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[color=#990000]摘要:针对上一代探空仪检定用低压环境模拟舱压力控制系统控制精度和稳定性差、压力传感器和控制系统配置不合理等问题,用户提出升级改造要求。本文介绍了新一代低压环境模拟舱压力控制系统的实施方案,采用了双向控制模式,进行了方案验证试验,试验结果证明控制精度和稳定性都大幅提高。关键词:低压模拟舱,探空仪,压力控制,电动针阀,电动球阀,上游模式,下游模式,PID控制器[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]检定探空仪的重要手段之一是在地面进行低压环境模拟舱的测试,在用的低压环境模拟舱结构如图1所示。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,376]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061504557090_7216_3384_3.jpg!w690x472.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 低压环境模拟舱结构示意图[/color][/align]此低压环境模拟舱使用过程中存在压力控制波动较大的问题,越靠近1个大气压时波动越大,通过分析认为主要是以下几方面原因引起:(1)压力传感器选择不合理,在全量程压力范围内传感器误差所占比例并不相同,从而显示出靠近1个大气压时波动大和远离1个大气压时波动小的现象,但实际上整体都存在较大波动,只是压力传感器在1个大气压附近精度最高,而在远离1个大气压处压力传感器误差已经完全涵盖了压力波动范围。(2)压力控制采用的是开关控制模式,真空泵和电磁阀根据压力设定值大小同时开启或关闭,尽管增加了储气罐作为缓冲,但这种半自动控制模式很难实现压力的准确恒定。(3)控制器并没有采用PID自动控制方式,也是影响压力控制精度的主要原因。综上分析,针对上一代探空仪检定用低压环境模拟舱压力控制系统控制精度和稳定性差、压力传感器和控制系统配置不合理等问题,用户提出升级改造要求。本文将介绍新一代低压环境模拟舱压力控制系统的实施方案,拟采用双向控制模式,并进行方案验证试验,由此证明控制精度和稳定性能大幅提高。[size=18px][color=#990000]二、压力控制系统升级改造方案[/color][/size]探空仪检定用低压环境模拟舱工作的绝对压力范围为1torr~760torr,要求在此范围内模拟舱的压力可以在任意设定点上准确恒定,甚至要求可以按照设定变压速率进行控制。为此,具体的升级改造方案是在原压力控制系统的基础上,保留真空泵和真空电磁阀,更换压力传感器和控制器,去掉储能罐,增加数控的进气阀和排气阀,具体方案如下:(1)采用10torr和1000torr两个不同量程的电容压力计来覆盖整个低气压范围的测量,从而保证全量程的测量精度。(2)采用高精度PID真空压力控制器,以匹配电容压力计的测量精度和保证控制精度。(3)分别真空腔体的进气口和排气口安装电动针阀和电动球阀,电动针阀直接安装在进气口处,电动球阀安装在排气口和真空泵的电磁阀之间。(4)控制方式分别采用上游模式和下游模式,上游模式用来控制10torr以下气压,下游控制用来控制10~760torr范围气压。(5)如图2所示,上游模式是维持上游压力和出气口流量恒定,通过调节进气口流量控制仓室压力。(6)如图3所示,下游模式是维持上游压力和进气口流量恒定,通过调节排气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,400,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506055621_2789_3384_3.jpg!w400x421.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 低气压上游控制模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,450,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506206214_771_3384_3.jpg!w450x393.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 低气压下游控制模式[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、方案验证试验[/color][/size]针对上述两种控制模式,分别采用1torr和1000torr两只电容压力计、电动针阀、电动球阀和24位高精度压力控制器进行了考核试验,试验用的真空腔体内部空间为400×400×500mm,试验装置如图4和图5所示。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506318858_3696_3384_3.jpg!w690x464.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 低气压上游控制模式考核试验装置[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,339]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506474377_3818_3384_3.jpg!w690x426.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 低气压下游控制模式考核试验装置[/color][/align]在上游模式试验过程中,首先开启真空泵后使其全速抽气,然后在 68Pa 左右对控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后,分别对 12、27、40、53、67、80、93 和 107Pa共8个设定点进行了控制,整个控制过程中的气压变化如图6所示。在下游模式试验过程中,首先开启真空泵后使其全速抽气,并将进气阀调节到微量进气的位置,然后在300torr左右对控制器进行PID参数自整定。自整定完成后,分别对 70、 200、 300、450 和 600Torr 共5个设定点进行了控制,整个控制过程中的气压变化如图7所示。 [align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507110485_1025_3384_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,327]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507246957_2391_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]将上述不同低气压恒定点处的控制效果以波动率来表示,则得到图8和图9所示的整个范围内的波动率分布。从波动率分布图可以看出,在整个低气压的全量程范围内,波动率可以精确控制在±1%范围,在12Pa处出现的较大波动,是因为采用 68Pa处自整定获得的PID参数并不合理,需进行单独的PID参数自整定。 [align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507435250_4590_3384_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507565906_1701_3384_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图9 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]从上述考核试验结果可以看出,升级改造后的控制方法可以将压力控制精度和稳定性提高五倍以上,并大幅提高了低压环境模拟仓自动化水平和可靠性。[align=center]=======================================================================[/align]
[img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=100142]大气环境影响预测与评价模拟试题及参考答案[/url]
媒体近日报道,中科院将在北京怀柔建设世界最大的“烟雾箱”以解决污染难题,该项目已得到发改委批准。初步预算5亿元。 “烟雾箱”只是一个庞大的大气环境模拟系统研究计划的组成部分之一,其在2010年便依据“十二五规划”提出建设申报,但此后至今一直仅被列为备选项目。 “中科院这边已经论证好几回了,内部已经通过了,若建成将向各国科学家开放。在当前研究大气污染的科学界,基本有两种研究方式,一种是直接对现实中的大气污染进行研究,如2008年期间,因为减排措施而污染物骤然下降的这个过程,成为了全球大气物理科学家重点研究的“天然实验室”。 另一种方式则是在封闭的空间进行模拟实验,这被称为“烟雾箱”,即在一个密闭的容器内,通过注入不同的污染气体,研究其在日照作用下的各种化学反应。将可以通过这个项目做很多的模拟实验,如颗粒物的形成,光化学烟雾和灰霾的产生原因等。 科学家预想中设在怀柔的新的“大气环境模拟系统”,其中最大的两个“箱子”都是300立方米,如建成,将是具有世界先进水平的大气环境模拟实验室,优先用于灰霾模拟与控制研究。他说,我国已有一些“烟雾箱”用于科学研究,比较大的有环科院和中科院的两个烟雾箱。目前世界上主要的大型室外环境烟雾箱分别在德国地质化学和动力学研究所(370立方米),欧洲光化学实验室(204立方米)和美国北卡罗来纳州立大学(300立方米)。 北京一位高校研究大气污染的科学家对新京报记者表示,烟雾箱可以模拟环境空气中发生的化学反应过程,而且和现实中的大气环境不同,可以人为对压入的污染气体进行控制,对于研究来讲是很好的手段,而且,理论上,烟雾箱越大,模拟效果越好。但是,这位科学家同时表示,对于政府来说,不能等到烟雾箱这样的科研设备出来再寻找治理空气污染的答案。“我们身边的大气环境就是一个大的烟雾箱,而且我们已经做了很多天然的实验。”