高精度动态温度控制系统

成果简介 半导体制冷片是利用特殊半导体材料构成的PN结产生Peltier效应制成，具有无噪声、体积小、结构简单、加热制冷切换方便、冷热转换具有可逆性等优点。化工安全组对基于半导体制冷片温控系统的影响因素进行了全面、系统分析和实验研究，设计完成了大功率、高可靠性的半导体制冷片驱动电路，并积累了半导体制冷片加热制冷切换双向温控算法的丰富经验，形成了半导体制冷片整套的研究方法和应用手段。目前，半导体制冷片的高精度温度控制系统已应用在产品中。系统组成http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121459_600117_3112929_3.jpg图1 基于半导体制冷片的温度控制单元结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600118_3112929_3.png图2 高精度温度控制系统硬件组成技术指标（1）温度范围：0~120℃；（2）控温精度：±0.05℃；（3）半导体制冷片驱动电路能够最大支持20V 15A输出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600119_3112929_3.jpg图3 0℃和120℃温度控制曲线图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600120_3112929_3.jpg图4 37.8℃温度控制过程曲线图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600121_3112929_3.jpg图5 37.8℃稳态控制精度曲线图技术特点（1）高精度温度采集电路：创新性采用比率法和激励换向技术，系统温度分辨力达到0.001℃，检测精度达到±0.01℃。（2）大功率高可靠性的半导体制冷驱动：采用H桥电路形式实现半导体制冷片加热制冷方式的切换，解决了该类驱动电路无死区防护、功率小等问题；设计引入滤波和保护电路，大大增强了半导体制冷片的寿命及驱动电路的可靠性。（3）双向多模式温控：温控策略充分考虑半导体制冷片加热制冷输出功率差异、功率随温度变化以及系统加热制冷方式切换的随机性等因素，综合采用了单点与扫描结合、高低温分段处理、随环境温度变化动态调节等多重温控调节方式。获得研发资助情况浙江省公益项目前期应用示范情况已用于微量蒸气压测定仪产品中的温度控制，温度范围为0~120℃，控温精度为±0.05℃，驱动电路输出12V/10A。相关产品已通过批量试产，温控系统运行稳定可靠，可复制性强，实现成本低，适合于批量生产。转化应用前景半导体制冷片因加热制冷切换方便、结构简单、系统噪音小、控温精确度高以及成本低等优点，有望在科学仪器温度控制、温度发生和电气设备散热等领域获得广泛应用。特别是随着仪器仪表尤其是生命科学仪器、化学分析仪器等逐渐向高精度、小型化方向快速发展，高精度的小型温度控制系统需求越来越旺盛，因此半导体制冷片具有良好的应用前景。合作方式（1）技术转让；（2）委托开发；（3）双方联合开发。应用领域分析仪器、医疗仪器、生命科学测试仪器、家用电器等领域中高精度的恒温、匀速升降温等多模式的温度控制，以及电气装置散热等。联系人：杨遂军；联系电话：0571-86872415、0571-87676266；Email:yangsuijun1@sina.com；工贸所网址：http://itmt.cjlu.edu.cn；工贸所微信公众号：中国计量大学工贸所。中国计量大学工业与商贸计量技术研究所简介 中国计量大学是以“计量、测试、标准”为特色的院校，主要培养测试技术、仪器开发方向的专属人才。 中国计量大学工业与商贸计量技术研究所是学校为进一步推动高水平研究团队的建设而在2014年设立的两个学科特区之一，主要针对工业生产与贸易往来中关乎国计民生的计量测试问题，以新方法、技术、设备及评价为研究对象，主要研究方向为化工产品及工艺安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量，涉及的单元技术有高精度温度检测技术、快速热电传感技术、高稳态温度场发生技术、低热惰性高压容器制备工艺、激光和电磁加热、非稳态传热反演、基于幅值分割原理的光栅信号数字细分、光栅信号短周期误差补偿、机器视觉高精度尺寸测量。研究所同时是化工产品安全测试技术及仪器浙江省工程实验室，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项、国家公益性行业科研专项、国家自然基金、973等国家级项目，科研经费超千万。现有专职科研人员9人、工程技术人员2人、在读研究生30余人、行政与科研管理人员3人。 “应用驱动、产研融合”是研究所的标签，以应用驱动为前提，通过方法技术化、技术产品化、产品市场化，将科研成果落脚于实际应用，为经济与社会发展提供推动力，同时为研究所提供持续发展所需资金、影响力、信息等各类资源的支撑，目前研究所已拥有2家产业化公司。 更多研究所介绍请登录研究所网站itmt.cjlu.edu.cn或微信公众号。

基于半导体制冷片的高精度温度控制系统成果简介半导体制冷片是利用特殊半导体材料构成的PN结产生Peltier效应制成，具有无噪声、体积小、结构简单、加热制冷切换方便、冷热转换具有可逆性等优点。化工安全组对基于半导体制冷片温控系统的影响因素进行了全面、系统分析和实验研究，设计完成了大功率、高可靠性的半导体制冷片驱动电路，并积累了半导体制冷片加热制冷切换双向温控算法的丰富经验，形成了半导体制冷片整套的研究方法和应用手段。目前，半导体制冷片的高精度温度控制系统已应用在产品中。系统组成http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302242_595303_3112929_3.png图1 基于半导体制冷片的温度控制单元结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302242_595304_3112929_3.jpg图2 高精度温度控制系统硬件组成技术指标（1）温度范围：0~120℃；（2）控温精度：±0.05℃；（3）半导体制冷片驱动电路能够最大支持20V 15A输出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302243_595305_3112929_3.jpg 图3 0℃和120℃温度控制曲线图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302243_595306_3112929_3.jpg 图4 37.8℃温度控制过程曲线图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302243_595307_3112929_3.jpg 图5 37.8℃稳态控制精度曲线图技术特点（1）高精度温度采集电路：创新性采用比率法和激励换向技术，系统温度分辨力达到0.001℃，检测精度达到±0.01℃。（2）大功率高可靠性的半导体制冷驱动：采用H桥电路形式实现半导体制冷片加热制冷方式的切换，解决了该类驱动电路无死区防护、功率小等问题；设计引入滤波和保护电路，大大增强了半导体制冷片的寿命及驱动电路的可靠性。（3）双向多模式温控：温控策略充分考虑半导体制冷片加热制冷输出功率差异、功率随温度变化以及系统加热制冷方式切换的随机性等因素，综合采用了单点与扫描结合、高低温分段处理、随环境温度变化动态调节等多重温控调节方式。获得研发资助情况浙江省公益项目前期应用示范情况已用于微量蒸气压测定仪产品中的温度控制，温度范围为0~120℃，控温精度为±0.05℃，驱动电路输出12V/10A。相关产品已通过批量试产，温控系统运行稳定可靠，可复制性强，实现成本低，适合于批量生产。转化应用前景半导体制冷片因加热制冷切换方便、结构简单、系统噪音小、控温精确度高以及成本低等优点，有望在科学仪器温度控制、温度发生和电气设备散热等领域获得广泛应用。特别是随着仪器仪表尤其是生命科学仪器、化学分析仪器等逐渐向高精度、小型化方向快速发展，高精度的小型温度控制系统需求越来越旺盛，因此半导体制冷片具有良好的应用前景。合作方式（1）技术转让；（2）委托开发；（3）双方联合开发。应用领域分析仪器、医疗仪器、生命科学测试仪器、家用电器等领域中高精度的恒温、匀速升降温等多模式的温度控制，以及电气装置散热等。联系人：杨遂军；联系电话：0571- 86872415、0571-87676266；Email: yangsuijun1@sina.com。微信公众号：中国计量大学工贸所工贸所网站：itmt.cjlu.edu.cn中国计量大学工业与商贸计量技术研究所中国计量大学是以“计量、测试、标准”为特色的院校，主要培养测试技术、仪器开发方向的专属人才。中国计量大学工业与商贸计量技术研究所是学校为进一步推动高水平研究团队的建设而在2014年设立的两个学科特区之一，主要针对工业生产与贸易往来中关乎国计民生的计量测试问题，以新方法、技术、设备及评价为研究对象，主要研究方向为化工产品及工艺安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量，涉及的单元技术有高精度温度检测技术、快速热电传感技术、高稳态温度场发生技术、低热惰性高压容器制备工艺、激光和电磁加热、非稳态传热反演、基于幅值分割原理的光栅信号数字细分、光栅信号短周期误差补偿、机器视觉高精度尺寸测量。研究所同时是化工产品安全测试技术及仪器浙江省工程实验室，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项、国家公益性行业科研专项、国家自然基金、973等国家级项目，科研经费超千万。现有专职科研人员9人、工程技术人员2人、在读研究生30余人、行政与科研管理人员3人。“应用驱动、产研融合”是研究所的标签，以应用驱动为前提，通过方法技术化、技术产品化、产品市场化，将科研成果落脚于实际应用，为经济与社会发展提供推动力，同时为研究所提供持续发展所需资金、影响力、信息等各类资源的支撑，目前研究所已拥有2家产业化公司。

基于半导体制冷片的高精度温度控制系统成果简介半导体制冷片是利用特殊半导体材料构成的PN结产生Peltier效应制成，具有无噪声、体积小、结构简单、加热制冷切换方便、冷热转换具有可逆性等优点。化工安全组对基于半导体制冷片温控系统的影响因素进行了全面、系统分析和实验研究，设计完成了大功率、高可靠性的半导体制冷片驱动电路，并积累了半导体制冷片加热制冷切换双向温控算法的丰富经验，形成了半导体制冷片整套的研究方法和应用手段。目前，半导体制冷片的高精度温度控制系统已应用在产品中。系统组成http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302259_595308_3112929_3.png 图1 基于半导体制冷片的温度控制单元结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302259_595309_3112929_3.jpg图2 高精度温度控制系统硬件组成技术指标（1）温度范围：0~120℃；（2）控温精度：±0.05℃；（3）半导体制冷片驱动电路能够最大支持20V 15A输出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302314_595310_3112929_3.jpg 图3 0℃和120℃温度控制曲线图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302314_595311_3112929_3.jpg 图4 37.8℃温度控制过程曲线图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302315_595312_3112929_3.jpg 图5 37.8℃稳态控制精度曲线图技术特点（1）高精度温度采集电路：创新性采用比率法和激励换向技术，系统温度分辨力达到0.001℃，检测精度达到±0.01℃。（2）大功率高可靠性的半导体制冷驱动：采用H桥电路形式实现半导体制冷片加热制冷方式的切换，解决了该类驱动电路无死区防护、功率小等问题；设计引入滤波和保护电路，大大增强了半导体制冷片的寿命及驱动电路的可靠性。（3）双向多模式温控：温控策略充分考虑半导体制冷片加热制冷输出功率差异、功率随温度变化以及系统加热制冷方式切换的随机性等因素，综合采用了单点与扫描结合、高低温分段处理、随环境温度变化动态调节等多重温控调节方式。获得研发资助情况浙江省公益项目前期应用示范情况已用于微量蒸气压测定仪产品中的温度控制，温度范围为0~120℃，控温精度为±0.05℃，驱动电路输出12V/10A。相关产品已通过批量试产，温控系统运行稳定可靠，可复制性强，实现成本低，适合于批量生产。转化应用前景半导体制冷片因加热制冷切换方便、结构简单、系统噪音小、控温精确度高以及成本低等优点，有望在科学仪器温度控制、温度发生和电气设备散热等领域获得广泛应用。特别是随着仪器仪表尤其是生命科学仪器、化学分析仪器等逐渐向高精度、小型化方向快速发展，高精度的小型温度控制系统需求越来越旺盛，因此半导体制冷片具有良好的应用前景。合作方式（1）技术转让；（2）委托开发；（3）双方联合开发。应用领域分析仪器、医疗仪器、生命科学测试仪器、家用电器等领域中高精度的恒温、匀速升降温等多模式的温度控制，以及电气装置散热等。联系人：杨遂军；联系电话：0571- 86872415、0571-87676266；Email: yangsuijun1@sina.com。微信公众号：中国计量大学工贸所工贸所网站：itmt.cjlu.edu.cn中国计量大学工业与商贸计量技术研究所中国计量大学是以“计量、测试、标准”为特色的院校，主要培养测试技术、仪器开发方向的专属人才。中国计量大学工业与商贸计量技术研究所是学校为进一步推动高水平研究团队的建设而在2014年设立的两个学科特区之一，主要针对工业生产与贸易往来中关乎国计民生的计量测试问题，以新方法、技术、设备及评价为研究对象，主要研究方向为化工产品及工艺安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量，涉及的单元技术有高精度温度检测技术、快速热电传感技术、高稳态温度场发生技术、低热惰性高压容器制备工艺、激光和电磁加热、非稳态传热反演、基于幅值分割原理的光栅信号数字细分、光栅信号短周期误差补偿、机器视觉高精度尺寸测量。研究所同时是化工产品安全测试技术及仪器浙江省工程实验室，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项、国家公益性行业科研专项、国家自然基金、973等国家级项目，科研经费超千万。现有专职科研人员9人、工程技术人员2人、在读研究生30余人、行政与科研管理人员3人。“应用驱动、产研融合”是研究所的标签，以应用驱动为前提，通过方法技术化、技术产品化、产品市场化，将科研成果落脚于实际应用，为经济与社会发展提供推动力，同时为研究所提供持续发展所需资金、影响力、信息等各类资源的支撑，目前研究所已拥有2家产业化公司。

[size=14px][color=#ff0000]摘要：超低重力仪器中要求液氦池温度恒定，为实现小于0.1mK的波动度，气压控制的波动度要小于10Pa。为此本文提出了相应技术方案，核心内容是实现缓冲罐的气压精密控制，采用了双向控制模式，并使用了万分之一精度的气压传感器、电动针阀和PID控制器。[/color][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][size=14px]超导重力仪器有超导重力仪和超导重力梯度仪，都是用来对重力信号进行精密测量的仪器。超导重力仪器需要在低温条件对极微弱信号进行测量，所以对低温温度恒定有很高的要求，即要求液氦池温度波动在0.1mK以内。[/size]对于液氦池温度的精密控制可以通过控制液氦池内的气压来实现，这就要求气压的测量和控制达到极高水平。本文将针对超导重力仪器中液氦池内气压的高精密控制问题，提出相应的解决方案。此方案的优势是液氦池温度的控制精度主要受压力传感器精度的影响，选择超高精度的压力传感器，并通过精密数控针阀和高精度PID控制器，采用下游抽气流量控制模式，可使液氦温度的波动稳定控制在0.1mK以内。[size=14px][color=#ff0000]二、技术方案[/color][/size]液氦温度的精密控制原理是基于液氦饱和蒸气压与对应温度的关系。根据液氦饱和蒸气压与温度的对应关系，液氦温度要控制在4K左右，并要求温度波动小于0.1mK，则要求液氦上部气压控制在100kPa左右时，气压的波动要小于10Pa以内。[size=14px]为了实现上述气压控制精度，本文提出的技术方案具体包括以下几方面的内容：[/size][size=14px]（1）液氦池上部的气压控制可以抽象为一个密闭容器内的压力控制。对于密闭容器的压力控制需要增加一个缓冲罐，通过缓冲罐的压力控制实现液氦池的压力控制，结构如图1所示。[/size][align=center][size=14px][img=气压控制,550,490]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205230927573218_8908_3384_3.png!w690x615.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=14px]图1 高精度气压控制系统结构示意图[/size][/align][size=14px][/size][size=14px]（2）缓冲罐的压力控制采用了上下游双向控制模式，通过调节进气和抽气流量进行控制。[/size]（3）整个控制系统包括缓冲罐、气压传感器、PID控制器、数字针阀和真空泵。[size=14px]（4）如果气压控制在100kPa并要求波动小于10Pa，则要求气压的测量和控制要有10/100k=0.0001（万分之一）的精度，由此需要配备万分之一精度的气压计和PID控制器。[/size]总之，本文所述的技术方案，其控制精度主要受气压传感器和PID控制器精度的限制，结合步进电机驱动的小流量电动针阀，通过高精度传感器和控制器，可以实现超导重力仪液氦温度的精密控制，温度波动可以控制在0.1mK以内，且不受外部环境温度变化影响。[size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size]

[align=center][color=#990000][img=光谱仪压强控制,690,398]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107030808077473_8105_3384_3.png!w690x398.jpg[/img][/color][/align][color=#990000]摘要：光谱测量和光谱仪是检测监测中的重要技术手段，为了得到满意的测量精度，光谱仪要求配套高精度的压强和温度传感器、执行机构和PID控制器，并需具有适用范围广、精度高、易集成和成本低的特点。本文将针对光谱仪压强和温度控制的特点，结合上海依阳公司的创新性产品，给出高精度和高性价比的光谱测量和光谱仪温压测控方案。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size] 光谱测量作为定性、定量的科学分析方法，以其测量精度高、响应速度快的优势成为各种检测监测研究中的重要技术手段，但在实际应用中样品气体的压强和温度变化会对测量结果产生严重的影响，以下是光谱测量中的温压控制方面国内外所做的一些研究工作以及所表现出来的影响特征：[color=#990000]（1）压强控制范围[/color] 不同的光谱测量和光谱仪对压强控制范围有着各自不同的要求，如使用气体吸收池的红外光谱仪，吸收峰的强度可以通过调整试样气体的压强（或压力）来达到，一般压强范围为0.5~60kPa。在采用可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术测量大气中二氧化碳浓度时，就需要6~101kPa范围内的稳定压强。在X射线光谱分析仪检测器内压强的精确控制中，要使得工作气体的密度稳定来保证检测器的测量精度，一般压强控制在一个大气压附近或者更高，而激光诱导击穿光谱仪的工作压强最大可达275kPa。由此可见，光谱仪内工作气体的压强控制范围比较宽泛，一般在0.1~300kPa范围内，这基本覆盖了从真空负压到3倍大气压的4个数量级的压强范围。[color=#990000]（2）压强控制精度[/color] 在光谱测试中，观察到的谱线强度与真实气体浓度之间的关系取决于气体样品的压强，所以压强控制精度直接决定了光谱测量精度。如美国Picarro公司的光谱分析仪中的压强控制精度±0.0005大气压（波动率±0.05%@1大气压）。文献[1]报道了设定压强为6.67kPa时对吸收池进行控制，经过连续四小时控制，压强波动为±3.2Pa，波动率为±0.047%。文献[2]报道了样品池内气体压强同样被控制在6.67kPa时压强长期波动幅度为7Pa，波动率为±0.047%。文献[3]报道了激光红外多通池压强控制系统的稳定性测量，目标压强设定为60Torr，在150~200s时间内最大波动为±0.04Torr，波动率为±0.067%。文献[4]专门报道了光谱测量仪器的高精度温压控制系统的设计研究，目标压强值为18.665kPa，42小时的恒压控制，最大偏差为5.33Pa，波动率为±0.014%。文献[5]介绍了X射线光谱仪中探测器的恒压控制结果，在工作气体恒压在940hPa过程中，波动小于±2hPa，波动率为±2%。文献[6]介绍了X射线光电光谱仪在0.05~30mbar压强范围内的恒压控制技术，在设定值为0.1mbar时，恒定精度可达±0.001mbar，波动率为±1%。[color=#990000]（3）温度控制精度[/color] 在光谱测试中，谱线强度与真实气体浓度之间的关系还取决于气体样品的温度稳定性，而且温度的稳定性同时也会影响压强的稳定性。文献[2]报道了样品池内气体温度控制在室温（24℃）时，温度短期波动为±0.01℃，长期温漂为±0.025℃，波动率为±0.1%。文献[4]报道的光谱测量仪器的高精度温度控制系统中，温度控制在45℃，42小时内的温度波动为±0.0015℃，波动率小于±0.004%。 综上所述，由于样品气体的压强和温度变化是影响测量结果的主要因素，所以在光谱测量以及各种光谱仪中，对样品气体的压强和温度调节及控制有以下几方面的要求： （1）压强控制范围非常宽泛（0.1~300kPa），但相应的测量和控制精度则要求很高，这就对压强测量传感器、控制阀、真空泵和相应的控制器提出了很高的要求，并且这闭环控制系统中的四个组件必须相互匹配，否则很难得到满意的结果。 （2）同样，在温度的高精度控制过程中，也应选择合适的温度传感器、加热装置、电源和控制器，并在温度闭环控制系统中四者也必须相互匹配。 （3）在压强和温度这两个闭环控制系统中，都会用到高精度控制器，为了降低实验成本和光谱仪造价，希望能用一个具有2路同时PID自动控制功能的高精度控制器。 （4）针对不同的光谱测量和光谱仪，其测试结构并不相同，这就要求温压控制系统中的各个部件具有独立性，由此有利于测试装置和光谱仪结构和合理布局和集成。 总之，为了得到光谱测量的满意精度，要求配套高精度的压强和温度传感器、执行机构和PID控制器，并具有适用范围广、精度高、易集成和成本低的特点。本文将针对这些特点，结合上海依阳公司的创新性产品，给出高精度和高性价比的光谱测量和光谱仪温压测控方案。[color=#990000][size=18px]2. 光谱仪压强和温度一体化测控方案[/size]2.1. 控制模式设计（1）压强控制模式[/color] 针对光谱仪上述的压强测控范围（0.1~300kPa），最佳方案是针对具体使用的压强范围选择相应的测控模式，如图2-1所示，针对低压范围建议采用上游控制模式，针对高压范围建议采用下游测控模式，也可以采用上下游同时控制的双向控制模式。[align=center][color=#990000][img=光谱仪压强控制,690,217]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107030808325845_3021_3384_3.png!w690x217.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图2-1 压强控制的三种模式[/align] 针对低压采用上游控制模式，可以重复发挥真空泵的抽速，使得真空腔体内的压强可以快速准确的实现恒定控制。针对高压（如1个大气压左右）采用下游控制模式，可以有效控制真空泵的抽速，使得真空腔体内的压强可以快速准确的实现恒定控制，同时还避免了进气口处的样品气体和其他工作气体的流量太大。 如果对进气流量和腔体压强有严格规定并都需要准确控制，则需要采用双向控制模式，双向控制模式可以在某一恒定压强下控制不同的进气流量，但双向控制模式需要控制器具有双向控制功能，这对控制器提出了更高的能力要求。以上三种控制模式的特点更详细介绍，请参考文献[7]。[color=#990000]（2）温度控制模式[/color] 同样，温度测控模式也要根据不同的温度范围和控温精度要求进行选择，如在室温附近且控温精度较高的情况下，则需要具有加热和制冷功能的双向控制模式，只有这种模式才能保证足够高的控温精度。如果在高温范围内，也建议采用双向控制方式，即以加热为主同时辅助一定的冷却补偿，以提高控温精度和快速的温度稳定。[color=#990000]2.2. 传感器的选配[/color] 传感器的精度是保证压强和温度测控准确的关键，因此传感器的选择尤为重要。 对于上述范围的压强控制，强烈建议采用目前精度最高的薄膜电容真空计[8]，这种真空计的测量精度可以达到其读数的0.2%，全量程内具有很好的线性度，非常便于连接控制器进行线性控制，并具有很高的分辨率和很小的温漂。在实际选型中，需要根据不同的压强范围选择合适量程的真空计，如对于上述0.1~300kPa的压强范围，可以选择2Torr和1000Torr两种规格的真空计，由此对相应压强量程实现准确的覆盖。 对于温度控制而言，当温度不高的范围内，强烈建议测量精度最高的热敏电阻温度传感器，较高温度时也建议采用高温型的热敏电阻或铂电阻温度传感器。如果加热温度超过了热敏电阻和铂电阻传感器的使用范围，则建议采用热电偶型温度传感器。这些温度传感器在使用前都需要进行计量校准。[color=#990000]2.3. 执行机构的选配[/color] 压强控制执行机构是决定能否实现高稳定性恒定控制的关键。如图2-2所示，强烈建议采用线性度和磁滞小的步进电机驱动的电动针阀，不建议采用磁滞和控制误差都较大的比例电磁阀。电动针阀可以布置在进气口和出气口处，也可以根据上游或下游控制模式的选择布置一个电动针阀。如果光谱仪的真空腔体庞大，电动针阀就需要更换为口径和流速更大的电控阀门，以便更快的实现压强恒定控制。详细指标可参见文献[8,9]。[align=center][color=#990000][img=电动针阀和电动调节阀,690,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107030808519287_4900_3384_3.png!w690x369.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图2-2 小流量电动针阀和大流量电动阀门[/align] 温度控制的执行机构建议采用具有帕尔贴效应的半导体热电片，这种热电片具有加热制冷双向工作模式，配合高精度的热敏电阻和控制器可以实现超高精度的温度控制，非常适合光谱仪小工作腔室的控温。 如果光谱仪工作腔室较大且温度在300℃以下，建议采用具有加热制冷功能的外排式循环浴进行加热，这种循环浴同样具有加热制冷功能，可达到较高的控温精度。 如果光谱仪工作在更高温度，则建议采用电阻丝或光加热方式，同时配备一定的通风冷却装置以提高加热的热响应速度，从而保证温控的稳定性和速度。[color=#990000]2.4. 控制器的选配[/color] 控制器是实现高精度和高稳定性压强和温度测控的最终保障。在压强控制设计中，控制器需要根据所选真空计和执行机构进行选配，选配的详细介绍可参见文献[10]。根据文献的计算可得认为，如果要保证压强测控的精度，必须采用至少16位以上的A/D模数采集器。同样，温度测控的精度保证也是由模数采集器的位数决定。因此，对于光谱仪中压强和温度的控制，建议采用了目前上海依阳实业有限公司开发的精度和性价比最高，并结合了PID参数控制功能的24位A/D采集的控制器，详细内容可参见文献[11]。 按照上述的选型，最终压强和温度的测控方案如图2-3所示。[align=center][color=#990000][img=光谱仪压强和温度控制框图,690,291]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107030809355503_6326_3384_3.png!w690x291.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图2-3 光谱仪压强和温度测控方案示意图[/align] 特别需要指出的是，上述的压强和温度控制，基本都采用了双向控制模式，而我们所开发的这款高精度控制器恰恰具有这个功能。另外，在光谱仪实际应用中，压强和温度需要同时进行控制，可以采用两台控制器分别进行控制，但相应的光谱仪整体体积增大、操作变得繁复并增加成本。而目前所建议使用的高精度控制器则是一台双通道的PID控制器，两个通道可以独立同时进行不同PID参数的控制和PID参数自整定，并且每个通道都具有双向控制功能，这有效简化了控制器并降低了仪器尺寸和成本。[size=18px][color=#990000]3. 总结[/color][/size] 综上所述，通过对光谱测量和光谱仪的压强和温度测控要求的分析，确定了详细的温压测控技术方案，并详细介绍了方案确定的依据以及相应所选部件的技术参数指标。 整个技术方案完全能满足光谱测量和光谱仪对压强和温度测控的要求，并具有测控精度高、功能强大、适用范围广、易集成和成本低的特点。除了薄膜电容真空计为进口产品之外（也可选国产真空计），方案中的所有选择部件和仪表都为国产制造。[color=#990000]4. 参考文献[/color]（1）牛明生, 王贵师. 基于可调谐二极管激光技术利用小波去噪在2.008μm波段对δ13CO2的研究[J]. 物理学报, 2017(02):136-144.（2）孙明国, 马宏亮, 刘强,等. 参数主动控制的痕量气体实时在线测量系统[J]. 光学学报, 2018, v.38；No.434(05):344-350.（3）许绘香, 孔国利. 采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制[J]. 红外与激光工程, 2020(9).（4）周心禺, 董洋, 王坤阳,等. 用于光谱测量仪器的高精度温压控制系统设计[J]. 量子电子学报, 2020, v.37 No.194(03):14-20.（5）Elvira V H , Roteta M , A Fernández-Sotillo, et al. Design and optimization of a proportional counter for the absolute determination of low-energy x-ray emission rates[J]. Review of Scientific Instruments, 2020, 91(10):103304.（6）Kerherve G , Regoutz A , D Bentley, et al. Laboratory-based high pressure X-ray photoelectron spectroscopy: A novel and flexible reaction cell approach[J]. Review of Scientific Instruments, 2017, 88(3):033102.（7）上海依阳实业有限公司，“真空度（气压）控制：上游模式和下游模式的特点以及新技术“，知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/341861844.（8）上海依阳实业有限公司，“真空压力控制装置：电动针阀（电控针型阀）”：http://www.eyoungindustry.com/2021/621/29.html.（9）上海依阳实业有限公司，“微波等离子体化学[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]沉积（MPCVD）系统中真空压力控制装置的国产化替代”，知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/377943078.（10）上海依阳实业有限公司，“彻底讲清如何在真空系统中实现压力和真空度的准确测量和控制”，知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/343942420.（11）上海依阳实业有限公司，“高精度可编程真空压力控制器（压强控制器和温度控制器）”：http://www.eyoungindustry.com/2021/618/28.html.[align=center]=======================================================================[/align][align=center] [img=,690,345]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107030804374064_8626_3384_3.jpg!w690x345.jpg[/img][/align]

[color=#ff0000]摘要：针对目前两种典型低温超导测试系统中存在的液氦压力控制精度较差的问题，本文提出了相应的解决方案。解决方案分别采用了直接压力控制和流量控制两种技术手段和配套数控阀门，结合24位AD和16位DA的超高精度的PID真空压力控制器和压力传感器，大幅提高了液氦压力控制精度，最终实现低温超导性能的高精度测试。[/color][color=#ff0000][/color][color=#ff0000][/color][align=center][img=低温超导测试系统中实现高精度液氦温度控制的解决方案,690,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301031120120633_4214_3221506_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=18px][color=#ff0000][b]1. 项目概述[/b][/color][/size] 各种超导部件如超导磁铁和超导腔体在装机前都需要在低温超导测试系统中对其性能进行测试，为了使超导部件达到低温环境则需要将被测部件浸泡在液氦介质内，并采用低温杜瓦盛装液氦介质。在整个测试过程中，对低温测试系统内的液氦压力要求极高，即要求杜瓦顶部氦气压强（绝对压力）有极好的稳定性，否则会导致测试不稳定，给测试结果带来严重误差。 目前国内现有的很多低温超导测试系统都存在液氦压力控制不稳定的严重问题，有些客户提出了相应的技术升级改造要求。 如图1所示的低温超导测试系统中，采用了两个不同口径的第一和第二泄压阀来粗调和细调液氦压力，但这种调节方法的液氦压力只能控制在1.2~1.6Bar范围内，对应4.39~4.74℃范围的液氦温度变化，造成0.35℃的温度波动。目前客户提出要设法将温度波动控制在0.1℃以内或更高的稳定性上，以提高超导部件性能测试精度。[align=center][color=#ff0000][b][img=超导试件测试时氦压控制系统,500,356]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301031123466941_8802_3221506_3.jpg!w690x492.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][color=#ff0000][b]图1 低温超导测试系统液氦压力控制装置[/b][/color][/align] 如图2所示的高场超导磁体低温垂直测试系统，其压力控制范围1~1.3Bar，尽管在图2所示系统中采用了液氦加热器来改变液氦压力，但由于压力控制阀的调节精密度不够，最终造成压力控制精度远达不到测试要求，客户也提出了技术改造要求。[align=center][b][color=#ff0000][img=高场超导磁体低温垂直测试系统,400,557]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301031123146762_3661_3221506_3.jpg!w522x728.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#ff0000]图2 高场超导磁体低温垂直测试系统[/color][/b][/align] 针对上述两种典型低温超导测试系统中存在的液氦压力控制精度不足的问题，本文将提出相应的解决方案。解决方案将分别采用直接压力控制和流量控制两种技术手段和配套数控阀门，结合超高精度的PID真空压力控制器和压力传感器，可大幅度提高液氦压力控制精度，最终减小低温超导性能测试误差。[b][size=18px][color=#ff0000]2. 解决方案[/color][/size][/b] 在图1和图2所示的两种典型低温超导测试系统中，它们各自的液氦压力变化起因不同，因此要实现液氦压力准确控制的技术手段也不同。以下是解决方案中对应的两种不同技术途径。[b][color=#ff0000]（1）直接压力调节法[/color][/b] 在图1所示的低温超导测试系统中，造成液氦蒸发的因素并不可控，只能通过调节液氦上方的氦气压力来使得测试系统保持稳定。因此，为了实现液氦上方的压强控制，解决方案采用了直接压力调节法，如图3所示，即采用数控压力控制阀代替图1中的第一和第二泄压阀。此压力控制阀与高精度PID控制器和压力传感器构成闭环控制回路，实现自动泄压和高精度压力控制。[align=center][color=#ff0000][b][img=纯压力控制结构,500,350]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301031124390427_8017_3221506_3.jpg!w690x483.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][color=#ff0000][b]图3 直接压力调节法控制装置结构[/b][/color][/align] 数控压力控制阀是一种数控正压减压控制阀，正好可以满足低温超导测试系统的微正压控制需求。通过氦气源和减压阀提供的驱动压力，可在控制阀出口处实现高精度的压力控制，同时还保持很小的漏气以节省氦气。 另外，此数控压力控制阀具有很高的控制精度，结合高精度的压力传感器和PID真空压力控制器，可将液氦压力控制在0.1%的高精度水平。[b][color=#ff0000]（2）流量调节法[/color][/b] 在图2所示的低温超低测试系统中，其不同之处之一是具有液氦加热器，即通过液氦加热器和压力控制阀构成的控制回路可进行不同液氦压力的控制，由此实现不同液氦温度的控制。 为实现不同液氦压力的精密控制，解决方案在此采用了流量调节法。如图4所示，解决方案采用了电动针阀作为图2中的压力控制阀，电动针阀与双通道高精度PID控制器、压力传感器和液氦加热器构成闭环控制回路，可以按照任意设定值进行高精度的压力控制。[align=center][color=#ff0000][b][img=流量控制结构,500,290]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301031125069440_4211_3221506_3.jpg!w690x401.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][color=#ff0000][b]图4 流量调节法控制装置结构[/b][/color][/align] 电动针阀是一种数控的微小流量调节阀，可通过PID压力控制器自动调节针阀开度，流出的氦气可通向氦气回收气囊。电动针阀同样具有很高的控制精度，结合高精度的压力传感器和PID真空压力控制器，同样可将液氦压力控制在0.1%的高精度水平。[b][size=18px][color=#ff0000]3. 总结[/color][/size][/b] 通过上述解决方案的技术手段，可实现低温超低测试系统中液氦压力的准确控制，控制精度最高可达±0.1%。 按照绝对压力进行计算，饱和蒸气压为1.2Bar时，液氦温度为4.4K。由此，如果压力控制精度为±0.1%，液氦压力的波动范围为±1.2mBar（相当于绝对压力±120Pa），对应的液氦温度波动范围为4.4mK，即所控的液氦温度为4.4±0.0044K。 由此可见，通过本文所述的解决方案，仅通过采用工业级别较低造价的PID真空压力控制器和压力传感器，结合数控压力控制阀和电动针阀，就可实现很高精度的液氦压力控制，温度控制精度可达到mK量级，完全能满足绝大多数低温超导测试系统的需要。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][img=通过超高精度真空控制提高分子蒸馏分离纯度的方法,550,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211040202188410_3231_3221506_3.jpg!w690x492.jpg[/img][/align][color=#990000]摘要：为了提升蒸馏纯度，针对现有分子蒸馏中气体流量计式真空度控制系统存在精度较差和响应速度慢的问题，本文提出了更高精度的真空度控制解决方案。解决方案采用更直接、精密和快速的电动针阀来代替现有的气体质量流量计，并同时使用精度更高的薄膜电容规和24位AD、16位DA控制器，可实现任意设定真空度下±0.5%的控制精度，同时对温度等因素所带来的真空度变化有极快的响应，可保证分子蒸馏过程中真空控制的高精度和稳定性。[/color][align=center][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][color=#990000][size=18px]一、问题的提出[/size][/color]分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出，由此达到物质分离的目的。短程蒸馏器是一个工作在0.001~1mbar（0.1~100Pa）绝对压力下热分离技术过程，它较低的沸腾温度，非常适合热敏性和高沸点物。在分子蒸馏工艺中，真空度的控制精度决定了分离物质的纯度，目前绝大多数分子蒸馏设备中真空度控制系统普遍还都采用液环真空泵与旋片式真空泵结合气体流量计的技术，这种通过气体流量计调节进气流量的方法无法实现高精度的真空度稳定控制，具体是以下几方面原因：（1）分子蒸馏过程的真空度变化范围一般为0.1~100Pa，这种高真空范围对气体流量计的真空漏率有较高要求，一般气体流量计很难满足要求，必须使用专门用于高真空的气体流量计。（2）气体流量计的调节精细度普遍较粗，如果要实现高精密的气体流量调节，同样要使用高档更精密的气体流量计。（3）通常气体流量计的响应速度比较慢，很难实现在1秒之内完成全闭到全关的动作时间。（4）多数分子蒸馏中的真空传感器普遍采用精度较差的数字皮拉尼电阻规和电热偶规等。（5）绝大多数调节气体流量计的PID控制器精度较差，多为12位AD和DA转换器，极少用到16位的AD和DA转换器，PID控制器的精度是决定分子蒸馏真空度控制精度的关键。为了提升蒸馏纯度，针对上述现有分子蒸馏中气体流量计式真空度控制系统存在的问题，本文提出了更高精度真空度控制的解决方案。解决方案将采用更直接、精密和快速的电动针阀来代替现有的气体质量流量计，并同时使用精度更高的薄膜电容规和24位AD、16位DA控制器，由此可实现分子蒸馏工艺中任意设定真空度下±0.5%的控制精度，并对温度等因素所带来的真空度变化有极快的响应，有效保证分子蒸馏过程中真空度的高精度和高稳定性。[size=18px][color=#990000]二、解决方案[/color][/size]通过上述分析可以看出，限制现有短程分子蒸馏工艺真空度控制精度的主要因素分别是：（1）气体质量流量计调节精度和响应速度。（2）真空度传感器的测量精度。（3）PID控制器的测量和控制精度。为解决上述问题，本文提出的具体解决方案是采用相应的三个替换装置，如图1所示。[align=center][color=#990000][img=短程分子蒸馏高精度真空度控制装置,690,282]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211040201378335_1412_3221506_3.jpg!w690x282.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 短程分子蒸馏高精度真空度控制装置[/color][/align]如图1所示，为提高蒸馏纯度，实现高精度真空度控制，解决方案采用了以下三个装置：[color=#990000]（1）采用高速电动针阀代替气体质量流量计[/color]分子蒸馏高真空度控制的基本原理是调节蒸馏器的进气流量和出气流量并达到一个动态平衡，所以这里的技术关键是如何实现进气流量的精密调节。尽管气体质量流量计可以进行进气流量调节，但采用的是电磁阀技术，有着较大的迟滞现象和较慢的响应速度，这些都会影响真空度的控制精度。解决方案中所采用的高速电动针阀是一种高速步进电机驱动的纯机械式针型阀，在大幅度减少迟滞误差的同时，还将整体响应时间缩短到了800微秒，同时精细步长可实现阀门的快速精密调节。驱动控制只需采用0-10V的模拟电压，整体结构简单且可靠性强。多个规格的电动针阀具有不同的气体流量调节能力，可满足不同容积的蒸馏器的真空度控制，同时还可以采用FFKM全氟醚橡胶密封提高耐腐蚀性。[color=#990000]（2）采用薄膜电容规代替皮拉尼电阻规和电热偶规[/color]薄膜电容规的测量精度要远高于皮拉尼电阻规和热偶规，在任意真空度下其精度都可以达到±0.25%。那么对于短程蒸馏器0.001~1mbar（0.1~100Pa）的真空度量程内，可直接选择一只1Torr的薄膜电容规即可满足全量程的真空度测量，如果为了保证0.1~1Pa范围内的测量精度，还可以再补充一只0.1Torr的薄膜电容规。这样，通过两只不同量程的薄膜电容规可覆盖全真空度范围内的准确测量。[color=#990000]（3）采用超过精度真空控制器代替普通精度PID控制器[/color]在任何PID反馈式闭环控制系统中，无论传感器和执行器精度多高，最终的控制精度都需要控制器的精度予以保证，为此，在解决方案中采用了超高精度的PID真空控制器。此超高精度PID真空度控制器具有24位AD和16位DA，采用了双精度浮点运算可实现0.01%的最小输出百分比，这是目前国内外最高技术指标的工业用PID控制器。采用此真空控制器可充分发挥电动针阀执行器和薄膜电容规真空传感器的精度优势，而且此系列控制器具有单通道和双通道不同型号。单通道控制器是可编程PID控制器，突出特点是可以进行不同量程双真空计的自动切换来实现全量程自动控制。双通道控制器是一种定点控制器，两个通道可以分别独立控制真空度和温度。[size=18px][color=#990000]三、结论[/color][/size]新型的真空控制系统对短程分子蒸馏工艺的真空度控制过程进行了优化，对其中的真空度控制系统做出了以下三方面的改进：（1）采用电动针阀代替气体质量流量计，提高了进气流量调节执行器的精度。（2）采用薄膜电容规代替拉尼电阻规和电热偶规，提高了真空度测量的精度。（3）采用真空控制器代替传统的PID控制器，提高了PID控制精度，并扩展了控制功能，可实现双传感器自动切换和两个工艺参数同时控制。总之，通过以上改进可大幅提高短程分子蒸馏工艺的真空度控制水平，通过大量考核试验和实际应用已经证明，此解决方案成熟度很高，在全真空度范围内可轻松实现±0.5%的控制精度，如果采用更高精度的真空计，此解决方案可进一步达到±0.1%的控制精度。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：本文将针对上述防护热板法计量单元电功率精密控制中存在的问题，进行详细分析，并提出相应的解决方案。解决方案的基本内容是升级换代现有的工业用PID控制器，将PID控制器的模数转换（A/D）精度提高到24位，数模转换（D/A）精度提高到16位，增加浮点运算位数并将最小控制输出百分比（OP）提高到0.01%。通过此新一代工业用双通道超高精度PID控制器，可轻松将防护热板法计量单元电功率的准确度控制在0.1%以内，第二通道可以用于护热单元或冷板的温度跟踪和控制。同时，新一代PID控制器还保留了工业用PID控制器的常用规格尺寸，并具有很好的性价比。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px]一、问题的提出[/size]在稳态法防护热板法导热系数测试过程中，要求在稳定状态下对加载在计量加热器上的电功率进行准确测量。在标准测试方法GB/T 10294中的具体规定是“测量施加于计量部分的平均电功率，准确度不低于0.2%，强烈建议使用直流电。推荐自动稳压的输入功率，输入功率的随机波动、变化引起的热板表面温度波动或变化应小于热板和冷板间温差的0.3%。由此可见，防护热板法导热仪计量单元上直流电功率的加载、控制和测量是保证导热系数测量准确性的关键因素之一。除了平均电功率准确度不低于0.2%之外，对于一般冷热板之间20℃温差的导热系数测试，热板表面温度波动或变化还应小于20℃×0.3%=0.06℃。为了满足稳态法防护热板法上述要求，多年来普遍采用的技术手段是采用直流恒流电源，即在计量加热器上施加高精度恒定的直流电流。尽管加载恒定直流电流可以达到标准方法的规定，但同时存在并带来一系列其他问题：（1）热板温度无法实现10的整数倍温度精确控制。（2）热板温度达到稳定时间长。（3）现有工业用PID控制仪表无法达到电功率准确度要求。（4）采用高精度数字电压表和源表，并结合计算机软件进行电功率的PID控制，虽然完全可以解决上述问题，但整体造价十分昂贵。本文将针对上述防护热板法计量单元电功率精密控制中存在的问题，进行详细分析，并提出相应的解决方案。解决方案的核心内容是升级换代现有的工业用PID控制器，将PID控制器的模数转换（A/D）精度提高到24位，数模转换（D/A）精度提高到16位，增加浮点运算位数并将最小控制输出百分比（OP）提高到0.01%。通过此新一代工业用双通道超高精度PID控制器，可轻松将防护热板法计量单元电功率的准确度控制在0.1%以内，第二通道可以用于护热单元或冷板的温度跟踪和控制。同时，新一代PID控制器还保留了工业用PID控制器的常用规格尺寸，并具有很好的性价比。[size=18px][color=#990000]二、计量单元电加热功率和温度精密控制问题分析[/color][/size]在现有的防护热板法计量单元电加热功率和温度精密控制中，存在着以下几方面的矛盾。下文将对这些矛盾进行分析，并由此便于提出相应的解决方案。[size=16px][color=#990000]2.1 热板加热功率精度与整10℃倍数设定温度控制的矛盾[/color][/size]在许多防护热板法导热仪中，为了满足测试方法对施加在计量单元上的加热电功率准确度要求，往往会按照标准方法推荐而采用高精度直流电源。尽管采用直流电源可保证加热电功率的准确度，但在实际测试过程中则还需凭借测试数据积累和经验总结，才能确定出不同热板温度所对应的一系列不同的加载电流值。这种加热电流直接加载方式尽管能保证电功率的准确度，但最大的问题是无法将热板温度准确控制在任意所需的设定温度上，如无法准确控制整10℃倍数的设定温度，实际热板温度往往偏离设定温度而呈现为非整数形式。另外，在测试不同导热系数样品时，采用相同加热电流往往会表现出不同的热板温度。直接加载直流电流方式，还存在一个严重问题是升温速度较慢，计量单元达到稳定温度需要漫长时间。特别是对于较大样品尺寸的防护热板法导热仪，相应的计量单元体积和热容都较大，往往需要更长的温度稳定时间。相比于低导热样品的较小热容，计量单元温度稳定所需时间占用了更多的整体达到稳态的时间。由于上述问题的存在，这种直接加载直流电的加热方式很少在商业化导热仪上使用，一般用在早期热导仪和实验室自行搭建的导热系数测试设备上。[size=16px][color=#990000]2.2 现有工业用PID控温仪无法满足准确度要求问题[/color][/size]为了解决上述直接加载直流电流加热方式存在的问题，并同时提高导热仪的自动化水平，目前大多数商业化防护热板法导热仪都采用了PID控温仪技术。采用PID控温技术是将温度传感器、调功器、直流恒流源和PID控制器组成闭环控制回路，通过PID算法将计量单元自动控制在任意设定温度点上。采用PID控制技术，尽量在理论上可以完美的解决早期直接加载直流电流方式存在的问题，但带来的问题则是无法达到测试方法规定的加热电功率准确度要求，也就是使用工业PID控温仪势必要在测量精度上做出牺牲。出现不得不牺牲电功率控制精度的主要原因是目前的工业用PID控温仪存在以下几方面的问题：（1）采集精度不够：PID控制器的模数转换（A/D）精度大多都是8位或12位，极个别能达到16位，这明显不能满足高精度测量要求。（2）控制精度不够：PID控制器的数模转换（D/A）精度大多都是8位或12位，同样不能满足高精度控制要求。（3）浮点运算精度不够：PID控制器内微处理器运算一般都采用单精度浮点运算。对于较低位数的数模转换输出控制，单精度浮点运算已经足够，对应的最小输出百分比为0.1%。但对于防护热板法计量单元电加热功率的高精度控制，0.1%的最小输出百分比显然已经无法满足要求。[size=16px][color=#990000]2.3 能满足准确度要求的专用PID控制设备但造价昂贵问题[/color][/size]为解决上述PID控制中存在的问题，目前比较成熟的技术是采用高精度的专用仪器和仪表，并结合计算机组成超高精度的PID控制系统来实现护热板法计量单元电加热功率的控制，并在任意温度设定上实现超高精度的长时间恒定控制。这种超高精度的PID温度控制系统采用了分体式结构搭建而成，分别采用独立的五位半/六位半的数字电压表和数控直流电源来实现高精度的数据采集和控制输出功能，PID运算处理则采用计算机或微处理器实现双精度浮点运算，并将最小输出功率百分比提高到0.01%甚至更低。通过这种分体式结构的PID温度控制系统，同时完美的解决了上述防护热板法导热仪中计量单元电加热功率和温度的高精度控制问题，同时也可以大幅度缩短测试时间。尽管这种分体结构的PID温度控制系统满足了精密测量的各种技术要求，但同时带来的主要问题是造价太高，同时还需进行编程和复杂的调试，因此这种PID温控系统和控制技术在国内外多用于计量机构和对测量精度有较高要求的研究部门，并不适用于对价格比较敏感的商业化防护热板法导热仪，更不适合工业应用中的普通导热仪使用。[size=18px][color=#990000]三、工业用超高精度PID控制器解决方案[/color][/size]上述保护热板法导热仪计量单元的电加热功率和温度精密控制问题的分析以及相应的技术改进，也是多年来保护热板法导热系数测试技术进步的一个典型过程。从上述分析可以看出，这个测试设备的技术迭代过程显然还未真正达到更理想化的水平。为了既要满足计量单元电加热功率和温度高精度控制要求，又要实现PID控制、运行操作简单化和具有较低的制作成本。我们提出了新的解决方案，即在现有的工业用PID控制器（调节器）技术基础上进行升级，充分发挥工业用PID调节器的运行操作简便、集成化程度高、体积尺寸小安装方便和价格上的优势。核心升级技术的具体内容如下：（1）PID调节器的模数转换（A/D）直接升级到24位，大幅提高采集精度。（2）PID调节器的数模转换（D/A）精度升级到16位，大幅提高控制输出精度。（3）采用双精度浮点运算提高计算精度，并将最小输出百分比降低到0.01%，充分发挥数模转换的16位精度。（4）保持传统工业PID调节器的标准尺寸，如96×96、96×48和48×96规格，而屏幕显示采用真彩色IPS TFT全视角液晶显示，数字全5位显示。（5）全新的PID调节器具有单通道VPC 2021-1和VPC 2021-2两种规格系列，可满足不同变量（如真空、压力、温度和电压等）的高精度调节和控制。升级前后的PID调节器如图1和图2所示。[align=center][color=#990000][img=01.升级前的双通道PID调节器,690,321]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209161611027835_9284_3221506_3.jpg!w690x321.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 升级前的双通道PID调节器[/color][/align][align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][color=#990000][img=升级后的单通道PID调节器,500,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209161611255867_7954_3221506_3.jpg!w690x536.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 升级后的单通道PID调节器[/color][/align]综上所述，解决方案通过对模数转换、数模转换、浮点运算精度和最小输出百分比的全面升级，可完美的实现防护热板法计量单元的电加热功率和温度的超高精度控制。同时，这种全新的超高精度工业用PID调节器也可能用于其他参数的精密控制，并具有很好的性价比。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

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

[b][color=#339999][font='微软雅黑',sans-serif]摘要：针对红外目标模拟器的高精度可编程温度控制功能，本文介绍了实现高精度温控的温控装置，给出了温控方案。温控装置主要包括[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]半导体制冷加热模组、电源自动换向器、传感器和超高精度[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制器。从超高精度温度控制，关键是[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制器具有[/font]24[font='微软雅黑',sans-serif]位[/font]AD[font='微软雅黑',sans-serif]、[/font]16[font='微软雅黑',sans-serif]位[/font]DA[font='微软雅黑',sans-serif]和[/font]0.01%[font='微软雅黑',sans-serif]最小输出百分比的高性能指标，同时还具有可手动和通讯软件编程功能。[/font][/color][/b][align=center][img=常温黑体中TEC半导体可编程高精度温度控制解决方案,600,337]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302220435170646_2129_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/align][align=center][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][b][size=18px][color=#339999]1. [font='微软雅黑',sans-serif]红外目标模拟器工作原理[/font][/color][/size][/b][font='微软雅黑',sans-serif] 红外目标模拟器（[/font]Infrared Target Simulator[font='微软雅黑',sans-serif]）广泛应用于红外探测器和红外热像仪整机的工艺测试和评价测试，它为被测装置提供标准的红外测试图像，用于测试关键指标，如[/font]NETD[font='微软雅黑',sans-serif]（噪声等效温差）、[/font]MRTD[font='微软雅黑',sans-serif]（最小可分辨温差）、[/font]MDRD[font='微软雅黑',sans-serif]（最小可探测温差）、[/font]SiTF[font='微软雅黑',sans-serif]（信号传递函数）等，以及整个系统的性能评估。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]红外目标模拟器的重要指标包括发射率、辐射均匀性、温度控制精度、温度稳定性和响应速度等，其中前两个指标取决于所用黑体的结构、辐射面材质和黑漆喷涂技术，其余指标则取决于温控系统的性能。红外目标模拟器一般通过单黑体或双黑体实现，但无论采用哪一种黑体结构，高精度的温控技术都是其中的技术关键，它直接关系到红外目标模拟器的性能，是实现红外系统指标测试的关键因素。红外目标模拟器的工作原理如图[/font]1[font='微软雅黑',sans-serif]所示。[/font][align=center][size=14px][b][color=#339999][img=红外目标模拟器原理示意图,500,365]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302220437236876_9226_3221506_3.jpg!w690x505.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][font='微软雅黑',sans-serif][color=#339999][/color][/font][align=center][b][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][font=&]1 [/font][font='微软雅黑',sans-serif]红外目标模拟器工作原理示意图[/font][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]如图[/font]1[font='微软雅黑',sans-serif]所示，目标位于准直器反射器焦平面上。热辐射图样将由热辐射表面和目标之间的温差产生，并由准直器转换成平行光以模拟无限远的红外目标，供被测红外系统的成像探测器使用。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]温控系统由温度传感器、[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]半导体模组、散热器、风扇、[/font]PID [font='微软雅黑',sans-serif]控制器、自动电源换向器等组成。温度传感器[/font]A[font='微软雅黑',sans-serif]检测的是目标温度，温度传感器[/font]B[font='微软雅黑',sans-serif]检测的是辐射表面温度。根据目标的设定温度，控制器通过[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制算法计算加热或制冷的控制量并驱动电源换向器工作电流的方向和大小，使得[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]半导体模组进行加热或制冷输出。[/font][b][size=18px][color=#339999]2. TEC[font='微软雅黑',sans-serif]半导体高精度温度控制标准装置[/font][/color][/size][/b][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]根据红外测试设备的检测指标，要求红外目标模拟器的工作温度范围为[/font]0~50[font='微软雅黑',sans-serif]℃，温度分辨率为[/font]0.001[font='微软雅黑',sans-serif]℃，控温精度为[/font]0.03[font='微软雅黑',sans-serif]℃。要实现此技术指标，温度控制系统需包括加热装置、温度传感器、执行器和[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制器这几部分内容，而且需要满足相应的技术指标。为此，专门针对温控系统本文设计了相应的解决方案，具体结构如图[/font]2[font='微软雅黑',sans-serif]所示。以下为图[/font]2[font='微软雅黑',sans-serif]所示温控方案的详细描述：[/font][align=center][size=14px][b][color=#339999][img=温度控制系统方案示意图,550,559]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302220437516841_6377_3221506_3.jpg!w690x702.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][font='微软雅黑',sans-serif][color=#339999][/color][/font][align=center][b][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][font=&]2 [/font][font='微软雅黑',sans-serif]红外目标模拟器温度控制系统方案示意图[/font][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font]1[font='微软雅黑',sans-serif]）加热方式：有很多种加热方式可供选择，如电加热、循环水加热和[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]半导体制冷加热等，但考虑到红外目标模拟器对工作温度范围和超高精度温度控制的要求，目前也只有[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]热电半导体制冷加热方式比较适用。[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]用于红外目标模拟器的温度控制除能满足温度范围之外，与其他加热方式相比具有更高的控温精度、更快的冷热变化控制速度、结构简单以及造价低的突出特点。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font]2[font='微软雅黑',sans-serif]）执行机构：为了实现[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]的加热制冷功能，除了需要对[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]模组的加载电流进行自动调节之外，还需在调节过程中能自动改变电流方向，为此，[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]执行机构配备了电源自动换向器。换向器接收加热和制冷控制信号，并根据控制信号大小和方向输出相应的工作电流。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font]3[font='微软雅黑',sans-serif]）温度传感器：温度传感器是决定温度控制精度的关键因素之一，因此本方案中配置了高等级的铂电阻温度计（如标准铂电阻温度计）或高等级热敏电阻温度传感器，使得温度传感器的温度分辨率能达到[/font]0.001[font='微软雅黑',sans-serif]℃以及测温精度能达到[/font]0.01~0.02[font='微软雅黑',sans-serif]℃。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font]4[font='微软雅黑',sans-serif]）超高精度[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制器：决定温度控制精度的另一个关键因素是温度控制器的数据采集精度、控制算法和控制输出精度。为此，在本解决方案中采用了目前控制精度最高的[/font]VPC2021-1[font='微软雅黑',sans-serif]系列的工业用[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]程序调节器，除具有不超过[/font]96mm[font='微软雅黑',sans-serif]×[/font]96mm[font='微软雅黑',sans-serif]×[/font]87mm[font='微软雅黑',sans-serif]的小巧尺寸外，关键是此[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]调节器的模数转换[/font]AD[font='微软雅黑',sans-serif]为[/font]24[font='微软雅黑',sans-serif]位、数模转换[/font]DA[font='微软雅黑',sans-serif]为[/font]16[font='微软雅黑',sans-serif]位、双精度浮点运行运算以及[/font]0.01%[font='微软雅黑',sans-serif]的最小输出百分比，并可对控制程序进行编辑设计，适合红外目标模拟器在全温度量程内多个设定点的自动温度恒定控制。同时，此调节器采用了高级无超调[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制模式，并具有[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]参数自整定功能，结合超高精度的数据采集和控制输出，可实现十分精细的温度变化调节和控制。另外，此调节器附带功能强大的计算机软件，通过计算机运行此软件可快速进行[/font]PID[font='微软雅黑',sans-serif]控制器的远程设置和运行操作，同时能图形化的显示和记录所有设置参数、控制程序曲线和温度控制变化曲线。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]总之，本文所述的采用[/font]TEC[font='微软雅黑',sans-serif]模组进行的温度控制系统，已经成为超高精度可编程温度控制的一种标准和通用性方案，完全适用于红外目标模拟器的高精度温度控制。[/font][align=center][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：当前各种测试仪器中的低温温度控制过程中，普遍采用电增压液氮泵进行制冷和辅助电加热形式的控温方式。由于液氮温度和传输压力的不稳定，这种方式的控温精度仅能达到0.5K，很难实现小于0.1K的高精度控温。为此本文基于饱和蒸气压原理提出了液氮温区高精度温度控制解决方案，通过对液氮罐内的正压压力进行恒定控制，使液氮温度处于准确稳定状态并提供恒定的液氮输送流量，为后续试验台的电加热控温提供了稳定的制冷量。[/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] 液氮作为一种廉价且易于获得的低温介质，在科学仪器领域的低温环境实现中应用十分广泛，如各种各种探测器、热分析仪（TGA，STA，TMA，DMA，DMTA）、激光器、电子显微镜和各种低温试验平台等，都在采用液氮进行低温控制。在这些液氮温度范围内的低温控制系统中，普遍采用加压泵送方式将液氮传输到指定容器或试验平台中，如果进行低温宽温区的温度控制则还需在低温管路和试验平台上增加辅助加热器进行温度调节和控制。[/size][size=16px] 现有的加压输送液氮的手段主要是基于增大液氮罐内压力，从而将液氮压出，具体增加罐内压力的方式是通气法和电加热法。这两种方式利用了液氮自身物理变化而获得液氮蒸汽压力，没有借助其他介质的加压，不会影响液氮的纯度，关键是可以采用不同压力输送出低温氮气和气液混合液氮，以满足不同低温温度的需要。[/size][size=16px] 由于电加热方式结构简单，加热功率大且易于控制，液氮输送速度速度快，目前绝大多数低温温度控制多采用这种电加热方式的液氮泵，结合试验台上配备辅助电加热器，可对试验台或样品温度进行一定精度的低温温度控制。这种液氮试验平台的温度控制系统典型结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=常用液氮冷却低温温度控制系统结构示意图,500,444]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307271408453472_5868_3221506_3.jpg!w690x614.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 常用液氮冷却低温温度控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示的常用低温控制系统，通过液氮冷却并配合加电热器的正反向PID调控可实现低温温度控制，但这种方式只适用于远离液氮沸点区域(≥110K)的低温控制，不能在接近液氮沸点附近（77~110K）达到优于±0.1K以内的高精度控温，因为在接近液氮沸点附近存在气液两相共存状态，这两种状态在接近液氮沸点的温度区域非常不稳定，特别是在杜瓦瓶内压力波动较大时极易出现两相互转现象，从而导致冷却温度出现比较大的无规律波动。[/size][size=16px] 另一个影响低温温度产生无法控制波动的因素是室温环境对输送管路和阀门内液氮的加热作用，这对高精度的低温控制影响十分明显且不稳定。[/size][size=16px] 由于冷却温度波动较大，尽管在试验台上采用了高导热材料进行快速均温，以及辅助电加热器进行补偿调节，但这种常用的流动液氮形式低温控制方法也只能勉强达到±0.5K的控温精度，基本无法提高低温温度的高精度控制。由此可见，在必须采用流动液氮进行低温冷却的情况下，实现高精度的低温控制是个需要解决的技术问题，为此本文提出如下解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 根据影响高精度低温控制的压力因素和室温环境加热因素，基于饱和蒸汽压时气液处于两相平衡的物理现象，本文提出的解决方案所设计的流动液氮高精度低温温度控制系统如图2所示，实现高精度低温控制的具体方法主要包括以下两方面的内容：[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=高精度液氮冷却低温温度控制系统结构示意图,500,468]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307271409104704_2148_3221506_3.jpg!w690x647.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 高精度液氮冷却低温控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）对液氮罐内气体压力进行高精度恒定控制，使杜瓦瓶中的液氮始终处于已知可控的温度下，由此获得温度和流量稳定的液氮输出源。[/size][size=16px] （2）液氮输出管路中，避免使用很难进行绝热处理的各种阀门，而是采用了真空输送管，最大限度减小室温环境对管路内液氮的影响。[/size][size=16px] 此解决方案的核心是将液氮温度控制和试验台温度控制分开构成两个独立控制回路，通过双通道PID控制器同时进行控制，具体如下：[/size][size=16px] （1）压力控制通道是由压力传感器、电加热器和PID控制器第一通道构成的闭环回路，通过调节电加热器功率使杜瓦瓶内气体的正压压力保持恒定，使得整个杜瓦瓶内的气液两相液氮温度相同，此压力同时将液氮压出进行输送。[/size][size=16px] （2）加热控制通道是由温度传感器、电加热器和PID控制器第二通道构成的闭环回路，在加载到均热试验台上的制冷量恒定的条件下，通过调节电加热器功率使样品控制在不同的设定温度上，由此最终实现样品不同低温温度的精密控制。[/size][size=16px] 对于液氮输送管的热防护，尽管采用了液氮真空输送管，但要做好输送管两端的隔热防护，尽可能减少室温环境的加热影响。[/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，可很好的解决液氮温度精密控制问题，关键是采用控压方式可使得杜瓦瓶内的液氮温度保持恒定，压力稳定的同时也使得所液氮介质的压出流量也同样稳定，这使得液氮介质的整个输送过程处于可控稳定状态，为高精度低温控制提供了最为重要的温度稳定的冷媒。[/size][size=16px][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[align=center][img=玻璃窑炉精密压力控制解决方案,600,293]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310131721313475_1541_3221506_3.jpg!w690x338.jpg[/img][/align][size=16px][b][color=#333399]摘要：在玻璃生产中对玻璃窑炉中窑压的要求极高，通常需要控制微正压[/color][color=#333399]4.7Pa（表压），偏差控制在±0.3Pa，而窑炉压力还会受到众多因素的影响，所以实现高稳定性的熔窑压力控制具有很大难度，为此本文提出了新的解决方案对现有玻璃窑炉压力控制系统进行改进。解决方案采用不同口径双蝶阀并联结构进行排气，并通过使用高速蝶阀、高精度压力传感器和超高精度分程式压力控制器，可大幅度提高窑炉压力的控制精度和稳定性。[/color][/b][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]=====================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#333399][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 窑炉是玻璃生产制造过程使用的重要设备之一，担负着熔化原材料、调节玻璃液气泡等缺陷。在玻璃生产中对玻璃窑炉中窑压的要求极高，通常需要控制微正压4.7Pa（表压），偏差控制在±0.3Pa，因此需要极其精确的窑压检测和灵敏准确的窑压控制。在玻璃生产中，影响窑炉压力主要有以下几方面的因素：[/size][size=16px] （1）窑炉温度需控制在上千摄氏度的高温环境才能使原材料熔制成均匀、无气泡的玻璃液，如此高温环境往往使部分原材料在窑炉熔化时易产生大量气体，导致窑炉内的玻璃液位波动大，使得窑炉内的压力不稳定，进而干扰生产工艺，影响玻璃液的品质。[/size][size=16px] （2）玻璃熔窑由于采用的热源不同，结构形式有较大差别，如火焰熔窑、电熔窑和火焰?电熔窑具有不同的结构，而且玻璃液与生产窑内部顶侧壁之间留有气体空间，受玻璃液进液量的影响，也会引起玻璃窑内气体空间的压力时常变化。[/size][size=16px] （3）在实际生产中，受外界天气变化、窑炉外部环境变化以及窑炉内部温度变化等多种的影响，导致窑炉内外的压力差产生波动，导致玻璃液位波动进而影响窑炉压力变化。[/size][size=16px] （4）此外，从玻璃窑炉中排出的烟气带有较高的热量，且国家对玻璃窑废气的环保标准越来越高，为了充分利用此部分热量和减少环境污染，达到节能减排的目的，现有的玻璃窑炉一般都连接有余热回收装置和除尘装置，这些装置对于玻璃窑炉中的压力稳定也会产生影响。[/size][size=16px] 目前，国内常用玻璃窑炉压力控制系统的典型结构如图1所示，其工作原理是通过控制器采集压力传感器与压力设定值进行比较后输出控制信号，控制信号分别驱动引风机改变功率和调节闸板开度来实现熔窑内的压力稳定。但这种引风机和闸板在排气烟道内的串联结构很难实现高稳定性的压力控制，为此本文提出了改进的解决方案，以更好实现玻璃熔窑内压力的长时间的稳定控制，并快速降低各种影响因素对压力稳定的影响。[/size][align=center][size=16px][color=#333399][b][img=现有玻璃窑炉的典型压力控制系统结构,600,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310131722577919_8122_3221506_3.jpg!w690x383.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#333399][b]图1 现有玻璃窑炉的典型压力控制系统结构[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#333399][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 改进后的解决方案将采用以下几方面的技术措施来实现窑炉压力的稳定控制：[/size][size=16px] （1）图1所示的风机和调节闸板的串联结构使得烟道内的排气速率完全受到风机和闸板两者之一的最小流量限制，很难实现既要保持正压、又要控制压力微小波动。为此，解决方案将采用如图2所示的并联结构，即在主烟道上并联一个小口径的旁路烟道，这样既能保证以较大抽速使高温下的窑炉压力快速回归至微正压附近，同时又能采用旁路的较小抽速进行精细调节使压力稳定。[/size][align=center][color=#333399][b][img=改进后的玻璃窑炉高精度压力控制系统结构,600,350]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310131724197314_7449_3221506_3.jpg!w690x403.jpg[/img][/b][/color][/align][b][/b][align=center][b][color=#333399]图2 改进后的玻璃窑炉高精度压力控制系统结构[/color][/b][/align][size=16px] （2）使风机处于全速工作状态，而在主烟道和旁路烟道上分别增加不同口径、且具有较快响应速度（1秒以内）的电动通风蝶阀。这样，通过不同口径高速蝶阀的快速开度变化，可以对窑炉压力进行快速调节并达到稳定。[/size][size=16px] （3）压力传感器的测量精度是决定玻璃窑炉内部压力稳定控制的关键要素之一，因此本解决方案采用了0.1%的高精度压力传感器，压力测量范围尽可能的小，如0~100Pa（表压）。[/size][size=16px] （4）决定窑炉压力稳定控制的另一个关键因素是压力控制器的测量精度、控制精度和控制模式，为此本解决方案选择了VPC2021系列超高精度压力控制器，其具有24位AD、16位DA和最小输出百分比为0.01%，这是目前工业用PLC根本无法实现的测控精度。另外，VPC2021系列压力控制器具有分程控制功能，可同时对两个不同口径通风蝶阀进行快速控制，且控制器同时还具有PID参数自整定功能、标准的MODBUS通讯协议和相应的计算机测控软件。[/size][size=18px][color=#333399][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，解决方案通过采用不同口径双蝶阀并联结构，可在排气方式上既能实现大流量排气，又能进行微小排气流量的调节，从结构上保证了窑炉压力的稳定性控制。另外，通过采用高速蝶阀、高精度压力传感器和超高精度分程式压力控制，从自动控制方面更进一步的保证了压力控制精度，比传统的PLC控制具有更好的控制精度和稳定性。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#339999]摘要：针对晶体生长和CVD等半导体设备中对0.1%超高精度真空压力控制的要求，本文对相关专利技术进行了分析，认为采用低精度的真空度传感器、调节阀门和PID控制器，以及使用各种下游控制方法基本不太可能实现超高精度的长时间稳定控制。要满足超高精度要求，必须采用0.05%左右精度的传感器和相应精度的PID控制器，结合1s以内开合时间的高速电动针阀和电动球阀，同时还需采用上游进气控制模式。另外，本文提出的超高精度解决方案中，还创新性的提出了进气混合后的减压恒压措施，消除进气压力波动对超高精度控制的影响。[/color][/size][align=center][size=16px][img=彻底讲清如何实现各种单晶炉的0.1%超高精度真空压力控制,690,290]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071124469579_383_3221506_3.jpg!w690x290.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在晶体生长和CVD等半导体设备领域，普遍要求对反应腔室的真空压力进行快速和准确控制。目前许多半导体工艺设备的真空压力基本在绝对压力10~400Torr的真空度范围内，通过使用下游节流阀（电动球阀或电动蝶阀）的开度自动变化来调节抽气速率基本能达到1%以内的控制精度。但对于有些特殊晶体生长等生产工艺，往往会要求在0.1~10Torr真空度范围内进行控制，并要求实现0.1%的更高精度控制。[/size][size=16px] 最近有用户提出对现有晶体生长炉进行技术升级的要求，希望晶体炉的真空压力控制精度从当前的1%改造升级到0.1%，客户进行改造升级的依据是宁波恒普真空科技股份有限公司的低造价的压力控制系统，且技术指标是“公司研发的压力传感器和控制阀门及配套的自适应算法，可将压力稳定控制在±0.3Pa（设定压力在100~500Pa间）”。[/size][size=16px] 我们分析了宁波恒普在真空压力控制方面的两个相关专利，CN115113660A（一种通过多比例阀进行压力控制的系统及方法）和CN217231024U（一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统），认为采用所示的专利技术可能无法实现100~500Pa全量程范围内0.1%的长时间稳定的控制精度，最多只可能在个别真空点和个别时间段内勉强内达到。本文将对这两项专利所设计的控制方法进行详细技术分析说明无法达到0.1%控制精度的原因，并提出相应的解决方案。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 专利技术分析[/color][/size][/b][size=16px] 宁波恒普公司申报的发明专利“一种通过多比例阀进行压力控制的系统及方法”，其压力控制系统结构如图1所示，所采用的控制技术是一种真空压力动态平衡控制方法中典型的下游控制模式，即固定进气流量，通过调节排气流量实现真空压力控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.通过双比例阀进行压力控制的系统的示意图,500,244]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071128351485_5277_3221506_3.jpg!w690x338.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 通过双比例阀进行压力控制的系统的示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在动态平衡法控制中，这种下游模式的特点是： （1）非常适用于10~760Torr范围内的高气压精确控制，抽气流量的变化可以很快改变真空腔体内部气压的变化，不存在滞后性，这对于高精度的高压气体控制非常重要，因此这种下游控制模式也是目前国内外绝大多数晶体炉的真空压力控制方法。 （2）并不适用于0.1~10Torr范围内低气压控制，这是因为在低气压控制过程中，抽气速率对低气压变化的影响较为缓慢，存在一定的滞后性，调节抽气速率很难实现低气压范围内的真空度高精度控制。因此，对于低气压高真空的精密控制普遍采用的是上游控制模式，即调节进气流量，利用了低气压对进气流量非常敏感的特性。 宁波恒普公司所申报的发明专利“一种通过多比例阀进行压力控制的系统及方法——CN 115113660A”，如图1所示，所采用的下游控制模式是通过分程（或粗调和细调）形式来具体实现，即通过次控制阀开度改变抽气口径大小后，再用主控制阀开度变化进行细调，本质还是为了解决抽气速率的精细化调节问题。 这种抽气速率分段调节的类似方法在国内用的比较普遍，较典型的如图2所示的浙江晶盛公司专利“一种用于碳化硅炉炉腔压力控制的控压装置——CN210089430U”，采用的就是多个分支管路进行下游模式控制，多个分支管路组合目的就是调节抽气口径大小。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=02.下游控制整体结构示意图,500,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071129101289_1324_3221506_3.jpg!w690x621.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图2 下游多支路真空压力控制结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 宁波恒普公司另一个实用新型专利CN217231024U（一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统），如图3所示，也是采用下游控制模式。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=03.晶体生长炉的压力串级控制系统的结构示意图,450,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071132344137_9996_3221506_3.jpg!w690x555.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图3 下游串级控制系统结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 在晶体生长和其他半导体工艺的真空压力控制中，国内外普遍都采用下游控制模式而很少用上游控制模式，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）绝大多数工艺对气氛环境的要求是高气压（低真空）范围内控制，如10~500Torr（绝对压力），且控制精度能达到1%即可。这种要求，最适合的控制方法就是下游模式。[/size][size=16px] （2）绝大多数半导体工艺都需要输入多种工作气体，而且各种工作气体还要保持严格的质量和比例，所以进气控制基本都采用气体质量流量计。如果在质量和比例控制之后，再对进气流量进行控制，一是没有必要，二是会增加技术难度和设备成本。[/size][size=16px] （3）在下游控制模式中安装节流阀（电动蝶阀）比较方便，可以在真空泵和腔体之间的真空管路上安装节流阀，而且对节流阀的拆卸和清洗维护也较方便。[/size][size=16px] 国内有些厂家在下游模式中采用上述分程控制方法的动机主要是为了规避使用高速和高精度但价格相对较贵的下游节流阀（电动蝶阀），这种高速高精度下游节流阀主要是具有1秒以内的全程闭合时间，直接使用这种高速蝶阀就可以在高气压范围内实现低真空度控制。而绝大多数国产真空用电动球阀和电动蝶阀尽管价格便宜，但响应速度普遍在几十秒左右，这使得压力控制的波动性很大。所以为了使用国产慢速电动蝶阀，且保证控制精度，只能在下游管路上想办法。[/size][size=16px] 如果采用高速电动球阀或电动蝶阀，且真空计和控制器达到一定精度，则采用任何形式的下游模式控制方式都可以在低气压范围内轻松实现1%的控制精度，但无法达到0.1%的控制精度。而如果采用低速阀门和上述专利所述的控制方法，也有可能达到1%控制精度，但更是无法实现更高精度0.1%的真空压力控制。[/size][b][size=18px][color=#339999]3. 超高精度真空压力控制方法及其技术[/color][/size][/b][size=16px] 晶体生长炉的真空压力控制也是一种典型的闭环PID控制回路，回路中包括真空泵、真空计、电动阀门和PID控制器。其中真空泵提供真空源，真空计作为真空压力测量传感器，电动阀门作为执行器调节进气或出气流量，PID控制器接收传感器信号并与设定值进行比较和PID计算后输出控制信号给执行器。[/size][size=16px] 这里我们重点讨论在0.1~10Torr的低气压（高真空）范围内实现0.1%超高精度的控制方法和相关技术。依据动态平衡法控制理论以及大量的实际控制试验和成功应用经验，如果要实现上述低压范围内（0.1~10Torr）的高精度控制，必须满足以下几个条件，且缺一不可：[/size][size=16px] （1）真空泵要具备覆盖此真空度范围的抽取能力，并尽可能保持较大的抽速，由此在高温加热过程中的气体受热膨胀压力突增时，能及时抽走多余的气体。[/size][size=16px] （2）真空计和PID控制器要具有相应的测量和控制精度。[/size][size=16px] （3）采用上游控制模式，并需采用高速电动针阀自动和快速的调节进气流量大小。[/size][size=16px] 国内外晶体生长炉和半导体工艺的真空压力控制，普遍采用的是薄膜电容真空计，价格在一万元人民币左右的这种进口真空计，测量精度基本在0.25%左右。这种真空计完全可以实现0.5 ~ 1%的控制精度，但无法满足更高精度控制（如0.1%）中的测量要求，更高精度的真空度测量则需要采用0.05%以上精度的昂贵的薄膜电容真空计。[/size][size=16px] 同样，对于PID控制器，也需要相应的测量精度和控制精度。如对于0.25%精度的真空计，采用16位AD、12位DA和0.1%最小输出百分比的PID控制器，可以实现1%以内的控制精度，这在相关研究报告中进行过专门分析和报道。若要进行更高精度的控制，则在采用0.05%精度真空计基础上，还需采用24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比的PID控制器。[/size][size=16px] 宁波恒普公司在其官网的压力控制技术介绍中提到，采用恒普自己研发的压力传感器和控制阀门及配套的自适应算法，在绝对压力100~500Pa范围内可将国内外现有技术的±3Pa压力波动（控制精度在1%左右）提升到±0.3Pa（控制精度在0.1%左右），控制精度提高了一个数量级。我们分析认为：在绝对压力100~500Pa的低压范围内，如果不能同时满足上述的三个条件，基本不太可能实现0.1%的超高精度控制。[/size][b][size=18px][color=#339999]4. 超高精度真空压力控制技术方案[/color][/size][/b][size=16px] 对于超高精度真空压力控制解决方案，我们只关心前述条件的第二和第三点，不再涉及真空泵内容。[/size][b][color=#339999] （1）超高精度真空计的选择[/color][/b][size=16px] 目前国际上能达到0.05%测量精度的薄膜电容真空计有英福康和MKS两个品牌，如图4所示。这类超高精度的真空计都有模拟信号0~10V输出，数模转换是20位。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=04.超高精度薄膜电容真空计,550,240]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071130184466_8776_3221506_3.jpg!w690x302.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图4 超高精度0.05%薄膜电容真空计 （a）INFICON Cube CDGsci；（b）MKS AA06A[/color][/size][/b][/align][size=16px][b][color=#339999] （2）超高精度PID控制器的选择[/color][/b] 从上述真空计指标可以看出，真空计的DAC输出是20位的0~10V模拟型号，那么真空压力控制器的数据采集精度ADC至少要20位。为此，解决方案选择了目前最高精度的工业用PID控制器，如图5所示，其中24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。所选控制器具有单通道和双通道两种规格，这样可以分别用来满足不同真空度量程的控制，双通道控制器可以用来同时采集两只不同量程的真空计而分别控制进气阀和抽气阀实现真空压力全量程的覆盖控制。另外PID控制器还具有标准的RS485通讯和随机配套计算机软件。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=05.高速电动阀门和超高精度PID调节器,650,237]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071130375986_9640_3221506_3.jpg!w690x252.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图5 超高精度PID真空压力控制器和高速电动阀门[/color][/size][/b][/align][size=16px][b][color=#339999] （3）高速电动阀门选择[/color][/b] 高速电动阀门主要包括了真空用电动针阀和电动球阀，都有极小的漏率。如图5所示，其中电动针阀用于微小进气流量的快速调节，电动球阀用于大排气流量的快速调节，它们的全程开启闭合速度都小于1s，控制电压都为0~10V模拟信号。[b][color=#339999] （4）超高精度0.1%压力控制技术方案[/color][/b] 基于上述关键部件的选择，特别是针对0.1~10Torr范围内的0.1%超高精度真空压力控制，本文提出的控制系统具体技术方案如图6所示。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=06.超高精度真空压力控制系统结构示意图,600,325]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071131004546_6716_3221506_3.jpg!w690x374.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图6 超高精度真空压力控制系统结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 如前所述，在0.1~760Torr的真空压力范围内，分别采用了量程分别为10Torr和1000Torr的两只超高精度真空计，并分别对应上游和下游控制模式来进行覆盖控制，真空源为真空泵。[/size][size=16px] 在10~750Torr范围内，采用下游控制模式，即控制器的第一通道用来控制电动针阀的进气开度保持固定，第二通道用来检测真空计信号，并根据真空压力设定值自动PID调节电动球阀的开度变化实现准确控制。[/size][size=16px] 在0.1~10Torr范围内，采用上游控制模式，即控制器的第二通道用来控制电动球阀的进气开度保持固定（一般为全开），第二通道用来检测真空计信号，并根据真空压力设定值自动PID调节电动针阀的开度变化实现准确控制。[/size][size=16px] 由于电动针阀调节的是总进气流量，所以在具体工艺中需要将多种工作气体先进行混合后再流经电动针阀，而且多种工作气体通过相应的气体质量流量计（MFC）来控制各种气体所占比例，然后进入混气罐。在0.1~10Torr范围内的超高精度控制中，进气压力的稳定是个关键因素。为此，解决方案中增加了一个减压恒压罐，并采用正压控制器对混合后的气体进行减压，使恒压罐内的压力略高于一个大气压且恒定不变。[/size][size=16px] 解决方案中的超高精度PID控制器具有RS485接口并采用标准的MODBUS通讯协议，可以通过配套的计算机软件直接对控制器进行各种设置和操作运行，并显示、存储和调用各种控制参数的变化曲线，这非常便于整个工艺控制过程的调试。工艺参数和过程调试完毕后，可连接PLC上位机进行简单的编程就能与工艺设备控制软件进行集成。[/size][size=16px] 综上所述，本文设计的解决方案，结合相应的超高精度和高速的传感器、电动阀门和PID控制器，能够彻底解决超高精度且长时间的真空压力控制难题，可以满足生产工艺需要。[/size][b][size=18px][color=#339999]5. 总结[/color][/size][/b][size=16px] 晶体生长和半导体材料的生产过程往往需要较长的时间，工艺过程中的真空压力控制精度必须还要考虑长时间的控制精度，仅仅某个真空度下或短时间内达到控制精度并不能保证工艺的稳定和产品质量。[/size][size=16px] 在本文的解决方案中，特别强调了一是必须采用相应高精度和高速的传感器、执行器和控制器，二是必须采用相应的上游或下游控制方式，否则，如果仅靠复杂PID控制算法根本无法通过低精度部件实现高精度控制，特别是在温度对真空压力的非规律性严重影响下更是如此，这在太多的温度和正压控制中得到过证明，也是一个常识性概念。[/size][size=16px] 对于超高精度的真空压力控制，本文创新性的提出了稳定进气压力的技术措施，其背后的工程含义也是先粗调后细调，尽可能消除外界波动对控制精度的影响，这在长时间内都要求进行超高精度稳定控制中尤为重要。[/size][size=16px] 这里需要说明的是，实现超高精度控制的代价就是昂贵的硬件装置，如超高精度的电容真空计。尽管在高速电动阀门和超高精度PID控制器上已经取得技术突破并降低了价格，但在薄膜电容真空计方面国内基本还处于空白阶段。除非在超高精度电容真空计上的国内技术取得突破，可以使得造价大幅降低，否则将不可避免使得真空压力控制系统的成本增大很多，而目前在国内还未看到这种迹象。[/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align]

[align=center][size=16px] [img=真空热重分析仪多种气体低气压高精度控制解决方案,550,383]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311170921522574_4489_3221506_3.jpg!w690x481.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#339999][b]摘要：针对目前国内外各种真空热重分析仪普遍不具备低压压力精密控制能力，无法进行不同真空气氛环境下材料热重分析的问题，并根据用户提出的热重分析仪真空度精密控制技术改造要求，本文提出了技术改造解决方案。解决方案基于动态平衡法采用了上游和下游控制方式，通过配备的多路进气混合装置、高精度电容真空计、电控针阀和双通道PID真空压力控制器，可实现热重分析仪在10Pa~100kPa范围内多种气体气氛下的真空度精密控制。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]==========================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA）是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组分。而真空热重分析（Vac-TGA）则是在普通热重分析中增加了真空变量，允许在低至1Pa的绝对压力条件下对样品进行分析，适用于在使用中需要减压条件的客户应用。真空热重分析技术用于解决在工作中遇到低气压的专业化检测分析，Vac-TGA还可以实现更准确地观察薄膜、复合材料、环氧树脂等材料的挥发物、降解和排气等情况。[/size][size=16px] 真空热重分析仪一般都配备真空密闭的炉体和精确控制保护气和吹扫气流量的气体质量流量控制器（MFC），为TG与FTIR或[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]GC-MS[/color][/url]等联用提供了便利。密闭系统的真空度最高可达1Pa（绝对压力），一般都包括两路吹扫气和一路保护气，由此可进行各种气氛环境下的热重分析，如惰性、氧化性、还原性、静态和动态气氛环境。[/size][size=16px] 目前常见的真空热重分析仪只能实现抽真空功能，普遍无法对密闭炉体内的气体压力进行准确控制，只有最先进的磁悬浮热重分析仪具有压力控制功能，但也仅适用于大于一个大气压的高压控制，其结构如图1所示，还是无法对低于一个大气压的低压环境进行调节控制，无法提供低压环境的模拟。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=国外磁悬浮热重分析仪气体流量和压力控制系统结构示意图,450,464]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311170923427525_9766_3221506_3.jpg!w690x712.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 国外磁悬浮热重分析仪气体流量和压力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 由于现有真空热重分析仪无法提供低压环境的真空控制，客户希望能对现有V-TGA进行技术改造，增加真空度控制功能，以对高原地区低氧、低气压条件下的煤燃烧过程开展研究。[/size][size=16px] 为了彻底真空热重分析仪的真空压力精密控制问题，基于真空压力控制的动态平衡法，即通过自动调节热重分析仪的进气和排气流量，使内部气压快速达到动态平衡状态而恒定在设定真空度上，为热重分析仪提供可任意设定低气压值的精密控制，本文将提出以下技术改造实施方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 首先，根据客户要求以及今后真空热重分析仪的低压应用，本解决方案拟达到的指标如下：[/size][size=16px] （1）真空度控制范围：10Pa~100kPa（绝对压力）。[/size][size=16px] （2）真空度控制精度：±1%（读数）。[/size][size=16px] （3）气氛：真空、单一气体和多种气体混合。[/size][size=16px] 为达到上述技术指标，解决方案设计的热重分析仪真空压力控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=真空热重分析仪低气压精密控制系统结构示意图,690,329]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311170924200752_5900_3221506_3.jpg!w690x329.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 真空热重分析仪低气压精密控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图2所示，为了实现10Pa~100kPa全量程内的真空度控制，控制系统的具体内容如下：[/size][size=16px] （1）配备了两只电容真空计，量程分别是10Torr和1000Torr，精度都为读数的±0.2%。[/size][size=16px] （2）采用了动态平衡法进行控制，其中在真空度10Pa~1kPa范围内采用上游（进气端）控制模式，而在1kPa~100kPa真空度范围内采用下游（排气端）控制模式。[/size][size=16px] （3）上游控制模式：上游控制模式是固定排气流量（真空泵全开，电动针阀2固定某一开度），通过自动调节电动针阀1开度来改变进气流量，使进气流量与排气流量达到动态平衡而实现某一真空度设定值的恒定控制。实施上游控制模式的闭环控制回路包括10Torr真空计1、电动针阀1和真空压力控制器的第一通道，如图2中的蓝色虚线所示。[/size][size=16px] （4）下游控制模式：下游控制模式是固定进气流量（电动针阀1固定某一开度），通过自动调节电动针阀2开度来改变排气流量，使进气流量与排气流量达到动态平衡而实现某一真空度设定值的恒定控制。实施下游控制模式的闭环控制回路包括1000Torr真空计2、电动针阀2和真空压力控制器的第二通道，如图2中的红色虚线所示。[/size][size=16px] （5）双通道真空压力控制器：所配备的VPC2021-2真空压力控制器具有两路独立的PID控制通道，与相应的真空计和电动针阀配合可组成上游和下游控制回路。在进行上游自动控制过程中，上游控制回路进行自动PID控制，而下游控制回路设置为手动控制并设定固定输出值以使得电控针阀2的开度固定。在进行下游自动控制过程中，下游控制回路进行自动PID控制，而上游控制回路设置为手动控制并设定固定输出值以使得电控针阀1的开度固定。[/size][size=16px] （6）电动针阀：所配备的NCNV系列电动针阀是一种步进电机驱动的高速针型阀，可在一秒时间内完成从关到开的高速线性变化，具有很好的线性度和重复性精度，具有极低的磁滞，可采用模拟信号（0-10V、4-20mA）和RS485进行控制，可对小流量气体流量进行精密调节。[/size][size=16px] （7）进气装置：图2所示的控制系统进气装置可实现多种气体的精密配比混合，每种气体的流量通过气体质量流量控制器进行调节和控制，多路气体在混气罐内进行混合，混合后的气体作为进入真空热重分析仪的进气。[/size][size=16px] （8）控制精度：由于整个控制系统采用了高精度的真空计、电动针阀和PID控制器，可实现全量程的真空度精密控制，考核试验结果证明控制可轻松达到±1%读数的高精度。[/size][size=16px] （9）控制软件：双通道真空压力控制器配备有计算机控制软件，通过控制器上的RS485通讯接口，计算机可远程操作真空压力控制器实现控制运行、参数设置和过程参数的采集、存储和曲线显示。[/size][b][size=18px][color=#339999]3. 总结[/color][/size][/b][size=16px] 本解决方案彻底解决了真空热重分析仪中存在的真空度精密控制问题，在满足用户所提的真空热重分析仪技术改造要求之外，本解决方案还具有以下优势和特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案具有很强的实用性，并经过了试验考核和大量应用，按照解决方案可很快完成真空热重分析仪高精度真空压力控制系统的搭建和技术改造，无需对热重分析仪进行改动。[/size][size=16px] （2）本解决方案具有很强的适用性，通过改变其中的相关部件参数指标就可适用于不同范围和不同规格型号真空热重分析仪的真空压力控制，可满足各种真空热重分析仪的多种低气压控制需求。[/size][size=16px] （3）本解决方案可以通过增减高压气源来实现不同气体气氛环境的低压控制，也可进行多种气体混合后的低压控制，具有很大的灵活性。[/size][size=16px] （4）本解决方案还为后续的热重分析仪与其他热分析联用留有接口，如可以通过在排气端增加微小流量可变泄漏阀实现与质谱仪的联用。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[color=#990000]摘要：针对温度跟踪控制中存在热电堆信号小致使控制器温度跟踪控制精度差，以及热电阻形式的温度跟踪控制中需要额外配置惠斯特电桥进行转换的问题，本文提出相应的解决方案。解决方案的核心是采用一个多功能的超高精度PID控制器，具有24AD和16位DA，可大幅提高温差热电堆跟踪温度控制精度。同时，此PID控制器具有远程设定点功能，两个热电阻温度传感器可直接接入控制器就能实现相应的温度自动跟踪控制。由此仅通过一个超高精度PID控制器，可实现热电偶和热电阻形式的高精度温度跟踪控制。[/color][align=center][img=高精度温度跟踪控制,600,330]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051642301750_9704_3221506_3.jpg!w690x380.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size] 在一些工业领域和热分析仪器领域内，常会用到温度自动跟踪功能，以达到以下目的： （1）保证温度均匀性：如一些高精度加热炉和半导体圆晶快速热处理炉等，为实现一定空间或面积内的温度均匀，一般会采取分区加热方式，即辅助加热区的温度会自动跟踪主加热区。 （2）绝热防护：在许多热分析仪器中，如绝热量热仪、热导率测试仪和量热计等，测试模型要求绝热边界条件。这些热分析仪器往往会采取等温绝热方式手段，由此来实现比采用隔热材料的被动绝热方式更高的测量精度。 自动温度跟踪功能的使用往往意味着要实现快速和准确的温度控制，其特征是具有多个温度传感器和加热器，其中温差探测器多为电压信号输出的热电偶和电阻输出的热电阻形式。对于采用这两种温差探测器的温度跟踪控制，在具体实施过程中还存在以下两方面的问题： （1）在以热电堆为温差传感器的跟踪温度控制过程中，往往会用多只热电偶构成热电堆来放大，N对热电偶组成的热电堆会将温差信号放大N倍，但即使放大了温差信号，总的温差信号对应的输出电压也是非常小。如对于K型热电偶，1℃温差对应40uV的电压信号，若使用10对K型热电偶组成温差热电堆，则1℃温差时热电堆只有400uV的电压信号输出。对于如此小的电压值作为PID控制器的输入信号，若要实现小于0.1℃的温度跟踪控制，一般精度的PID控制器很难实现高精度，因此必须采用更高精度的PID控制器。 （2）在以热电阻测温形式的跟踪温度控制过程中，情况将更为复杂，一般是采用复杂的惠斯登电桥（wheatstonebridge）将两只热电阻温度传感器的电阻差转换为电压信号，再采用PID控制器进行跟踪控制。但这样一方面是增加额外的电桥仪表，另一方面同样要面临普通PID控制器精度不高的问题。 为此，针对上述温度跟踪控制中存在的上述问题，本文将提出相应的解决方案。解决方案的核心是采用一个多功能的超高精度PID控制器，具有24AD和16位DA，可大幅提高温差热电堆跟踪温度控制精度。同时，此PID控制器具有远程设定点功能，两个热电阻温度传感器可直接接入控制器就能实现相应的温度自动跟踪控制。由此通过一个超高精度PID控制器，可实现热电偶和热电阻形式的高精度温度跟踪控制。[b][size=18px][color=#990000]2. 解决方案[/color][/size][/b] 为了实现热电堆和热电阻两种测温形式的温度跟踪控制，解决方案需要解决两个问题： （1）高精度的PID控制器，可检测由多只热电偶组成的温差热电堆输出小信号。 （2）不使用电桥仪器，直接采用PID控制器连接两只热电阻温度传感器进行跟踪控制。 为解决温度跟踪控制中的上述两个问题，解决方案将采用VPC-2021系列多功能超高精度的PID控制器。此控制器的外观和背面接线图如图1所示。[align=center][img=,600,177]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051656426331_2008_3221506_3.jpg!w690x204.jpg[/img][/align][align=center][b][color=#990000]图1 VPC 2021系列多功能超高精度PID控制器[/color][/b][/align] 针对温度跟踪控制，VPC 2021系列多功能超高精度PID程序控制器的主要特点如下： （1）24位AD，16位DA，双精度浮点运算，最小输出百分比为0.01%。 （2）可连接模拟电压小信号，可连接各种热电偶，可连接各种铂电阻和热敏电阻温度传感器，共有多达47种输入信号形式。 （3）具备远程设定点功能，即将外部传感器信号直接作为设定点来进行自动控制。 对于由热电偶组成的热电堆温差探测器形式的温度跟踪控制，具体接线形式如图2所示。[align=center][color=#990000][b][img=温差热电堆控制器接线图,500,194]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051643371408_3010_3221506_3.jpg!w690x268.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][b][color=#990000]图2 温差热电堆控制器接线图[/color][/b][/align] 图2是典型的温差热电堆控制器接线形式，其中用了两只或多只热电偶构成的热电堆检测物体AB之间的温差，温差信号（电压）直接连接到PID控制器的主输入端，PID控制器调节物体B的加热功率，使温差信号始终保持最小（近似零），从而实现物体B的温度始终跟踪物体A。 对于由热电阻温度传感器形式构成的温度跟踪控制，具体接线形式如图3所示。这里用了控制器的远程设定点功能，这时需要物体AB上分别安装两只热电阻温度计，其中物体B上的热电阻（两线制或三线制）连接到PID控制器的主输入端作为控制传感器，物体A上的热电阻（与物体B热电阻制式保持相同）连接到PID控制器的辅助输入端作为远程设定点传感器，由此实现物体B的温度调节始终跟踪物体A的温度变化。[align=center][img=热电阻温度传感器控制器接线图,500,195]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051644317319_3570_3221506_3.jpg!w690x270.jpg[/img][/align][align=center][b][color=#990000]图3 热电阻温度传感器控制器接线图[/color][/b][/align][b][color=#990000][size=18px]3. 总结[/size][/color][/b] 高精度的温度跟踪控制一直以来都是一个技术难点，如对于热电偶组成的温差热电堆温度跟踪控制，若采用普通精度的PID控制器还有实现高精度的温度跟踪控制，通常需要增加外围辅助技术手段，一是通过增加热电偶对数来增大温差电压信号，但这种方式工程实现难度较大且带来导线漏热问题，二是采用较高品质的直流信号放大器对温差电压信号进行放大，这同时增加了控制设备的复杂程度和造价。 对于采用热电阻温度传感器进行温度跟踪控制，以往的实现方法是采用复杂的惠斯登电桥（wheatstone bridge）将两只热电阻温度传感器的电阻差转换为电压信号，这同样增加了控制设备的复杂程度和造价。 由此可见，采用VPC 2021系列多功能超高精度PID调节器，可直接与相应的温度传感器进行连接，简化了温度跟踪控制的实现难度和装置的体积，更主要的是超高精度的数据采集和控制可大幅提高温度跟踪的控制精度。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][/align]

[align=center][img=高温石英管式炉及其真空控制系统,600,391]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281102414320_6035_3221506_3.jpg!w690x450.jpg[/img][/align][size=16px][color=#990000][b]摘要：针对用户提出的高温石英管加热炉真空度控制系统的升级改造，以及10~100Torr的真空度控制范围，本文在分析现有真空控制系统造成无法准确控制所存在问题的前提下，提出了切实可行的解决方案。解决方案对原有的无PID控制功能的压强自动控制仪和慢速大口径电动蝶阀进行了更换，采用了高精度可编程PID真空压力控制器，采用了口径较小响应速度更快的电动球阀。此解决方案已在多个真空领域得到应用，并可以达到±1%的高精度控制。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 高温石英管式炉广泛用于陶瓷、冶金、电子、玻璃、化工、机械、耐火材料、新材料开发、特种材料和材等领域。石英管式炉的加热元件一般为NiCrAl电阻丝，并采用双层壳体结构，并带有风冷，使得壳体表面的温度小于70℃。保温材料采用高纯氧化铝纤维，环保节能，可以最大程度的减少热量的损失。为了进行各种气氛环境下的高温反应和研究，并避免高温产出物对加热丝的腐蚀影响，石英管式炉中普遍安装了一根高纯石英管用来作为炉膛，且石英管两端可固定金属密封法兰，从而可在石英管内形成密闭真空环境。[/size][size=16px] 最近有用户提出了对在用的石英管式炉进行技术改造，此卧式高温石英管式炉如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=需进行升级改造的高温石英管式炉及其真空控制系统,690,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281105026257_5413_3221506_3.jpg!w690x286.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 需进行改造的真空石英管式炉及其真空控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 用户对现有石英管式炉进行技术改造的内容是要实现管式炉真空度的精密控制，如图1所示，现有的真空度控制系统采用了电容薄膜真空规作为真空度传感器，传感器配套有真空显示仪进行真空度测试值显示并输出信号，压强自动控制仪接收传感器信号，然后驱动电动蝶阀进行开度变化，以实现真空度的自动控制。但此真空度控制系统在调试过程中，完全无法实现真空度的自动控制，这主要是现有真空度控制系统存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）现有真空控制系统所采用的压强自动控制仪并不具备PID控制功能，所以有时候会出现某些真空度区间无法准确控制的现象。[/size][size=16px] （2）所采用的电动蝶阀响应速度太慢，而且口径太大，很难对压强自动控制仪输出的控制信号做出快速响应，对如此小内径的石英管腔体很难进行真空度的准确控制。[/size][size=16px] 为了彻底解决现有真空度控制系统存在的上述问题，本文提出了如下技术升级改造方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 首先，按照用户要求，解决方案拟达到的技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真空度控制范围：10~100Torr（绝对压力）。[/size][size=16px] （2）真空度控制精度：读数的±%。[/size][size=16px] （3）控制功能：PID自动控制，多个设定点可编程自动控制。[/size][size=16px] 为了实现上述技改指标，本解决方案所设计的高精度真空度控制系统如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=改造升级后的真空控制系统结构示意图,690,292]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281105266047_8320_3221506_3.jpg!w690x292.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 改造升级后的真空控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 改造升级后的真空控制系统还是沿用下游控制模式，即对排气流量进行调节，同时还继续使用原有的电容真空计，但在以下几方面做出了改进：[/size][size=16px] （1）真空度测量和控制仪表的改进：解决方案中采用了超高精度VPC2021-1型真空压力控制器，其具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可直接用来接收电容真空计输出的真空度电压信号并按照真空度单位进行显示，无需再使用原有的真空显示仪。此真空压力控制器是一款超高精度的PID控制器，充分发挥了PID自动控制的强大功能，且PID参数可进行自整定，是实现真空度高精度控制的重要保证。另外，此真空压力控制器具有多个设定点编程控制功能，可按照设定折线和真空度变化速率对石英管内的真空度进行自动程序控制。[/size][size=16px] （2）排气阀门的改进：解决方案中将原有的慢速和大口径电动蝶阀更换为响应速度更快和口径更小的电动球阀，在减小排气调节口径提高阀门开度调节效率的同时，能更快的响应真空压力控制器给出的控制信号，极大减小了控制的滞后性，保证了控制的准确性。[/size][size=16px] 图3给出解决方案中真空度控制系统的接线图。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=真空控制系统接线图,600,191]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281105446783_3371_3221506_3.jpg!w690x220.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 真空度控制系统接线图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案中所配置的VPC2021-1真空压力控制器具有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，并配置了计算机软件，可通过在计算机上运行软件完成控制器的参数设置、远程控制操作、控制过程参数和曲线的显示和存储。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本解决方案将彻底解决了管式炉真空度的高精度控制问题，并具有以下特点：[/size][size=16px] （1）解决方案的下游真空度控制不受上游进气流量大小的影响，在调节的恒定进气流量下，石英管内的真空度可以自动控制在设定值上。[/size][size=16px] （2）本解决方案具有很强的灵活性，目前本解决方案所控制的是10~100Torr真空度范围，如果要进行0.1~10Torr范围的真空度控制，则通过在进气端口增加一个电动针阀，通过恒定排气流量的同时调节针阀开度，则可实现高真空度精密控制。同样，更换更大量程的真空计，还可以在石英管内实现微正压控制。[/size][size=16px] （3）本解决方案具有很强的适用性，在排气端增加真空进样装置，可将石英管加热炉内高温下产生的气体导入到质谱仪或与其他仪器联用进行产物分析。[/size][size=16px] （4）本解决方案中的真空压力控制器是一款通用性PID控制器，除了具有高精度真空压力控制功能之外，更换温度传感器和流量计后也可以用于温度和流量控制。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align]

[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=center][b][img=采用夹管阀实现无菌流体系统中的高精度压力和流量控制解决方案,690,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310181658154269_9598_3221506_3.jpg!w690x450.jpg[/img][/b][/align][size=16px][b][color=#000066][/color][color=#339999]摘要：针对卫生和无菌流体系统中柔性管路内的压力和流量控制，本文介绍了采用电控夹管阀的高精度控制解决方案。解决方案基于反馈控制原理，采用压力传感器或流量传感器进行测量并反馈给程序控制器，控制器驱动夹管阀来改变柔性管路的内径从而实现高精度控制。尽管解决方案只介绍了最基本的夹管阀闭环控制回路，但这种简单控制可以进行多种组合以适用于多种流体介质的压力流量控制。本文同时也介绍了夹管阀应用的局限性和改进方法。[/color][/b][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]=======================[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 夹管阀是一种打开或关闭流体路径，而阀体不会与流动介质接触的阀门，也就是流体管路内径的控制依赖于弹性管路外部的挤压压力。夹管阀主体内部不会接触到流体，仅有管路内部会接触流经的液体或气体，可确保流体不会受到污染，且能保持夹管阀的清洁，因此适合做为生物加工、食品工业、饮料工业、剂量系统、自动贩卖机、血液处理/分析、实验室分析、冲洗程序需无菌的生物制药等设备的阀门。与其他闸阀或活塞阀相比，使用夹管阀的主要优点是让阀体不会与腐蚀性流动介质接触，因此无论在使用寿命或卫生方面都更持久、干净。[/size][size=16px] 在夹管阀的实际应用中，往往是通过改变夹管阀挤压压力来调节软管的开度，以控制管路内[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]和[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]介质的输送流量与流速，同时也相应的改变了软管内部的背压压力。夹管阀只是作为一个调节流量和压力的执行器件，还无法进行管路内部压力和流量的闭环自动控制。[/size][size=16px] 为了采用夹管阀实现无菌流体系统中的压力和流量控制，特别是实现高精度的自动控制，本文将介绍一种闭环控制解决方案及其一些具体应用案例。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了高精度的控制流体介质管路中的压力和流量，本解决方案提出的控制系统如图1所示。解决方案设计的控制系统是一种最基本的控制结构，可以根据实际应用情况进行各种组合。[/size][size=16px] 图1所示的控制系统主要由泵、压力传感器、流量传感器、夹管阀、程序控制器和柔性管材组成，其各组件的功能如下：[/size][size=16px] （1）泵：主要用来驱动流体在柔性管路内流动，相当于一个进液源。[/size][size=16px] （2）压力传感器：测量柔性管路内流动液体的压力，并输出相应的压力测量信号。[/size][size=16px] （3）流量传感器：测量柔性管路内流动液体的流量，并输出相应的流量测量信号。[/size][size=16px] （4）夹管阀：夹管阀采用的是电控式夹管阀，可灵活调节挤压压力，对应最大可夹软管外径7mm，软管壁厚范围0.5~2mm，夹紧留隙调节为0.5~2mm。夹管阀可方便地调节运动滑块的初始位置，灵活适用不同壁厚尺寸的软管。24V直流供电，控制信号为0~5V或0-20mA。[/size][size=16px] （5）程序控制器：程序控制器采用的是VPC2021系列多功能超高精度PID真空压力程序调节器，可接入真空、压力、流量、温度和张力等47种传感器信号，具有串级控制、分程控制、比值控制等高级控制功能，具有控制程序功能和外部设定点功能，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。控制器自动计算机软件，可由计算机进行远程参数设置和运行操作。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=夹管阀流体压力和流量闭环控制系统结构示意图,600,296]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310181700229428_1520_3221506_3.jpg!w690x341.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 夹管阀流体压力和流量精密控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案中的压力和流量控制系统的工作过程是进液通过泵的驱动使流体介质在柔性管道内流动，压力或流量传感器采集相应的压力或流量信号并传输给程序控制器，控制器根据设定值进行比较后输出控制信号驱动夹管阀动作，使管路内的压力或流量准确达到设定值。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 尽管上述夹管阀具有高精度的压力和流量的控制能力和响应速度快的特点，但由于夹管阀会改变柔性管路的内径大小，使得管路内部的背压增大，而这种压力的增大必须要在软管的可承受范围之内，否则很容易造成软管的爆裂或接口爆开。因此，更安全可靠的压力和流量控制方式是不使用夹管阀，而是直接控制进液压力，通过改变进液压力来调节管路内的介质压力和流量。这种进液压力调节有以下三种控制方式：[/size][size=16px] （1）采用转速可调节式泵来改变进液压压力。[/size][size=16px] （2）采用注射泵来改变进液压力和流速。[/size][size=16px] （3）采用进液容器顶部气压控制方式的压力控制器，同时连接外部压力或流量传感器形成闭环控制回路，以改变液池顶部加载压力实现压力和流量的自动控制。[/size][size=16px] 上述的三种控制方式中，顶部气压控制方式的技术优势最为明显，同样可以实现高精度的压力和流量控制，特别是可以应用到微小流量的快速和超高精度控制。[/size][size=16px] 另外，对于微流控芯片技术中所用的微小流量控制，往往会使用到小于1mm的很细软管，这些微细软管内的压力和流量控制则可能不太适合采用夹管阀，这时更适合采用注射泵或压力控制器形式。[/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]

[color=#ff0000]摘要：针对客户调压铸造炉对真空压力控制系统的技术要求，本文介绍了相应的解决方案和验证试验。方案的技术核心是基于高速动态平衡法，采用大流量压力控制装置，与传感器和真空压力控制器组成PID闭环控制回路，其特点是可快速实现设定压力控制，且可节省工作气体。此解决方案可以推广应用在其他形式的反重力铸造设备的真空压力控制系统。[/color][align=center][img=反重力合金铸造工艺中的高精度快速压力调节解决方案,600,294]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212301609202703_8417_3221506_3.jpg!w690x339.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#ff0000]1. 项目概述和技术要求[/color][/size][/b] 反重力铸造是以外部作用力驱动金属液，使其沿反重力方向进入型腔并完成充型和补缩的铸造方法。反重力铸造根据原理可以分为真空吸铸、低压铸造、差压铸造和调压铸造。调压铸造作为反重力铸造方法之一，其设备最为复杂，但功能最强大。其充型稳定性、充型能力和顺序凝固条件均优于其他反重力铸造，可铸造壁厚更薄，棒径更小且力学性能更好的大型薄壁件和棒状铸件。造成该设备复杂的主要原因是其不仅能实现正压控制，还能够实现负压控制，要求具有准确的真空压力测量和控制装置。 目前有客户设计了一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，如图1所示，要求我们配套相应的真空压力控制系统，真空压力控制系统的具体工作流程如下：[align=center][color=#ff0000][b][img=调压铸造炉,500,481]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212301613183177_4714_3221506_3.jpg!w690x664.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][color=#ff0000][b]图1 用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉[/b][/color][/align] （1）物料甜装完毕合炉后，启动机械泵抽真空至0.1Pa量级时启动分子泵。 （2）真空度达到5×10-3Pa以上后开启加热工序。 （3）熔炼温度到达1450℃时，关闭抽真空系统，控制压力控制系统进行充氩气，使压力在4s内上升至0.25MPa。 由此确定的真空压力控制指标为： （1）真空压力范围： 5×10[sup]?-3[/sup][sup]?[/sup]Pa ~ 0.25MPa。 （2）压力控制：4s内达到0.25MPa。 （3）压力恒定精度：优于±2%。 针对上述调压铸造炉对真空压力控制系统的技术要求，本文将介绍相应的解决方案。解决方案的技术核心是采用大流量气体压力控制装置，与压力传感器和真空压力控制器组成PID闭环控制回路，其特点是所采用的高速动态平衡法不仅可以快速实现设定压力控制，而且还节省工作气体。此解决方案可以推广应用在其他形式的反重力铸造设备的真空压力控制系统。[b][size=18px][color=#ff0000]2. 解决方案[/color][/size][/b] 本文提出的解决方案如图2所示，其结构非常简单，但功能强大。[align=center][b][color=#ff0000][img=调压铸造炉压力控制系统示意图,690,367]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212301613496290_7813_3221506_3.jpg!w690x367.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#ff0000]图2 反重力调压铸造炉正压压力控制装置方案示意图[/color][/b][/align] 图2所示的解决方案具有以下几方面的功能和特点： （1）压力传感器尽可能被安装在靠近铸造炉，以更准确的测量铸造炉内的压力变化。 （2）解决方案采用了先导阀驱动结构，即采用同样的先导阀可以驱动不同流量的背压阀，这样可根据不同铸造炉腔体大小选择合适的背压阀，满足不同反重力铸造设备中高速和准确的压力控制要求。 （3）采用上述方案，可以满足所有反重力铸造设备中的压力控制要求，最关键的是可以在正压控制过程中达到很高的速度，可以在几秒内达到设定正压压力值并保持稳定。 （4）此解决方案的另外一个特点是节省工作气体，整个正压压力控制过程中除所需的充气量之外，只泄露很少气体就可以达到设定压力并保持恒定，非常适合高价值惰性气体工作环境。 （5）解决方案采用了功能强大的超高精度真空压力控制器，针对反重力铸造中的升液阶段、充型阶段、结壳增压阶段、结壳保压阶段、结晶增压阶段、结晶保压阶段等不同的压力变化过程，可进行复杂的设定程序控制，并可同时存储多条工艺压力控制程序曲线以供调用。真空压力控制器带标准的MODBUS通讯协议，可方便的与上位机连接和组网控制。 （6）此解决方案结构简单且压力控制精度高，非常适用于大工件的多位并联加压铸造中的多点压力同步控制，避免形成不合理的压差。 （7）此解决方案具有很强的扩展性，如可以通过连接液面位置传感器等来更精密的控制铸造工艺压力变化。[b][size=18px][color=#ff0000]3. 高速压力控制考核验证[/color][/size][/b] 在反重力铸造工艺中，压力的高速是一个技术难点。为此，我们对上述解决方案中的压力控制速度进行了考核试验，试验装置如图3所示。[align=center][color=#ff0000][b][img=03.考核试验装置,690,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212301614138907_9684_3221506_3.jpg!w690x354.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][color=#ff0000][b]图3 正压压力响应速度考核试验装置[/b][/color][/align] 考核试验装置完全按照图2所示结构进行搭建，其中的铸造炉用一个三通管件进行模拟，整个考核装置的实验目的是验证解决方案能否在极快的速度内实现设定压力控制。 为了实时检测压力变化，在考试试验装置中的压力传感器上还连接了一个高精度的数据采集器，用了50ms的采样速率进行数据采集，数据采集器连接计算机，计算机通过采集软件获得压力随时间的变化曲线，由此来观察压力控制的快速响应细节。 在图3所示考核试验装置上，我们采用人工设定的方法对真空压力控制器输入设定值，由控制器完成压力调节和控制，由此来对一系列设定压力值进行了定点控制试验，并还分别进行了升压和降压过程的试验，结果如图4所示。[align=center][color=#ff0000][b][img=压力控制考核试验结果,550,282]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212301614415521_363_3221506_3.jpg!w690x354.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][color=#ff0000][b]图4 正压压力响应速度考核试验结果[/b][/color][/align] 为了量化压力控制速度和控制精度，将试验结果中的任选一个压力点的控制结果进行单独显示，如图5所示。从图5所示的结果可以看出，压力从1.8Bar 升到2.6 Bar用时不到1秒，达到±1%以内的控制稳定性则用时不到1.5秒，而在2秒之后可以达到±0.5%的控制稳定性。其他压力设定点的控制结果基本都相差无几，证明了此方案完全可以达到快速准确的压力控制。[align=center][b][color=#ff0000][img=单点压力控制结果,550,283]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212301615304911_3569_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#ff0000]图5 设定值0.26MPa时的压力控制结果[/color][/b][/align][b][size=18px][color=#ff0000]4. 结论[/color][/size][/b] 针对反重力铸造工艺中的压力控制，本文提出的压力控制解决方案可实现高速和高精度的压力控制，可在几秒的时间内实现±1%以内的控制精度，完全能够满足客户对压力高速控制的技术要求。同时，整个解决方案非常简单但功能强大和极易拓展应用，完全能满足目前各种精密反重力铸造工艺中对压力准确控制的要求，特别是适用于大尺寸工件反重力铸造中多个溶体保温炉的同步压力控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]温度控制系统简述[/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体]概述[/font][/align][font=宋体]温度控制的准确和可靠，对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]分析结果的可靠性而言至关重要。尤其是环境分析、生命科学、食品安全、石化分析、电子工业等样品较为复杂、分析方法较为复杂或者分析要求较高的领域，样品分析保留时间重现性的要求较高，对色谱系统温度的要求也比较高。本文简述色谱温度控制系统的基本原理和参与温度控制的主要元器件。[/font][align=center][font=宋体]简述[/font][/align][font=宋体]随着社会科技进步，分析工作者面临着日益增多的分析要求较高的工作，例如食品安全、环境分析、石化分析等方面存在较多复杂样品，一般对组分保留时间的重复性有较高的要求，这就要求[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]有更好的温度控制系统。[/font][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的温度控制系统属于典型的反馈控制系统，控制装置对目标部件的温度施加的控制作用，是取自目标部件温度的反馈信息，用来不断修正设定温度与实际温度之间的偏差，从而实现目标部件的控制任务，温度系统的结构如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][img=,503,129]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300836001297_3118_1604036_3.jpg!w690x176.jpg[/img][font=宋体] [/font][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]温度控制系统框图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]以[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]柱温箱为例对控制系统的工作过程予以说明，在分析工作过程中，如果柱温箱的实际温度发生异常扰动，温度传感器将测定温度值反馈给比较点，温度控制系统将设置温度与测定温度的偏差[/font][font=Times New Roman]e[/font][font=宋体]发送给温度控制器，温度控制器向执行器发出对应的指令——调节加热功率和冷却部件，执行器接受指令使柱温箱温度恢复为设定值。[/font][/font][align=center][font=宋体]温度控制系统元器件组成[/font][/align][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]温度控制元器件组成如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示，被控部件（柱温箱、进样口、检测器或者其他部件）内安装的温度传感器测定其实际温度传送给控制器，控制器调节执行器（包括加热器和冷却器）的工作，使加热器释放的热量与被控部件耗散热量（包括部件自身耗散热量和冷却器消耗热量）达到平衡，被控部件的温度即可达到稳定状态。[/font][/font][align=center][img=,323,158]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300836089450_6453_1604036_3.jpg!w690x338.jpg[/img][font=Calibri] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Calibri]2 [/font][font=宋体]温度控制系统元件示意图[/font][/font][/align][font=宋体][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]温度传感器[/font][/font][font=宋体]常用的温度传感器为铂电阻、热敏电阻和热电偶。温度传感器可以及时准确的测定被控部件的温度反馈给控制器。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]执行器[/font][/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]通常使用加热器、柱箱风扇、冷却组件、冷却风扇、液氮或液体二氧化碳控制器作为温度执行器。[/font][font=宋体]加热器一般选用加热丝、加热棒等电阻式加热器为进样口、色谱柱、检测器或者其他部件提供加热源，以升高各部件温度。[/font][font=宋体]柱箱一般采用流动空气浴方式加热，柱箱风扇可以使柱箱内温度分布更加均匀，并加快柱箱升温降温速度。[/font][font=宋体]柱箱冷却组件包括柱箱后开门、后开门控制电机、风道、辅助降温风扇以及液氮、液体二氧化碳等部件，以降低柱温箱温度。[/font][font=宋体]某些特殊场合下，某些形式的进样口带有冷却风扇、液氮、液体二氧化碳部件降低进样口温度。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]控制器[/font][/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]温度控制器通常情况下由晶闸管之类的电器元件和控制线路组成。色谱系统工作时，由控制器协调加热器和冷却器工作，以获得稳定温度。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]4 [/font][font=宋体]其他部件[/font][/font][font=宋体]保护器（温度熔断器、热电偶或温度开关），当温度控制出现严重故障时，迅速切换系统加热。[/font][align=center][font=宋体]温度控制系统的需要注意的问题[/font][/align][font=宋体][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]控制系统的时间常数[/font][/font][font=宋体]温度控制系统稳定工作需要传感器与执行器之间的响应时间配合良好，否则将会出现温度震荡的现象。色谱柱温箱要求控制系统响应速度较快，以满足高精度、高速度温度控制要求。一般需要选择响应速度快的薄膜铂电阻符合高速度的控制器工作要求。而检测器、进样口或者其他金属基体的部件，一般需要系统响应时间不要过快。[/font][font=宋体]以进样口为例，常见的进样口使用金属块作为基体，当温度传感器测量到进样口温度低于设定值，控制器发出指令使加热器提高加热功率提高进样口温度。但是进样口温度升高到设定值并不能瞬间完成，即进样口接收到加热指令直至温度上升到设定值之间需要一定的时间差异，如果系统控制时间常数过短，在此期间控制器仍旧发出加热指令，那么进样口温度就会较多超出设定值，降温过程也同样会存在此问题。色谱工作者就会观察到加样口温度在设定值附近发生震荡。[/font][font=宋体]进样口一般使用装配式铂电阻，感知温度也存在一定延迟，与金属块升温延迟都是进样口温度时间常数的重要组成部分，温控系统必须设定有良好的控制信号时间延迟。[/font][font=宋体]也就是说，对于进样口此类的加热惯性较大的部件，当温度控制系统检测到进样口温度发生偏差时，并非迅速给出加热或降温指令，而是首先延迟一段时间，然后再进行调节。[/font][font=宋体]柱温箱系统的加热惯性较小，温控系统需要较短的时间常数。[/font][font=宋体]温度控制不稳定，从而干扰色谱图基线和待测组分的保留时间，比较典型的结果是正弦波状态的基线。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]故障和保护[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]小结[/font][/align][font=宋体]简述[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]温度系统的基本原理和常用元器件功能。[/font]

[color=#990000]摘要：针对低温恒温器中低温介质温度的高精度控制，本文主要介绍了低温介质减压控温方法以及气压控制精度对低温温度稳定性的影响，详细介绍了低温介质顶部气压高精度控制的电阻加热、流量控制和压力控制三种模式，以及相应的具体实施方案和细节。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=left][size=18px][color=#990000]1. 引言[/color][/size][/align] 在低温恒温器中，低温介质（液氦和液氮等）温度波动产生的主要原因是沸腾的低温介质顶部气压（真空度）的变化。因此，为了实现低温介质内部的温度稳定，就需要对低温介质顶部的气压进行准确控制。 国内外针对低温恒温器的温度控制大多采用以下三种技术途径： （1）主动控制方式：在浸没于低温介质的真空腔里直接引入加热电路，利用温度计对真空腔温度的实时监测数据，与目标温度值进行比较后来控制加入到加热电路中的电流。 （2）被动控制方式：对低温介质顶部气压进行控制，使低温介质温度稳定。 （3）复合控制方式：复合了上述两种控制方式，在浸没于低温介质的真空腔里直接引入加热控制电路之外，还同时对低温介质上部的气压进行控制。 电阻加热控温方式已经是一种非常成熟的技术，本文将主要针对低温介质顶部气压控制方式，介绍气压控制精度对低温温度稳定性的影响，以及高精度气压控制的实现途径和具体方案。[align=center][img=真空度控制,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112080959307199_6660_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 液氦饱和蒸气压与温度关系曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]2. 气压控制精度与温度稳定性关系[/color][/size] 以液氦为例，液氦的饱和蒸汽压与对应温度变化曲线如图1所示。 由图1可以看出，在很小的温度范围内，上述曲线可以用直线段来描述，所以可以得到4K左右的温度范围内，气压大约100Pa的波动可引起1mK左右的温度波动。由此可以认为，如果要实现1mK以下的波动，气压波动不能超过100Pa。[size=18px][color=#990000]3. 顶部气压控制的三种模式[/color][/size] 低温介质顶部气压控制一般采用三种模式：电阻加热、流量控制和压力控制。[size=16px][color=#990000]3.1 电阻加热模式[/color][/size] 在低温恒温器的恒温控制过程中，电阻加热模式是在低温介质中放置一电阻丝加热器，如图2所示，真空计检测顶部气压变化，通过PID控制器改变加热电流大小来调节和控制顶部气压，将顶部气压恒定在设定值上。从图2可以看出，电阻加热模式比较适合增加顶部气压的升温控温方式，但无法实现减压降温。[align=center][color=#990000][img=真空度控制,690,569]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112081000054776_8294_3384_3.png!w690x569.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 电阻加热模式示意图[/color][/align][size=16px][color=#990000]3.2 流量控制模式[/color][/size] 流量控制模式是一种典型的减压降温模式，如图3所示，真空泵按照一定抽速连续抽取低温恒温器来降低顶部气压，真空计、电动针阀和PID控制器构成闭环控制回路，通过电动针阀调节抽气流量使顶部气压准确恒定在设定真空度上。由此可见，流量控制模式比较适合降低顶部气压的降温控温方式，但无法实现增压升温。[align=center][color=#990000][img=真空度控制,690,504]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112081000399321_2525_3384_3.png!w690x504.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 流量控制模式示意图[/color][/align] 另外流量控制模式中，真空泵的连续抽气使得低温介质的无效耗散比较严重。[size=16px][color=#990000]3.3 压力控制模式[/color][/size] 压力控制模式是一种即可增压也可减压的控温模式，如图4所示，当采用真空泵抽气时为减压模式，当采用增压泵时为增压模式，由此可实现宽温区内温度的连续控制。所采用的调压器自带一路进气口（大气压），结合真空泵在对顶部气压进行恒压控制的同时，可有效避免低温介质的大量无效耗散。[align=center][color=#990000][img=真空度控制,690,518]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112081000533816_3012_3384_3.png!w690x518.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 压力控制模式示意图[/color][/align] 另外，这里的增压方式也可以采用低温介质中增加电加热器来实现。[size=18px][color=#990000]4. 其他实施细节[/color][/size] 在上述三种控制模式实施过程中，还需特别注意以下细节： （1）真空计的选择 真空计是测量顶部气压变化的传感器，是决定低温恒温器温度控制稳定性的关键，所以一定要选择高精度真空计。 目前高精度真空计一般为电容薄膜规，一般整体精度为0.2%。 如前所述，在液氦4K左右的恒温控制过程中，要求气压波动不超过100Pa，及±50Pa，如果对应于100kPa的气压控制，则真空计的精度要求需要高于±0.05%。由此可见，对于温度波动小于1mK的恒温控制，还需要更高精度的真空计。 （2）PID控制器的选择 在恒温控制过程中，PID控制器通过A/D转换器采集真空计的测量值，计算后再将控制信号通过D/A转换器发送给执行器（电动针阀、调压器和加热电源等）。为此，要保证能充分发挥真空计的高精度和控制的准确性，需要A/D和D/A转换器的精度越高越好，至少要16位，强烈建议选择24位高精度的PID控制器。 （3）调压器的配置 调压器是一种集成了真空压力传感器、控制器和阀门的压力控制装置，但真空压力传感器的精度远不如电容薄膜规，控制器精度也比较低。为此在使用调压器时，要选择外置控制模式，即采用电容薄膜规作为控制传感器。 另外，需要特别注意的是，调压器中控制器的A/D和D/A转换器精度较低，因此对于高精度和高稳定性的顶部气压控制而言，不建议采用控压模式，除非采用特殊订制的高精度调压器。[hr/]

[size=16px][color=#339999]摘要：电化学热电池（electrochemical thermcells）作为用于低品质热源的热电转换技术，是目前可穿戴电子产品的研究热点之一，使用中要求具有一定的温差环境。电化学热电池相应的性能测试就对温度和温差形成提出很高要求，特别是要求温度控制仪器具有高控制精度、可编程控制、周期交变控制、通讯和随机软件功能。本文介绍了新型超高精度具有多功能的PID控制仪，并详细描述了电化学热电池特性测试中的温度控制系统结构。[/color][/size][align=center][size=16px][img=电化学热电池性能测试中的TEC半导体制冷片温度控制解决方案,600,379]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171026207841_631_3221506_3.jpg!w690x436.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 温差发电在固体材料与半导体材料的发展上均比较成熟，而近年出现了一种新型的电化学热电池（electrochemical thermcells）拥有更高的塞贝克系数，同时成本较低、能够适应复杂热源表面，因而具有一定的应用前景，成为当前研究的热点方向之一。如图1所示，这种电化学热电池的基本原理是利用电化学体系中的赛贝克效应，将冷热电极之间的温差直接转化为电势差而产生发电效果，因此温差环境是使用和测试评价电化学电池的必要条件。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.电化学热电池原理图,450,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171027053355_4631_3221506_3.jpg!w690x608.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 电化学热电池基本原理[/b][/color][/size][/align][size=16px] 电化学热电池中的电解质、材料和电极受温度的影响，以及整个热电池的相关性能测试评价，对测试过程中的温差形成有十分复杂的要求，具体内容如下：[/size][size=16px] （1）热电池的两个冷热端电极要处于不同温度以形成温差，两个电极温度要具有一定的变化范围以便在不同电极温度和不同温差条件下测试评价热电池的各种性能。[/size][size=16px] （2）对于冷端温度，可采用TEC半导体制冷片进行调节和控制，但热端温度普遍较高，采用制冷片无法实现高温加热，需采用电阻等加热。[/size][size=16px] （3）在热电池性能测试过程中，需要在冷热电极处实现台阶式或周期交变式可编程温度变化。这样一方面是能够测试不同电极温度和不同温差下的热电池性能，得到热电池最佳工作状态时的温度和温差条件，另一方面是测试考核热电池的疲劳衰减特性。[/size][size=16px] （4）新型的电化学热电池往往很薄，如各种可穿戴电子产品用热电池。在实际应用中，这类薄片或薄膜状热电池上形成的温差很小，这就要求热电池性能测量装置需要具备在冷热电极之间提供小温差的能力。[/size][size=16px] 根据上述要求可以看出，一旦电化学热电池形状确定，热电池性能测试装置的结构也基本确定，而测试装置中温度控制的关键是确定合理的加热方式和温控仪表。[/size][size=16px] 对于加热形式，采用电阻加热和TEC半导体制冷片两种形式，可满足绝大多数电化学热电池在任意温度和温差范围内的测试需要，对于温度不高的测试，可仅使用TEC半导体制冷片进行温度控制。电阻加热用于热电极处的高温加热，温度范围为50~150℃以上。TEC半导体制冷片加热用于冷电极处的低温加热和冷却，温度范围为-10~60℃。[/size][size=16px] 对于温控仪表，满足上述温度控制要求的控温仪表需具备以下功能：[/size][size=16px] （1）可对电阻加热和TEC半导体制冷片分别进行控制。[/size][size=16px] （2）可编程控制功能，可控制温度按照编程设定的温度折线进行变化。[/size][size=16px] （3）交变温度控制功能，可控制温度按照设定周期和幅度进行交替变化。[/size][size=16px] （4）带PID自整定功能，避免繁琐的人工调整PID参数，并可存储和调用多组PID参数。[/size][size=16px] （5）测量和控温精度高，特别是要满足薄膜热电池的温差控制，控温精度要达到0.01℃。[/size][size=16px] （6）带通讯功能可与上位机连接，由上位机进行设置、编程、控制运行、显示和存储。[/size][size=16px] （7）带计算机软件，无需编程，可通过计算机进行设置、编程、控制运行、显示和存储。[/size][size=16px] 从上述功能要求中可以看出，电化学热电池性能测试中对温度和温差形成的要求很高，特别是要求温控仪表具有高控制精度、可编程控制、周期交变控制、通讯和随机软件功能，而这些很多都是目前电化学热电池性能测试用控温仪无法具备的功能。为此，本文介绍了新型超高精度具有多功能的PID控制仪，并详细描述了电化学热电池特性测试中的温度控制系统结构。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案设计的温控系统典型结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.电化学热电池性能测试温控系统结构示意图,690,343]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171027488618_9875_3221506_3.jpg!w690x343.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 电化学热电池性能测试温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示的解决方案示意图包含了电化学热电池性能测量装置和温度控制系统两部分。其中的电化学热电池测量装置示出的是对块状、板状或薄膜状热电池的测试结构，电极分别贴服在热电池的顶部和底部，顶部的阴极电极处通过TEC半导体制冷片进行低温控制形成冷电极，底部的阳极电极处通过电阻加热方式（电热膜和电热块）进行高温控制形成热电极，由此在热电池上下两端形成所需温差。需要说明的是，解决方案在冷电极处选择TEC半导体制冷片的主要目的是为了实现高精度的温度控制，这在测试评价薄膜式可穿戴用热电池中实现高精度小温差时非常重要。在热电极出选择电阻加热方式主要是为了满足更高温度的大温差测试需要。[/size][size=16px] 由于半导体制冷片和电阻加热是两种完全不同的发热制冷原理，它们的温度控制方式也完全不同，因此图2所示解决方案设计了两个独立的温控回路，两个温控回路采用的是相同的超高精度PID控制器VPC2021-1。选择使用VPC202-1这种PID控制器，是出于多功能和超高精度的考虑，此控制器可以满足前面所述的对温度控制器的所有要求。[/size][size=16px] 在TEC半导体制冷片温控回路中，使用了VPC2021双向控制功能，通过采集温度传感器信号与设定温度进行比较后，驱动双向电源对TEC制冷片进行加热或制冷控制，由此实现高精度的温度控制。[/size][size=16px] 在电阻加热温控回路中，使用了VPC2021基本的温度控制功能，通过采集温度传感器信号与设定温度进行比较后，驱动固态继电器进行加热，由此实现高精度的温度控制。这里需要注意的是，如果要在电阻加热中实现较高精度的温度控制，除了采用高精度的温度传感器（如铂电阻或热敏电阻）之外，还需要与相应的冷源配合以减小热惯性，如在电阻发热体下面配备冷却装置以便能够形成快速散热。如果是测量薄膜热电池，则无需这些考虑，只需在电阻发热体下面增加绝热层即可，因为热电池和电阻加热膜厚度很小，热惯性自然也小，冷电极的低温可以对热电极进行快速散热，有利于热电极处的温度高精度控制。[/size][size=16px] 为了实现热电池的温度交变试验，解决方案采用了VPC2021控制器的高级功能：远程设定点功能，即在辅助输入通道上接入外部信号发生器以生成各种周期性波形信号作为交变设定值，由此可控制热电极温度按照此设定波形进行周期性变化，从而形成交变温差。如图2所示，此远程设定点功能的选择可以通过一个外置开关进行选择，实现正常控温和交变控温之间的切换。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案，可以满足绝大多数电化学热电池性能测试中的温差环境控制需要，为测试评价热电池性能和优化使用条件提供了便利的试验和考核手段。[/size][size=16px] 更重要的是高精度PID控制器配备了相应的计算机软件，采用了具有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，与计算机一起可以组成独立的测控系统，通过计算机可方便的对PID控制器进行远程操控，设置控制器的各种参数，采集、存储和曲线形式显示PID控制器的过程参数，无需再进行任何编程即可进行测试试验，非常适应于实验室研究试验。[/size][size=16px] 此解决方案的另外一个特点是具有很强的灵活性和拓展性，可通过外置不同传感器和信号发生器实现多种物理量和波形的准确控制，更可连接上位机直接与中央控制器进行集成，与整个设备形成很好的配套。[/size][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#ff0000]摘要：针对目前张力控制器中普遍存在测量控制精度较差和无法实现串级控制这类高级复杂控制的问题，本文介绍了具有超高精度和多功能的新一代张力控制器。这种新一代张力控制器具有24位AD模数转换、16位DA数模转换、双精度浮点运算和0.01%的最小输出百分比，同时还就有远程设定点和变送输出功能，可方便的实现两个参量的串级控制，并可进行手动和自动控制的开关切换，极大提高了张力控制的精密度，更是适合一些特殊应用中的微张力控制，甚至可以进行张力设定程序曲线的精确控制。[/color][/size][align=center][size=16px][img=微张力控制,650,272]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304110946105710_7747_3221506_3.jpg!w690x289.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#ff0000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 张力控制是一种对在两个加工设备之间作连续运动或静止的被加工材料所受的张力进行自动控制的技术。在各种连续生产线上，各种带材、线材、型材及其再制品，在轧制、拉拔、压花、涂层、印染、清洗以及卷绕等工序中常需要进行张力控制。[/size][size=16px] 张力控制中所用到的张力控制器是一种由单片机或者一些嵌入式器件及外围电路开发而成的系统，主要由A/D和D/A转换器以及高性能单片机等组成。在张力控制过程中，首先直接设定要求控制的张力值，让张力传感器采集的信号（一般为毫伏级别）作为张力反馈值，比较两者的偏差后，经内部智能PID运算处理后，调节执行机构，自动控制材料的放卷、中间引导及收卷的张力，达到系统响应最快的目的。目前的张力控制器普遍还存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）测量精度较低：普遍采用12位AD模数转换器，个别国外产品用了16位AD模数转换器，对于一些高精度的张力传感器输出显然无法准确测量，测量精度无法满足高精度控制要求。[/size][size=16px] （2）控制输出精度较差：普遍采用12位DA数模转换器，个别国外产品用了14位DA数模转换器，对于一些高精度的张力控制无能为力。[/size][size=16px] （3）浮点运算精度较低：目前市场上商品化张力控制器的PID运算基本都是采用单浮点方式进行，运算精度较低，输出百分比的最小调节量只有0.1%，无法进行超高精度的张力控制。[/size][size=16px] （4）传感器输入信号类型少：在各种张力控制中会采用到多种不同的传感器，如超声波探头，浮辊，电位器和激光等，这些不同传感器所输出的信号类型和量程有多种形式，但目前绝大多数张力控制器的输入型号类型非常有限，且不能方便的进行测量范围调整。[/size][size=16px] （5）功能简单：绝大多数张力控制器只能进行单变量的控制，如收放卷的扭矩控制，过程张力中的速度控制以及浮辊张力控制，但只能选择其中的一种控制参数，缺乏两个参数同时控制的功能，无法采用更高级的控制形式——串级控制来更好实现准确的张力调节。[/size][size=16px] （6）PID参数无法自整定：在有些张力控制过程中，需要准确无超调的PID控制，快速且自动的选择合适的PID参数则显着尤为重要，而目前大多张力控制器缺乏这种PID参数自整定功能。[/size][size=16px] 针对目前张力控制器中普遍存在的问题，特别是为了实现超高精度张力控制，本文将详细介绍超高精度工业用PID调节器及其在超高精度张力控制过程中的应用，特别还介绍了串级控制功能的具体应用。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]2. 超高精度PID控制器[/b][/color][/size][size=16px] VPC-2021系列PID调节器是一种标准形式的工业用控制器，有单通道和双通道两个系列，具有96×96mm、96×48mm 和48×96mm三种尺寸规格，如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][b][img=01.超高精度PID控制器系列,650,223]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304110948313448_487_3221506_3.jpg!w690x237.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图1 VPC2021系列超高精度PID控制器[/b][/color][/size][/align][size=16px] VPC2021系列PID控制器的最大优点是具有超高精度检测和控制能力，具有24位AD模数转换、16位DA数模转换和双精度浮点运算能力，0.01%的最小输出百分比。主要技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真彩色IPS TFT长寿命LED背光、全视角液晶显示。[/size][size=16px] （2）独立的单回路和双回路控制，每个通道控制输出刷新率50ms，独立的PID控制功能，每个通道都可进行独立的手动和自动控制切换。[/size][size=16px] （3）万能型信号检测能力，即每通道都具备47种输入信号形式，仅需通过设置即可完成信号类型和量程选择，由此可满足各种规格和形式的张力探测器的引入。除了能测量各种张力传感器、位置传感器给出的模拟电压、电流和电阻信号之外，还可以测量各种温度传感器和压力传感器等各种信号，传感器输出端直接接入控制器并在控制器上进行选择即可使用。[/size][size=16px] （4）单、双通道独立控制输出，输出信号有线性电流、线性电压、继电器输出、固态继电器输出和可控硅输出五种形式，可用于直接驱动电气比例阀（或电子压力转换器）进行张力控制，也可以驱动各种阀门和加热器等执行机构进行真空度、压力和温度等参数的控制。[/size][size=16px] （5）具有远程设定点、变送和正反向控制功能，使得串级控制和分程控制成为可能。[/size][size=16px] （6）采用自主改进型PID算法，支持对PV微分和无超调控制算法。5组PID存储和调用，10组输出限幅等实用功能 。每个通道采用独立的PID参数 ， 且可独立的进行PID参数自整定。[/size][size=16px] （7）支持数字和模拟远程 操 作 功 能，支持标准MODBUS RTU通讯协议。[/size][size=16px] （8）带传感器馈电供电功能（24V，50mA）。[/size][size=16px] （9）支持一路过程变量变送功能，变送的过程变量可选PV测量值、SV设定值、控制输出值和偏差值，变送输出类型有4-20mA, 0-10mA, 0-20mA, 0-10V, 2-10V, 0-5V, 1-5V七种。[/size][size=16px] （10）两组开关量光隔输入端，可以实现各种应用功能的灵活应用切换。[/size][size=16px] （11）随机配备强大的控制软件，可通过软件进行控制参数设置、运行控制、过程曲线显示和存储，非常便于过程控制的调试。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]3. 串级控制在张力控制中的应用[/b][/color][/size][size=16px] 在典型的张力控制中多采用PID控制方式，由人工设定所需运行张力。设定值与张力传感器测量值进行比较计算后，PID控制器调节执行机构实现张力的稳定输出。典型张力控制器结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][b][img=02.典型单参数张力PID控制结构示意图,450,119]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304110949423425_329_3221506_3.jpg!w690x183.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图2 典型单参数张力控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示的采用单参数进行张力控制的方法在很多实际应用中并不能满足需要，往往需要引入第二个参数进行控制，由此需要PID串级控制方式，其结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][b][img=03.双参数串级控制PID张力控制结构示意图,600,165]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304110950250802_7112_3221506_3.jpg!w690x190.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图3 双参数串级控制PID张力控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图3所示的串级控制系统中包含了主和次两个闭环控制回路：[/size][size=16px] （1）次控制回路包括传感器1、执行机构和次PID控制器，其中将进入外围执行机构膜的参量作为次回路的控制参数。[/size][size=16px] （2）主控制回路则包括了传感器2、次控制回路、外围执行机构和主PID控制器，其中将外围执行机构的产出参数作为主回路的控制参数。[/size][size=16px] 由此可见，串级控制的核心是解决主PID控制器输出和次PID控制器的输入问题，采用一般的工业用PID控制器很难实现上述复杂的功能，如果采用PLC控制也需要复杂编程和相应硬件支持。为此，本解决方案采用了两台标准化的，且高精度多功能的PID控制器（VPC2021-1系列），具体接线如图4所示。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][b][img=04.串级控制系统PID调节器接线示意图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304110950400632_8989_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图4 串级控制系统PID调节器接线示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图4所示，具有变送功能的主PID控制器，在主输入端口接收传感器2测量信号，然后根据所设置的固定值进行PID自动控制，相应的控制输出信号（输出值或偏差值）经过变送转换为4~20mA, 0~10mA, 0~20mA, 0~10V, 2~10V, 0~5V和1~5V七种模拟信号中的任选一种，并传送给次PID控制器的次输入端。[/size][size=16px] 具有远程设定点功能的次PID控制器，在次输入端口接收主PID控制器的变送信号作为变化的设定值，然后根据主输入端口接收到的传感器信号，进行PID自动控制，控制信号经主输出端口连接执行机构，对外部执行机构进行自动调节。[/size][size=16px] 需要注意的是，如果主PID控制器输出的控制信号能被次PID控制器次输入通道接收，且输入信号类型和量程与主输入通道接入的传感器一致，也可采用普通PID控制器作为主控制器。[/size][size=16px] 另外，从图4可以看出，由于VPC2021-1单通道PID控制器具有远程设定点功能，由此就可以很容易实现外部手动张力调节，而只需增加一个旋转电位器即可。手动调节接线如图5所示。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][b][img=05.串级控制系统PID调节器手动和自动切换接线示意图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304110950566532_2083_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图5 串级控制系统PID调节器手动和自动切换接线示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图5所示，通过主PID控制器上连接的纽子开关，可以实现手动和自动功能切换。当切换到手动控制时，则可以通过接在主PID控制器次输入端子上的电压信号发生器，就可以实现手动调节控制。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过采用新一代的超高精度多功能PID控制器，可以实现各种应用场景下的张力控制。与传统的张力控制器相比，新一代的张力控制器主要具有以下优势：[/size][size=16px] （1）超高精度：24位AD模数转换、16位DA数模转换和双精度浮点运算能力，0.01%的最小输出百分比。[/size][size=16px] （2）多功能：最多2通道的张力控制，可实现串级控制，可进行手动和自动功能切换。[/size][size=16px][/size][size=16px][/size][align=center][color=#ff0000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/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]

[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][img=高海拔低气压模拟试验箱中高精度真空度程序控制解决方案,550,523]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/12/202312011543074519_5661_3221506_3.jpg!w690x657.jpg[/img][/align][b][size=16px][color=#333399]摘要：针对用户提出的低气压试验箱中的真空度精密可编程控制，以及0.001~1000Torr的宽域真空度控制范围，本文基于动态平衡法提出了切实可行的解决方案。解决方案采用了上游控制和下游控制两路独立高精度的PID程序控制回路，基于不同量程的高精度电容真空计，分别调节进气电动针阀和排气电动球阀，可实现各种低气压环境试验箱中高精度真空压力控制。此解决方案已在多个真空领域得到应用，并可以达到±1%的高精度控制。[/color][/size][/b][align=center][b][size=16px][color=#333399]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/b][/align][b][size=18px][color=#333399]1. 项目背景[/color][/size][/b][size=16px] 低气压试验箱主要用于航空、航天、信息、电子等领域，确定仪器仪表、电工产品、材料、零部件、设备在低气压、高温、低温单项或同时作用下的环境适应性与可靠性试验，并或同时对试件通电进行电气性能参数的测量。低气压试验也是用设备模拟高空气压环境，用来确定元件、设备或其他产品在低气压条件下贮存、运输或使用的适应性。[/size][size=16px] 低气压试验具有很多测试标准可执行，如GB2423.27、IEC60068-2-39、B2423.42、GB2423.102、GB2423.26、IEC60068-2-41、GB2423.21、IEC60068-2-13和GJB 150.24A 等。在单纯的低气压实验中，这些标准都要求在试验中应达到1kPa的最低压力，其允许差未±5%或±0.1kPa（以大者为准），在84kPa等级时的允差为±2kPa。[/size][size=16px] 最近有客户在上述标准的基础上，对低气压控制提出了更苛刻的要求，具体为以下两点：[/size][size=16px] （1）压力变化范围（绝对压力）：100kPa→120Pa→1.05Pa→10Pa→1kPa→100kPa，即要求气压在1.05Pa至100kPa（标准大气压）之间可对腔室真空度进行任意点顺序控制和循环。[/size][size=16px] （2）压力变化率：不高于10kPa/min。持续时间：从10Pa到1000Pa变化过程时间不少于20min，最低大气压力（1.05Pa）持续时间不少于10min。[/size][size=16px] 将用户的上述要求绘制成随时间变化的真空度控制曲线，如图1所示。由此可见，要实现上述要求，真空压力的控制需要具有以下特征：[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=低气压程序控制曲线,500,313]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/12/202312011545371588_3376_3221506_3.jpg!w690x433.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 低气压环境试验中的真空度变化曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）在1Pa~100kPa范围内可设置任意真空度点进行恒定控制和程序控制，程序控制可由低到高或由高至低，并具有多次循环控制功能。[/size][size=16px] （2）程序控制过程中需要真空度按照设定的不同的变化斜率进行精密控制。[/size][size=16px] 为了满足上述用户提出的高精度真空度程序控制要求，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] 首先，按照用户要求，解决方案拟达到的技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真空度控制范围：1Pa~100kPa（绝对压力）。[/size][size=16px] （2）真空度控制精度：读数的±%。[/size][size=16px] （3）控制功能：PID自动控制，多个设定点变化速率可编程自动控制，并可多次循环运行。[/size][size=16px] 为了实现上述技术指标，本解决方案所设计的高精度真空度控制系统如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=低气压试验箱真空度程序控制系统结构示意图,690,331]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/12/202312011546112579_611_3221506_3.jpg!w690x331.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 低气压试验箱真空度程序控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于在1Pa~100kPa如此宽范围的低气压环境试验箱真空度控制，解决方案基于真空压力的动态平衡控制原理，即通过调节试验箱进气流量和排气流量达到某一平衡状态，从而快速实现不同真空度设定点和真空度变化速率的高精度控制。整个真空压力控制系统主要由不同量程的真空计、电动针阀、电动球阀、真空压力控制器、真空泵、上位计算机和各种阀门管件组成，所组成了两个独立的PID控制回路分别进行上游控制和下游控制，以此进项全真空度范围的控制覆盖。此低气压试验箱真空压力控制系统具有如下功能和特点：[/size][size=16px] （1）上游控制模式：所谓上游控制模式就是固定下游排气速率不变而调节控制上游进气流量的一种控制方式，这种控制方法常用于气压低于1kPa的低气压或高真空精密控制。如图2所示，上游控制回路由红色线段示意，此控制回路由10Torr真空计、电动针阀和可编程真空压力控制器组成。在上游控制模式具体运行过程中，控制器采集10Torr真空计信号并与设定值进行比较后，输出控制信号给电动针阀来调节进气流量。需要特别注意的是在上游模式运行过程中，下游真空压力控制器处于手动模式，即下游控制器的输出为一固定电压值，从而是电动球阀始终处于固定开度状态，使得排气流量在低气压或高真空度区间尽可能保持较大的抽速。另外，由于电容真空计对应的是线性电压输出信号，即对应于10Torr真空度电压输出值为10V，0.001Torr真空度是对应的电压输出为0.001V。由此可见在如此小的真空计输出电压信号下要保持较高的测量精度，则真空压力控制器需要配置24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。[/size][size=16px] （2）下游控制模式：所谓下游控制模式就是固定上游进气速率不变而调节控制下游配齐流量的一种控制方式，这种控制方法常用于气压高宇1kPa的高气压或低真空精密控制。如图2所示，下游制回路由蓝色线段示意，此控制回路由1000Torr真空计、电动球阀和可编程真空压力控制器组成。在上游控制模式具体运行过程中，控制器采集10Torr真空计信号并与设定值进行比较后，输出控制信号给电动球阀调节排气流量。需要特别注意的是在下游模式运行过程中，上游真空压力控制器处于手动模式，即上游控制器的输出为一固定电压值，从而是电动针阀终处于固定开度状态，使得进气流量在高气压或低真空度区间尽可能保持恒速。另外，由于电容真空计对应的是线性电压输出信号，即对应于1000Torr真空度电压输出值为10V，10Torr真空度是对应的电压输出为0.01V。由此可见在如此小的真空计输出电压信号下要保持较高的测量精度，则真空压力控制器需要配置24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。[/size][size=16px] （3）在图2所示的真空度控制系统中采用了两个真空压力控制器，此两个控制器都具有可编程程序控制功能以及设定程序的多次循环运行功能。另外，此真空压力控制器自带计算机软件和具有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，通过上位计算机运行软件，就能快速实现整个控制过程的参数设置、远程控制和过程参数曲线的监视和存储。[/size][size=18px][color=#000099][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本解决方案将彻底解决低气压试验箱真空度的宽量程和高精度控制问题，并具有以下特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案具有很强的灵活性，目前本解决方案所控制的是0.001~760Torr真空度范围，如果低气压环境试验箱体积较大或体积较小，可以改变电动针阀和电动球阀的型号，以得到合适的进气流量和排气流量控制。[/size][size=16px] （2）解决方案中的真空压力控制器是一款通用性PID控制器，除了具有高精度真空压力控制功能之外，更换温度传感器和流量计后也可以用于温度和流量控制。[/size][size=16px][/size][align=center][size=13px][b][color=#000099]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align]

[align=center][img=真空控制系统中关键技术和产品的国产化替代现状,600,362]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309260956335616_6667_3221506_3.jpg!w690x417.jpg[/img][/align][size=16px][color=#990000][b]摘要：真空度控制技术关键部件主要有真空计、进气流量调节装置、排气流量调节装置和真空度控制器四大类。本文在真空度控制技术基本概念和技术要求基础上，详细介绍了真空度控制技术关键部件国外产品的分布和类型，特别介绍了相关的国产产品现状。总之，除了高端电容真空计之外，真空度控制技术中的绝大多数关键部件已实现了国产化，并已得到广泛应用，后续的国产化重点将主要集中在开发MOCVD工艺中的受控蒸发混合器。[/b][/color][/size][align=center][b][color=#990000]=============================[/color][/b][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 真空度控制技术简述[/b][/color][/size][size=16px] 在长、热、力、电这些基本物理量中，真空度作为力学领域内的一个物理量通常是各种生产工艺和科学研究中的一个重要环境参数，真空度的控制也基本都采用闭环控制模式。典型的真空度控制系统结构如图1所示，其特征如下：[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=01.真空度控制系统典型结构,400,275]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309260959279297_7143_3221506_3.jpg!w690x476.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 真空度控制系统典型结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）系统构成：如其他物理量的闭环控制回路一样，真空度控制回路由传感器、控制器和执行器三部分组成。对于真空度控制，执行器还包括进气流量调节装置和排气流量调节装置两部分。[/size][size=16px] （2）控制方法：真空度的控制方法一般都采用动态平衡法，即使得进气流量和出气流量达到某一平衡状态，从而实现不同真空度的准确控制。[/size][size=16px] （3）控制模式：真空度的具体控制模式有上游控制和下游控制之分。在绝对压力1kPa~100kPa的低真空度范围内，需采用下游控制模式，即恒定进气流量的同时，调节排气流量。在绝对压力小于1kPa的高真空度和超高真空度范围内，需采用上游控制模式，即恒定排气流量的同时，调节进气流量。[/size][size=16px] 在真空度控制技术的具体应用中，很多生产工艺和科学实验要求真空度控制需要达到一定的控制精度和响应速度，这些技术要求往往由以下几方面的综合精度和速度决定：[/size][size=16px] （1）传感器精度和速度：具体测量中会根据真空度工作范围选择不同测量原理的真空度传感器，如电容真空计、皮拉尼计和电离规等。其中电容真空计的精度最高，一般为0.2%或更高0.01%精度，且真空度和输出信号为线性关系。皮拉尼计和电离规的精度较差，最高精度一般也只能达到15%，且真空度和输出信号为非线性关系。特别需要注意的是，在较高精度真空度控制过程中，需要对这些非线性信号进行线性处理。真空度传感器的响应速度普遍都很高，一般都在毫秒量级，基本都能满足测控过程中对响应速度的要求。[/size][size=16px] （2）执行器精度和速度：在真空度控制系统中，执行器一般是各种阀门以及集成了阀门的各种气体质量流量控制器，因此阀门的精度和速度是执行器的重要技术指标。执行器的精度和速度主要由真空工艺容器决定，对于小于1立方米的真空容器，一般要求执行器的精度较高，特别是要求具有小于5秒以内的开闭合速度，真空容器越小要求响应速度越快，在大多数半导体材料制备所用的高温和真空腔体的真空控制中，基本都要求响应速度小于1秒，由此来快速消除温度和气压波动带来的影响而实现真空度准确控制。[/size][size=16px] （3）控制器精度和速度：[/size][size=16px]控制器精度的速度是充分利用真空度传感器和执行器精度和速度的重要保证，因此要求控制器具有足够高的AD采集精度、DA输出精度和数值计算精度。一般要求是至少16位AD采集、16位DA输出和0.1%最小输出百分比，控制速度在50毫秒以内。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 真空度控制系统关键部件的主要国外产品介绍[/b][/color][/size][size=16px] 在真空度控制系统中，如图1所示，关键部件主要分为真空计、进气流量调节装置、排气流量调节装置和真空度控制器四大类别。这些关键部件很多都是国外产品，特别是一些高端部件基本都是国外产品，图2为这些关键部件的国外典型产品示意图。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=02.国外真空度控制相关典型产品,690,491]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309260959592438_3991_3221506_3.jpg!w690x491.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 国外真空度控制系统中的各种典型产品[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]3. 真空度控制系统关键部件的国产化现状[/b][/color][/size][size=16px] 随着近几年的国产化浪潮的兴起，真空度控制系统关键部件的国产化进程也在快速发展，以下将按照四个大类对国产化现状进行详细介绍。[/size][size=16px][color=#990000][b]3.1 真空计的国产化现状[/b][/color][/size][size=16px] 真空计作为真空领域的传感器，多年来一直有大量的国产产品，但绝大多数集中在皮拉尼计和电离规等这些真空度测量精度较差的真空计领域，对于测量精度较高的薄膜电容真空计国内产品基本都是购买国外OEM核心部件后进行组装和拓展。国内目前只有个别机构开发出了薄膜电容核心探测部件并已能批量生产电容真空计，但存在成品率低和货期长问题，国内也有其他研究机构在进行薄膜电容真空计的技术攻关。[/size][size=16px] 如图3所示国内现状，国内真空计目前基本能够满足工业生产的需要，但对于一些需要高精度（0.01%）真空计的测量和控制场合，国内还无法生产，有些更高端的国外产品对国内还处于禁运状态。对于皮拉尼计和电离规这些大多已经国产化的真空计，国产真空计还缺乏具有线性处理能力的高级功能，这使得国产真空计普遍只能在真空度测控精度要求不高的场合下使用。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=03.真空计国产化相关产品示意图,690,166]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309261000162441_9663_3221506_3.jpg!w690x166.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 真空计国产化现状示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#990000][b]3.2 进气流量调节装置的国产化现状[/b][/color][/size][size=16px] 进气流量调节装置主要用来调节真空容器的进气流量以实现不同工艺气体的流量要求和相应真空度的高精度控制。如图4所示，目前国外进气流量调节装置主要有电磁或电机型流量调节阀、气体质量流量控制器和微小流量控制器三大品类以满足从各种流量量程气体输入控制要求。[/size][size=16px] 在进气流量调节装置的国产化方面，目前国内产品无论在品类和技术指标方面都已达到国外产品水平，完全可以替代国外产品，并已开始得到广泛应用。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=04.进气流量调节装置国产化相关产品示意图,690,164]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309261000271489_6174_3221506_3.jpg!w690x164.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图4 进气流量调节装置国产化现状示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在小型快速电控调节阀门的国产化方面，国产产品已采用微型步进电机技术，直接跨越电磁阀结构，开发出了高精度、低磁滞和高线性度的系列规格的电控针型阀门，响应速度达到了1秒以内，具有超低漏率且阀门不受工作气体类型的限制，还可以用于液体流量的调节，同时还具有强耐腐蚀性。目前这种电控针阀已广泛用于真空度控制领域和流体流量精密控制领域，正逐步取代以INFICON、PFEIFFER、VAT和MKS公司为代表的进气流量调节阀产品。[/size][size=16px] 在气体质量流量控制器的国产化方面，近两年内已有许多国内公司完成了国产化，技术指标已于国外产品相差无几，目前已在各个领域内进行着国产化替代。[/size][size=16px] 微小流量控制器主要用于高真空和超高真空条件下的微小进气流量控制，且要求具有超低漏率，以往只有国外AGILENT和VATAGILENT公司生产这种可变泄漏阀，且价格昂贵和货期漫长。最近国内公司在微小流量控制方面已取得突破，采用了与国外产品不同的技术路线，在同样实现国外产品功能、技术指标和自动控制的前提下，大幅降低的成本，已可以完全替代进口产品。[/size][size=16px][color=#990000][b]3.3 排气流量调节装置的国产化现状[/b][/color][/size][size=16px] 排气流量调节装置主要用来调节真空容器的排气流量以实现相应真空度的高精度控制。如图5所示，目前国外排气流量调节装置主要有分体式和集成式电动蝶阀，其中集成式电动蝶阀（又称下游排气节流阀）是在蝶阀上集成了高速电机和PID控制器。[/size][size=16px] 在排气流量调节装置的国产化方面，目前国内产品无论在品类和技术指标方面都已达到国外产品水平，且更具有灵活的不同口径规格系列，完全可以替代国外产品，并已得到广泛应用。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=05.排气流量调节装置国产化相关产品示意图,690,164]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309261000430375_6356_3221506_3.jpg!w690x164.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图5 排气流量调节装置国产化现状示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在排气流量调节装置国产化过程中，我们发现绝大多数真空工艺腔体的体积较小，在真空度精密控制过程中无需使用较大口径的蝶阀结构，仅通过较小口径的电动球阀极可很好的进行控制。另外，很多工艺设备自带控制系统而无需在电动阀门再集成PID控制器。为此，国内公司在国产化过程中开发了独立结构的电动球阀，有7秒和1秒两种规格，如图5所示。这种独立结构的电动球阀可由任何外部PID调节器进行控制，具有很好的灵活性且降低成本，同时还具有极小的真空漏率，非常适合真空设备的排气流量和低真空度的精密控制，并已在各种真空工艺设备和科学仪器设备中得到了广泛应用。[/size][size=16px] 对于大口径蝶形压力控制阀，国内有机构也完成了国产化，模仿国外电动蝶阀结构将PID控制器与蝶阀进行了集成，并配有相应的计算机操作软件，但在价格上对国外产品的冲击有限。[/size][size=16px][color=#990000][b]3.4 真空度控制器的国产化现状[/b][/color][/size][size=16px] 真空度控制器作为一种典型的PID控制器，主要用来检测真空计的输出信号，并与设定值进行比较和PID计算后输出控制信号，驱动外部进气或排气调节阀开度进行快速变化，最终实现真空度测量值与设定值达到一致。目前国内外生产真空计的厂家普遍都提供真空度控制器产品，但这些真空度控制器普遍存在以下问题，而国内产品的问题则略显严重。[/size][size=16px] （1）国内外真空度控制器的共性问题是测量和控制精度不高，普遍采用较低精度的AD和DA转换器，无法发挥真空计（特别是电容真空计）的高精度优势，国内产品这方面的问题尤为严重。能实现高精度测量和控制的国外产品，则价格昂贵。[/size][size=16px] （2）国产真空度控制器大多为单通道形式，无法进行全真空度范围精密控制中进气和排气流量的同时调节，而国外的高端真空度控制器多为2通道以上结构。[/size][size=16px] （3）对于皮拉尼计和电离规这样的非线性输出信号，国产真空度控制器缺乏线性化处理功能，而国外高端真空度控制器基本都具有线性化处理功能，能更好保证真空度测量和控制精度。[/size][size=16px] （4）国产真空度控制器普遍缺乏计算机控制软件，无法简便和直观的进行过程参数的设置、显示、存储和调用。国外高端真空度控制器基本都配有相应的计算机软件。[/size][size=16px] 为了解决上述问题，目前新型的国产真空度控制器已经开发成功，如图6所示，已可以生产工业用单通道和双通道两个规格系列的多功能型真空压力控制器，基本可以替代国外高端产品。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=06.真空度控制器国产化相关产品示意图,690,164]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309261000588787_2774_3221506_3.jpg!w690x164.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图6 真空度控制器国产化相关产品示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在国产化的单通道和双通道系列控制器中，采用了目前国际上工业用控制器最高精度的芯片电路，即24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可充分发挥高精度真空计和精密电动阀门的测控优势，已实现0.1%的真空压力控制精度。这种新型真空压力控制器的重要特点之一是带有线性化处理功能，通过八点最小二乘法拟合来提高非线性信号的测量精度。[/size][size=16px] 这种新型真空压力控制器是一种多功能控制器，除了可以进行真空压力控制之外，更可以进行各种温度和张力控制，同时还具有串级控制、分程控制、比值控制和远程设定点等高级复杂控制功能。控制器系列具有标准的工业控制器小巧尺寸，面板安装方式，并配备了计算机软件。[/size][size=18px][color=#990000][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px]综上所述，在真空度控制系统关键部件的国产产品中，除了高端电容真空计之外，绝大多数部件已实现了国产化。后续的国产化重点将主要集中在受控蒸发混合器的开发，以在各种化学[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]沉积CVD工艺中，如ALD、APCVD、MOCVD和PECVD等，实现前驱体流量的精密控制。[/size][align=center][b][color=#990000][/color][/b][/align][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]