壁挂式八通道气体控制器

[color=#000099]摘要：在微流控芯片进样、化学反应进样和长时间药物注射领域，都需要能提供正负气压可精密控制的压力控制器。本文特别针对微流控芯片进样对多通道压力控制器的技术要求，提出了相应的解决方案，并详细介绍了方案中多通道气路结构、控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#000099]一、背景介绍[/color][/size]在微流控芯片进样、化学反应进样和长时间药物注射领域，都需要能提供正负气压可精密控制的多通道压力控制器，并且通过气体压力来控制流体的流量或流速。图1所示为这种压力控制器在微流控芯片进样中的典型应用。[align=center][img=微流控芯片用压力控制器,690,318]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206271559098143_8354_3384_3.png!w690x318.jpg[/img][/align][align=center]图1 多通道压力控制器在微流控芯片进样中的典型应用[/align]在微流控芯片进样中，要求压力控制器需具备以下几方面的功能：（1）多通道，每个通道可独立控制和操作。（2）每个通道都可按照编程设定输出相应的正负压力。（3）正负压力控制范围：绝对压力1Pa~0.5MPa（表压-101kPa~0.6MPa）。（4）压力控制精度：0.1%~1%。 针对上述微流控芯片进样对压力控制器要求，本文提出了相应的解决方案，并详细介绍了方案中多通道气路结构、控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。[size=18px][color=#000099]二、解决方案[/color][/size]本文所提出的解决方案是实现在1Pa~0.7MPa绝对压力范围内的精密控制，控制精度极限可达到0.1%。即提供一个可控气压源解决方案，采用双向控制模式的动态平衡法，结合高精度步进电机和微小流量电动针阀、高精度压力传感器和多通道PID控制器，气压源可进行高精度的各种真空压力的可编程输出，同时也可用于控制不同的流体流量。本文所涉及的解决方案，主要针对用于微流控芯片进样用多通道正负压力控制器，这主要是因为微流控芯片所用压力基本在一个标准大气压附近变化，相应的多通道压力控制器相对比较简单。而对于更低压力，如气压小于1kPa绝对压力的多通道控制，要实现精密控制则整个压力控制器将十分复杂。微流控芯片进样用多通道压力控制器工作原理如图2所示。[align=center][img=微流控芯片用压力控制器,690,350]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206271559436818_6219_3384_3.png!w690x350.jpg[/img][/align][align=center]图2 微流控芯片进样用多通道压力控制器工作原理图[/align]微流控芯片进样用多通道压力控制器的工作原理为：（1）多通道压力控制包括多个控制通道，每个控制通道包括正压气源、进气调节阀、出气调节阀、抽气泵和PID控制器单元。其中的正压气源和抽气泵提供足够的负压和正压能力，并且可以多通道公用。同样，多通道压力控制器也公用一个进气调节阀。需要注意的是，由于微流控进样所需的负压气压值较大并接近一个标准大气压，对于微流控芯片进样的压力控制，只需固定进气调节阀的开度，近靠调节出气阀开度极可实现正负压的精密控制，因此可以公用一个进气调节阀。如果要进行较低负压气压值（较高真空度）的精密控制，配置恰恰相反，每一通道配置的进气阀进行调节，但可以公用一个抽气阀。（2）精密压力控制原理基于密闭空腔进气和出气的动态平衡法。多通道压力控制器的每一个通道都是典型闭环控制回路，其中PID控制器的每一通道采集相应通道的真空压力传感器信号并与此通道的设定值进行比较，然后调节相应通道的进气和抽气调节阀开度，最终使此通道传感器测量值与设定值相等而实现该通道真空压力的准确控制。（3）为了覆盖负压到正压的所要求的真空压力范围，需要配置一个测试量程覆盖要求范围内的高精度绝对压力传感器，如果一个压力传感器无法覆盖全量程，则需要增加压力传感器数量来分段覆盖。采用绝对压力传感器的优势是不受各地大气气压变化的影响，无需采取气压修正，更能保证测试的准确性和重复性。（4）绝对压力传感器对应所覆盖的真空压力范围输出数值从小到大变化的直流模拟信号（如0~10VDC）。此模拟信号输入给PID控制器，由PID控制器调节进气阀和排气阀的开度而实现压力精确控制。（5）当控制是从负压到正压进行变化时，一开始的进气调节阀开度（进气流量）要远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流量达到不同的平衡状态来实现不同的负压控制，最终进气调节阀开度逐渐要远大于抽气调节阀开度，由此实现负压到正压范围内一系列设定点或斜线的连续精密控制。对于从正压到负压压的变化控制，上述过程正好相反。[size=18px][color=#000099]三、方案具体内容[/color][/size]解决方案中所涉及的正负压力控制器的具体结构如图3所示，主要包括正压气源、电动针阀、密闭空腔、压力传感器、高精度PID控制器和抽气泵。[align=center][img=微流控芯片用压力控制器,690,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206271602023624_9954_3384_3.png!w690x393.jpg[/img][/align][align=center]图3 微流控芯片进样用多通道正负压力控制器结构示意图[/align]在图3所示的正负压力控制器中，每个通道都对应一密闭空腔，每个密闭空腔上的外接接口作为此通道的压力输出口。密闭空腔左右安装两个NCNV系列的步进电机驱动的微型电动针阀，电动针阀本身就是正负压两用调节阀，其绝对真空压力范围为0.0001mbar~7bar，最大流量为40mL/min，步进电机单步长为12.7微米，完全能满足小空腔的正负压精密控制。由此，压力控制器中的每个通道可实现正负压任意设定点的精确控制，也可以从正压到负压的压力线性变化控制，也可以从负压到正压的压力线性变化控制。微流控芯片进样过程中一般要求微小正负压控制，要求是在标准大气压附近的真空压力精确控制，如控制精度为±0.5%甚至更小，一般都需要采用调节抽气阀的双向动态模式，即通过控制器使得进气口处电动针阀的开度基本不变，同时根据PID算法来调节排气口处的电动针阀开度。由于进气阀的开度基本处于固定状态，使得微流控芯片进样所用的多通道压力控制器可以公用一个调节进气流量的电动针阀。另外，所有通道都需要具备抽气功能，抽速也是一固定值，因此多通道压力控制器也可以公用一个抽气泵。在微流控芯片进样过程中压力控制，除了上述恒定进气流量调节抽气流量的控制方法之外，决定压力控制精度的因素还有压力传感器、PID控制器和电动针阀的精度。本方案中的PID控制器采用的是24位AD和16位的DA，电动针阀则是高精度步进电机，因此本解决方案的测试精度主要取决于压力传感器精度，一般至少要选择0.1%精度的压力传感器。在微流控芯片进样过程中，往往会要求密闭容器在正负压范围内进行多次往复变化和按照设定曲线进行控制，因此本方案采用了可存储多个编辑程序的PID控制器，每个设定程度是一条多个折线段构成的曲线，由此可实现正负压往复变化的自动程序控制。在本文所述的解决方案中，为实现正负压的精密控制，如图3所示，针对负压的形成配置了抽气泵。抽气泵相当于一个负压源，但采用真空发生器同样可以达到负压源的效果，负压源采用真空发生器的优点是整个系统只需配备一个正压气源，减少了整个系统的造价、体积和重量，真空发生器连接正压气源即可达到相同的抽气效果。[size=18px][color=#000099]四、总结[/color][/size]本文所述解决方案，完全可以实现微流控芯片进样系统中压力的任意设定点和连续程序形式的精密控制，并且可以达到很高的控制精度和速度，全程自动化。本方案除了自动精密控制之外，另外一个特点是系统简单，正负压控制范围也可以比较宽泛，整个系统小巧和集成化，便于形成小型化的检测仪器。本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀和PID控制器，都是目前特有的标准产品，其他的压力传感器、抽气泵、真空发生器和正压气源等也是目前市场上常见的标准产品。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：目前真空冷冻干燥过程中已普遍使用了电容压力计，使得与电容压力计相配套的压力控制器和电动进气调节阀这两个影响压力控制精度和重复性的主要环节显着尤为突出。为解决控制精度问题，本文介绍了国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器和步进电机驱动电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且此控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控，以进行初次冻干终点的自动判断。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size] 压力控制是真空冻干过程中的一个重要工艺过程，其控制精度严重影响产品质量，对于一些敏感产品的冷冻干燥尤为重要。因此，为使冷冻干燥过程可靠且可重复地进行，必须在干燥室内准确、重复地测量和控制压力，这是考察冷冻干燥硬件设备能力的重要指标之一。同时因为一次干燥时的压力或真空度，直接影响产品升华界面温度，因此准确平稳的控制压力，对于一次干燥过程至关重要。但在实际真空冷冻干燥过程中，在准确压力控制方面目前国内还存在以下问题： （1）压力控制器不匹配问题：尽管冷冻干燥工艺和设备都配备了精度较高的电容压力计，其精度可达到满量程的0.2%~0.5%，但目前国内大多配套采用PLC进行电容压力计直流电压信号的测量和控制，PLC的A/D和D/A转换精度明显不够，严重影响压力测量和控制精度。A/D和D/A转换精度至少要达到16位才能满足冷冻干燥过程的需要。 （2）进气控制阀不匹配问题：对于冷冻干燥中的真空压力控制，其压力恒定基本都在几帕量级，因此一般都采用上游进气控制模式，即在真空泵抽速一定的情况下，通过电动调节阀增加进气流量以降低压力，减少进气流量以增加压力。但目前国内普遍还在使用磁滞很大的电磁阀来进行调节，严重影响压力控制精度和重复性，而目前国际上很多已经开始使用步进电机驱动的低磁滞电动调节阀。 为解决上述冷冻干燥过程中压力控制存在的问题，本文将介绍国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器、电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验考核和具体应用的验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度PID压力控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且2通道PID控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控和记录。[size=18px][color=#990000]二、国产2通道24位高精度PID压力控制器[/color][/size] 为充分利用电容压力计的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位以上的模数和数模转化器。目前我们已经开发出VPC-2021系列高精度24位通用性PID控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能强大远超国外产品，但价格只有国外产品的八分之一。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,550,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211608584555_3735_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 压力控制器其主要性能指标如下： （1）精度：24位A/D，16位D/A。 （2）多通道：独立1通道或2通道。2通道可实现双传感器同时测量及控制。 （3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。 （4）多功能：正向、反向、正反双向控制。 （5）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。 （6）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。 在冷冻干燥的初级冻干终点判断中，VPC-2021系列中的2通道控制器可同时接入电容压力计和皮拉尼压力计，其中电容压力计用作真空压力控制，皮拉尼计用来监视冻干过程中水汽的变化，当两个真空计的差值消失时则认为初级冻干过程结束。整个过程的典型变化曲线如图2所示。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,586,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609304857_1459_3384_3.png!w586x392.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2. 初级干燥过程中的典型电容压力计和皮拉尼压力计的测量曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、国产步进电机驱动电子针阀[/color][/size] 为实现进气阀的高精度调节，我们在针阀基础上采用数控步进电机开发了一系列不同流量的电子针阀，其磁滞远小于电磁阀，如图3所示，价格只有国外产品的三分之一，详细技术指标如图4所示。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,400,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609435684_1917_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610002292_1250_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术指标[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、国产PID控制器和电子针阀考核试验[/color][/size] 考核试验采用了1Torr量程的电容压力计，电子针阀作为进气阀以上游模式进行控制试验。首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在68Pa左右对PID控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后，分别对12、27、40、53、67、80、93和 107Pa 共 8 个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图 5所示。 [align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,418]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610175473_9598_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 多点压力控制考核试验曲线[/color][/align] 将图5曲线的控制效果以波动率来表达，则得到如图6所示的不同真空压力下的波动率。从图6可以看出，整个压力范围内只有在12Pa控制时波动率大于1%，显然将68Pa下自整定得到的PID参数应用于12Pa压力控制并不太合适，还需要进行单独的PID 参数自整定。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610294377_3818_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6. 多点压力恒定控制波动率[/color][/align][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：对标英福康公司VDE 016和普发公司EVR 116气体控制阀，对标英福康公司VCC500和普发公司RVC 300控制器，介绍了相应的国产化替代产品电子针型阀和多功能高精度PID控制器，并介绍了国产化替代产品的相应特点和技术指标。[/color][size=18px][color=#990000]1、概述[/color][/size]英福康（Inficon）公司VDE 016和普发（Pfeiffer）公司EVR 116的气体控制阀实际上是完全相同的一款控制阀，只是贴牌不同。如图1所示，这款气体控制阀是一种步进电机驱动的针型阀，可将外部控制信号转换为规定的阀针位置，由此调节阀的开度大小实现气体流量控制。外部控制信号可以是以下三种形式：（1）直流模拟电压（0~10VDC）；（2）接口模块；（3）RS232接口。[align=center][color=#990000][img=电子针阀,600,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171652414248_9888_3384_3.png!w690x429.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 英福康和普发公司气体控制阀[/color][/align]针对这款气体控制阀，英福康和普发提供了配套的控制器，如图2所示，型号分别是：英福康：VCC500-Z；普发：RVC 300。[align=center][img=电子针阀,600,253]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171652576341_4251_3384_3.png!w690x292.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2 英福康和普发公司控制器[/color][/align]本文将针对上述控制阀和控制器，介绍相应的技术指标，并介绍相应的国产化替代产品及其技术指标，为国产化替代提供高性价比产品。[size=18px][color=#990000]2、国外产品技术指标[/color][/size][size=16px][color=#990000]2.1 气体控制阀技术指标[/color][/size]英福康和普发公司控制阀性能参数如表1所示，技术指标如表2所示。[align=center][color=#990000]表1 控制阀性能参数[/color][/align][align=center][color=#990000][img=电子针阀,500,247]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171653364812_6367_3384_3.png!w690x341.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]表2 控制阀技术指标[/color][/align][align=center][color=#990000][img=电子针阀,500,384]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171653497154_1569_3384_3.png!w690x531.jpg[/img][/color][/align][size=16px][color=#990000]2.2 控制器技术指标[/color][/size]英福康和普发公司控制器性能技术指标如表3所示。[align=center][color=#990000]表3 英福康和普发公司控制器技术指标[/color][/align][align=center][color=#990000][img=电子针阀,550,468]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171654083264_9223_3384_3.png!w690x588.jpg[/img][/color][/align]从上述控制器技术指标以及实际应用经验，可以发现英福康和普发控制器有以下几点不足：（1）单通道测量和控制：即只能采集一路真空计信号，并控制一路调节阀，尽管有多个模拟和数字输入输出通道，但还是只能进行一路闭环控制。当在需要使用两个真空计才能覆盖的宽量程范围内，这种单通道控制器将无能为力。（2）无PID自整定功能：英福康和普发控制器的最大不足是缺少PID参数自整定功能，这在实际应用中带了非常大的不便，需要用户自己寻找合适的PID参数，很多时候往往最终还是不能获得最优的PID参数，严重影响控制效果。（3）控制精度差：控制精度为传感器满量程的±5%，这基本说明控制器中采集和控制电路使用的是12位A/D和D/A转换器，这是决定控制精度的关键。[size=18px][color=#990000]3、国产电子针阀代替英福康和普发控制阀[/color][/size]英福康公司和普发公司的控制阀是一种典型的步进电机驱动的电子针型阀，性能指标非常优越，唯一不足就是针阀开度较小，造成流量较小。当然，还有就是价格太贵。为了实现气体流量控制阀的替代并提高性价比，我们在针阀技术上也采用了数控步进电机进行了国产化，并开发了一些列不同流量的电子针阀，如图3所示，完全实现了替代，并且价格只有国外产品的三分之一，详细技术指标如图4所示。[align=center][color=#990000][img=电子针阀,500,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171654539729_4020_3384_3.gif!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=电子针阀,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171655179642_9510_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术指标[/color][/align][size=18px][color=#990000]4、国产高精度双通道PID控制器代替英福康和普发控制器[/color][/size]为充分利用真空计（如电容薄膜压力计）的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位以上的模数和数模转化器。目前我们已经开发出VPC-2021系列高精度24位通用性PID控制器，如图5所示。[align=center][color=#990000][img=电子针阀,600,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171655401332_5967_3384_3.png!w690x358.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 国产VPC-2021系列温度/真空度控制器[/color][/align]此系列PID控制器功能强大远超国外产品，但价格只有国外产品的八分之一。其主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）多通道：独立的1通道或2通道。2通道可实现温度和压强的同时测量及控制。（3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。（4）多功能：正向、反向、正反双向控制。（5）PID控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。20组分组PID。（6）双传感器切换：每一个通道都可支持温度高低温和高低真空度的双传感器切换，两通道可形成总共接入四只传感器的控制组合。（7）程序控制：可自行建立和存储最多20种浓缩程序，进行浓缩时只需选择调用即可开始（程序控制模式）。在真空度控制中，下游控制模式比较适合真空度接近大气压，但对小于10mbar的真空度控制需采用上游进气控制模式。由此，为满足全量程真空度的准确控制，可以采用如图6所示的双传感器和双向控制模式。[align=center][img=电子针阀,550,434]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112171656050545_4479_3384_3.png!w690x545.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图6 双向控制和双传感器自动切换模式示意图[/color][/align]在图6所示的控制模式中，就需要用到上述VPC-2021系列双通道控制器的正反向控制和双传感器自动切换功能，即在不同气压控制过程中，控制器自动切换相应量程的真空计，并选择相应的电子针阀和高速电动球阀进行控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]