也可进行折线编程程序的自动控制。（3）可进行更多功能的扩展，如实现不同气体或不同气体含量混合气体下的气压控制，也可用来同时控制其他环境变量，如温度、湿度和光照等。总之，标准化的真空压力控制仪可满足各种实验室气压室的压强程序控制，并具有±0.1%以上的控制精度。同时，控制仪也适用于各种真空压力容器（如气候室、气候环境试验箱、真空气氛炉、真空干燥箱、旋转蒸发仪、精密低温容器、冷冻干燥箱和各种光谱仪等）的气压精密控制，大大提高了自动化程度和控制精度。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#3366ff][b]摘要：目前在国内外的超高真空控制领域普遍采用安捷伦、VAT和MDC公司的超低漏率可调泄漏阀进行超低进气流量的调节和控制，但这些进口产品存 在价格昂贵和货期长问题，为此本文提出了相应的国产化替代解决方案。解决方案基于压力改变流量的原理，采用具有超低漏率的微流量阀门，通过改变进气压力来实现超高真空下的微小进气流量调节，由此直接将微流量调节技术直接升级到自动控制水平，且价格可降低到进口的一半以上。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][img=超高真空度控制用安捷伦和VAT电动可变泄漏阀的国产化替代,600,360]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306011604209013_3455_3221506_3.jpg!w690x414.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#3366ff]1. 背景[/color][/size][/b][size=16px] 超高真空度（10[font='times new roman'][sup]-10[/sup][/font]~10[font='times new roman'][sup]-3[/sup][/font]Pa）的形成和控制一般通过涡轮分子泵进行抽气和微流量调节阀控制进气，这就要求微流量调节阀具备小于10[font='times new roman'][sup]-10[/sup][/font]PaL/s超低漏率的同时，还需具有微小流量调节功能。[/size][size=16px] 目前市场上用于超高真空领域的低漏率和微流量调节阀主要是安捷伦、VAT和MDC等几个公司的产品，如图1所示。其中安捷伦产品只有一种手动调节泄漏阀，而VAT调节阀则有手动和自动调节泄漏阀两款产品，其电动调节泄漏阀是在手动调节阀基础上增加了电动装置和PID调节器。[/size][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][img=01.各种进口泄漏阀,550,412]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306011606159097_2293_3221506_3.jpg!w690x517.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b]图1 各种进口超低流量调节阀[/b][/color][/size][/align][size=16px] 目前这些进口的微流量调节阀存在的最大问题是价格昂贵和货期较长，如VAT手动调节泄漏阀价格在2万左右，而VAT手动调节泄漏阀价格则高达9万左右，且货期基本都是六个月以上。[/size][size=16px] 上述进口低漏率和微流量泄漏阀的高价格和长货期为国产化替代提供了空间和市场驱动，为此，本文将提出相应的国产化替代解决方案，解决方案将采用压力改变流量的基本原理，直接将微流量泄漏阀升级到自动控制水平，价格有望降低到进口的一半以上。[/size][b][size=18px][color=#3366ff]2. 解决方案[/color][/size][/b][size=16px] 超低漏率和超低流量调节阀与其他真空用较大流量调节阀一样，国内外所采用的技术基本都是在超低漏率的前提下，通过调节阀门开度来进行流量调节，上述进口可调泄漏阀也是如此。[/size][size=16px] 流量调节还有另外一种方法，即固定阀门的开度不变，通过改变进气压力大小来调节出气流量。改变阀门开度大小和改变阀门进气压力大小的这两种方法，都可以实现进气流量大小的精确调节，但对于微小流量调节而言，阀门的微小开度调节功能势必要会大幅增加阀门的复杂和精密程度，自动调节需要增加机械结构的电动装置，甚至还需采用一些特殊材料，这是造成进口调节阀价格高昂的主要原因。但对于微小流量调节而言，在保证超低漏率的前提下，固定阀门开度大小，通过改变进气压力则显着更有优势。解决方案中的微小流量调节阀由泄漏阀、压力调节阀和超高精度真空压力控制器组成，所构成的典型的超高真空度控制系统如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][img=02.超高真空度控制系统结构示意图,650,265]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306011609555161_9631_3221506_3.jpg!w690x282.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b]图2 超高真空度控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示的微流量调节装置由泄漏阀和压力调节阀组成，完全可以替代VAT电动可调泄漏阀用于超高真空度的控制，同时这种分体结构形式还具有以下几方面的优势：[/size][size=16px] （1）这种分体结构形式在具体应用中具有更强的灵活性，可构成闭环和开环控制回路对超高真空度进行控制。如在开环控制应用中，仅使用泄漏阀和压力调节器，只需手动操作压力调节器来改变进气压力，就可实现对泄漏阀的微小出气流量进行精密调节。如在闭环控制应用中，在泄漏阀和压力调节器集成上，增加真空压力控制器和真空计构成闭环控制回路，可实现任意超高真空度的设定点和曲线形式的精密控制。[/size][size=16px] （2）采用固定漏率的泄漏阀，可大幅度简化泄漏阀结构和制造的复杂程度，可有效降低成本，但又能满足可调漏率的需要。泄漏阀可根据具体超高真空度系统需要进行选配，漏率范围可在10[sup]-8[/sup]~10[sup]-10[/sup]PaL/s内选择。[/size][size=16px] （3）通过改变进气压力大小可实现微小流量调节，通过压力控制阀对进气压力进行调节则很容易实现，这也是降低技术难度和成本的关键。压力调节范围为0~2MPa，由此可使微小流量在三个数量级范围内进行调节。另外，由于这种压力控制可以具有很高的精度，结合高精度的真空计和真空压力控制器，则可以很容易的实现超高精度的真空度控制。[/size][size=16px][color=#3366ff][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过固定漏率和调节压力的解决方案及其相应的泄漏阀和压力调节阀，结合相应的真空控制器，可完全替代可调泄漏阀进口产品，在大幅降低造价的同时，还具有更强的使用灵活性，可实现各种超高真空应用场合的真空度精密调节和控制。[/size][size=16px][/size][size=16px][/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#3366ff][b][/b][/color][/size][/align]

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