超高真空多腔体束蒸镀系统

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

[align=center][size=18px][color=#000099]高温半球发射率测量装置真空腔体温度均匀性的有限元热仿真分析[/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#999999]Finite Element Thermal Simulation Analysis of the Temperature Uniformity of the Vacuum Chamber of the High-Temperature Hemispheric Emissivity Measurement Device[/color][/size][/align]摘要：在高温半球发射率测量装置中，真空腔体温度均匀性是保证半球发射率测量精度和测试设备安全运行的重要技术参数。本文介绍了采用SolidWorks软件对水冷真空腔体上各处法兰温度分布的有限元计算过程和获得的结果，以指导确定真空腔体设计参数和制造工艺的确定。关键词：半球发射率,有限元,热仿真,温度均匀性,真空腔体,高温,测量装置,法兰, Hemispherical emissivity, finite element, thermal simulation, temperature uniformity, vacuum chamber, high temperature, measuring device, flange[align=center][img=高温发射率测量,690,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290630151571_4563_3384_3.png!w690x338.jpg[/img][/align]　　[size=24px][color=#000099]1. 问题的提出[/color][/size]　　在采用稳态量热法测量材料高温半球发射率过程中，要求被测样品处于高真空环境中，作为量热计的真空腔体始终恒定在较低温度（如水温或液氮温度），真空腔体内表面要保持较高的发射率数值，从而保证作为量热计的真空腔体是一个黑体能吸收样品辐射出的所有热量。　　在高温半球发射率测量装置中，真空腔体的冷却和温度控制方式是在真空腔壁内部布置流道让冷却介质（水或液氮）按照一定方式进行流动，并由此带走腔壁吸收的热量并使得腔壁温度始终恒定。但由于真空腔体上还布置有各种法兰（如引线法兰、抽气法兰和炉门法兰等），这使得真空腔壁内部流道就要绕开这些法兰，造成冷却液并不能直接冷却到这些部件，这些法兰吸收和积累的热量就需要通过法兰材料自身的热传导方式将热量传递给冷却液，由此往往会在这些法兰部件上形成比真空腔体其他位置更高的温度。为了保证高温半球发射率测量装置的安全性和测量准确性，在设计过程中需要准确了解这些法兰处的温度分布并进行优化。　　本文将介绍水冷真空腔体上各处法兰温度分布的计算过程和获得的结果，以指导确定真空腔体的具体参数和制造工艺设计。[color=#000099][size=24px]2. 热仿真模型[/size][size=18px]2.1. 常规模型[/size][/color]　　高温半球发射率测量装置的主要结构是一个卧式水冷真空腔体，双测开门。真空腔体的外径为840mm，长度为800mm，两侧腔门直径为920mm。腔体和腔门都为双层不锈钢结构，中间布置冷却水流道，腔体和腔门的总壁厚都为20mm，腔体和腔门分别独立水冷。被测样品悬挂在真空腔体的中心位置，最大样品尺寸为直径100mm×12mm。　　针对上述规格尺寸的高温半球发射率测量装置建立热仿真模型，建模和仿真计算采用SOLIDWORKS软件。为了简化计算工作量，针对此对称结构的真空腔体，在一半真空腔体的基础上建立热仿真模型，如图2-1所示。[align=center][color=#000099][img=高温发射率测量,690,344]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290635288234_3762_3384_3.png!w690x344.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图2-1 仿真模型及其剖面图[/color][/align]　　如图2-1所示，在热仿真建模中做了以下几方面的设计假设：　　（1）对于外径840mm、长度400mm、壁厚20mm的一半真空腔体，假设水流道直接覆盖的区域长度为350mm，剩余50mm为“侧壁无水冷段”，此段上的热量完全靠不锈钢材质的导热传递给冷却液。　　（2）同样，对于外径920mm、厚度20mm的腔门，假设水流道直接覆盖腔门的中心区域，此水冷区域直径为720mm，剩余宽度为100mm的实心圆环为“腔门的无水冷段”，此段上的热量完全靠不锈钢材质的导热传递给冷却液。　　（3）真空腔体和腔门之间设计有一个腔门法兰，用于放置密封圈和安装腔门转动合页。此腔门法兰无任何水冷，热仿真模型设计为宽度为100mm、外径为920mm的圆环。　　（4）模型中样品尺寸为直径100mm、厚度6mm的圆片，为实际最大样品尺寸的一半。为计算出样品最大辐射能力时对无水冷部件的影响程度，样品温度设置为最高温度1200℃，样品热辐射面（表面和侧面）的半球发射率设置为1，样品背面为绝热面。　　（5）整个真空腔体和腔门的内壁，都涂有高发射率黑色涂料，在热模型中它们的表面发射率也都设置为1。水冷侧壁和水冷腔门温度设置为水冷温度20℃。模型中所有材质设计为304不锈钢，由于真空腔体自身温度不会处于高温状态，所以模型中不锈钢的热物理性能参数都采用常温数据。　　（6）对于高温半球发射率测量装置而言，测试过程中真空腔体内部始终为0.001Pa量级的高真空，因此真空腔体内部的传热形式设定为只有辐射传热，样品上的热量只通过热辐射形式传递给侧壁、法兰和腔门。[size=18px][color=#000099]2.2. 简化模型[/color][/size]　　为进一步减小网格尺寸和提高热仿真精度，将上述模型进行了简化，即去掉占用面积最大的水冷部件（水冷侧壁和水冷腔门），将于水冷侧壁和水冷腔门接触部件的接触面温度设定为20℃恒温。由此得到的简化后模型如图2-2所示，这种简化后的仿真模型只考虑高温样品对无水冷部件的辐射加热，最终得到无水冷部件在1200℃高温样品辐照下达到的最高温度。[align=center][img=高温发射率测量,690,574]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290635418127_4767_3384_3.png!w690x574.jpg[/img][/align][color=#000099][/color][align=center]图2-2 简化后热仿真模型[/align][size=18px][color=#000099]2.3. 增加引线法兰后的模型[/color][/size]　　在实际高温半球发射率测量装置中，在水冷腔门上安装有引线法兰和抽气法兰，而循环水冷直接触及这些法兰，在1200℃高温样品辐照时会使得这些法兰温度升高。为了解这些法兰在高温辐照时温度升高的最大温度，专门在上述第二种简化模型的基础上增加了两个引线法兰，如图2-3所示。同样，在此模型中，去掉了面积最大的水冷部件，但水冷接触面处同样需要设定20℃恒温。[align=center][img=高温发射率测量,690,505]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290635531233_8765_3384_3.png!w690x505.jpg[/img][/align][color=#000099][/color][align=center]图2-3 增加引线法兰后的简化模型[/align][size=24px][color=#000099]3. 热仿真结果[/color][/size]　　对于上述三种仿真模型分别进行了有限元计算。[size=18px][color=#000099]3.1. 常规模型仿真结果[/color][/size]　　对于图2-1所示的第一种常规模型，采用稳态形式进行了有限元计算，有限元网格形成则采用标准网格和自动过渡形式，最终热仿真结果如图3-1所示。从图3-1所示仿真结果可以看出，水冷区域温度始终处于20℃，无水冷区域会有一定温升，温升最高处位于腔门和法兰的边缘位置，最高温度为29.5℃，即温度比水冷温度升高了近10℃。[align=center][color=#000099][img=高温发射率测量,690,533]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290636108069_1760_3384_3.png!w690x533.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图3-1常规模型仿真结果[/color][/align][align=center][color=#000099][/color][/align][align=left][size=18px][color=#000099]3.2. 简化模型仿真结果[/color][/size][/align]　　对于图2-2所示的第二种仿真模型，采用稳态形式进行了有限元计算，有限元网格形成则采用基于曲率的网格，最大单元大小和最小单元大小都设置为20mm，最终热仿真结果如图3-2所示。从图3-2所示仿真结果可以看出，水冷区域接触面温度始终处于20℃，无水冷区域会有一定温升，温升最高处同样位于腔门和法兰的边缘位置，最高温度为29.3℃，即温度比水冷温度升高不到10℃，与常规模型仿真结果相差0.2℃。[align=center][color=#000099][img=高温发射率测量,630,585]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290636218021_996_3384_3.png!w630x585.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图3-2 简化模型仿真结果[/color][/align][size=18px][color=#000099]3.3. 增加引线法兰后的简化模型仿真结果[/color][/size]　　对于图2-3所示的第三种仿真模型，采用稳态形式的有限元计算，有限元网格形成则采用基于曲率的网格，最大单元大小和最小单元大小都设置为20mm，最终热仿真结果如图3-3所示。　　从图3-3所示仿真结果可以看出，水冷区域接触面温度始终处于20℃，无水冷区域会有温升。其中腔门法兰和腔门边缘处温升还是与简化模型结果一致，最高温度为29.2℃。增加引线法兰后，中心引线法兰圆心处温度最高，达到了55.5℃，温升达到了25.5℃；而底部引线法兰中心处温度最高为42.4℃，温升达到了22.4℃。由此可见，腔门上的引线法兰会给真空腔体的整体温度均匀性带来严重影响，这就要求在真空腔体法兰的设计中设法规避这种现象。[align=center][img=高温发射率测量,690,634]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290636320070_2959_3384_3.png!w690x634.jpg[/img][/align][color=#000099][/color][align=center]图3-3 增加引线法兰后的模型仿真结果[/align][size=24px][color=#000099]4. 总结[/color][/size]　　通过对高温半球发射率测量装置中真空腔体的建模，针对不同模型进行了有限元热仿真计算，得到以下结论：　　（1）对于现有尺寸和结构形式的双侧开门卧式真空腔体，如果冷却循环水控制在20℃时，样品温度处于高温1200℃，腔门边缘处无水冷区域内的最高温度不会超过30℃，此10℃的温升可以忽略不计，对设备的测试和安全运行没有影响。　　（2）为了保证测量装置的加工和运行的便利性，会在两个腔门上布置各种引线法兰和抽气法兰。如果这些法兰的无水冷区域为直径200mm尺寸，那么距离高温1200℃样品最近处的法兰中心温度会达到近56℃，其他位置处的法兰中心温度也会达到42℃左右，这将严重影响真空腔壁温度的整体均匀性，因此在设计和制造中必须设法解决此问题。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][size=16px] [img=常压原子力显微镜实现从超高真空到1bar的可变压力精密控制解决方案,690,446]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111648213082_8409_3221506_3.jpg!w690x446.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#000099][b]摘要：针对原子力显微镜对真空度和气氛环境精密控制要求，本文提出了精密控制解决方案。解决方案基于闭环动态平衡法，在低真空控制时采用恒定进气流量并调节排气流量的方法，在高真空和超高真空控制时则采用恒定排气流量并调节进气流量的方法。原子力显微镜真空度控制系统主要由高速电控针阀、电动可变泄漏阀、高速电控球阀、电容真空计、电离真空计和超高精度PID调节器构成，在超高真空至一个大气压范围内可达到很高的控制精度。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#000099][b]=================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#000099][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 环境可控型原子力显微镜（AFM）是一种可以选择真空环境、气氛环境、液体环境以及变温环境等不同工作环境，并基于检测被测样品与探针之间的弱相互作用来研究包括材料表面形貌和物理化学性质的精密仪器。原子力显微镜要具备真空和气氛环境功能，主要出于以下应用需求：[/size][size=16px] （1）众所周知，原子之间的相互作用力非常微小的，AFM在工作时，为了维持两者之间的作用力，探针和样品之间的距离非常近，通常只有几个纳米或几十个纳米，这就对仪器周围环境的要求非常之高。目前市场上的原子力显微镜都是在普通空气环境中进行操作，但由于空气中活跃着各种气体分子、存在各种机械振动以及电磁干扰的缘故，要想获得极高的分辨率还是比较困难的，要想利用原子力显微镜真正获得原子级别的分辨率，还是需要在真空和超高真空环境下进行工作。[/size][size=16px] （2）随着微纳尺度下研究的逐步深入，在诸多研究中，需要在真空环境或者同一气氛环境（如氮气、氧气、湿度以及酒精蒸汽等）中，对样品表面同一实验区域原位开展多种不同的探测实验（如摩擦能量耗散测量，需要在不破坏工作环境的前提下更换其他具有不同功能的探针，实现原位探测）。 [/size][size=16px] （3）在有些微纳尺度研究中，不同真空度和不同气氛下的力谱测量结果显示AFM针尖和所研究材料之间的粘附力显著依赖于所暴露的真空压力和气体。[/size][size=16px] 总之，为了使原子力显微镜具有环境可控功能，关键是解决原子力显微镜的真空度和环境气氛精密控制问题，为此本文提出以下解决方案。[/size][size=18px][color=#000099][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是在采用多个进气管路来选择具体工作气体的基础上，采用了两种技术途径来改变和精密控制原子力显微镜内的真空度。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.1 回填技术[/b][/color][/size][size=16px] 在文献1所报道的如图1所示的环境压力原子力显微镜中，采用的就是回填技术，即先对环境压力腔室抽真空至超高真空度，然后通过泄漏阀的调节向环境压力腔室内回填所需的工作气体，使腔室内的压力达到所需的真空度。整个真空回填系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜,690,485]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651309750_3730_3221506_3.jpg!w690x485.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图,550,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651565751_1942_3221506_3.jpg!w460x302.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图2所示，回填系统主要由以下几部分构成：（1）涡轮分子泵、（2）旋转低真空泵、（3）一氧化碳气体管线的碳过滤器、（4）压力计、（5）冷阱、（6）AP室气体计量的泄漏阀和（7）AP室初始排空闸阀。[/size][size=16px] 环境压力室真空压力范围为超高真空1×10[sup]-7[/sup]mBar~1Bar，在打开泄漏阀之前，环境压力室与准备室和离子泵隔离。由于真空室压力最高可达1巴，因此关闭离子压力计，使用全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合）监控压力。[/size][size=16px] 从图2可以看出，在文献1所描述气体回填系统是一个真空压力的开环控制系统，我们分析此真空度控制系统并未进行更详细的描述，甚至可能根本无法真正实现文中所述的从超高真空度到一个大气压的1%精度内的准确控制，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）首先，文献1中所采用的真空度传感器是超高真空用离子压力计和全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合），这些真空计本身的精度就无法达到1%以内的测量精度。[/size][size=16px] （2）文献1采用了调节泄漏阀的开环控制形式向AFM环境压力腔内回填气体来进行真空度调节，根本就无法做到实施的反馈控制，关闭泄漏阀后，腔体自身漏率的存在一定会使腔内压力逐渐回升，这种回升在超高真空度范围内会非常明显，会明显影响超高真空度的稳定性。[/size][size=16px] （3）泄漏阀是一种漏率极低的调节阀门，其微小的进气流量仅适合10[sup]-3[/sup]~10[sup]-10[/sup]mBar范围内的高真空和超高真空度调节。对于10[sup]-3[/sup]mBar~1Bar的低真空控制，泄漏阀的作用非常有限，或者需要非常长的进气时间才能达到所需真空度，因此对于低真空范围内的进气控制，一般都会采用进气流量较大的针阀。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.2 闭环控制和不同流量阀技术[/b][/color][/size][size=16px] 针对上述文献1中所用的回填技术存在的问题，本文提出的解决方案将逐项予以解决，一方面采用闭环控制技术，即由真空计、电动进气流量调节阀和真空压力PID控制器过程闭环控制回路，对所设定的不同真空度进行准确控制。另一方面是针对不同的真空度范围，分别采用了微小进气流量的电动可变泄漏阀和较大流量的电动针阀。由此构成的真空控制系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图,690,364]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111652283772_3144_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图3 原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，整个真空压力闭环控制系统分为以下四条气体管路，各自功能如下：[/size][size=16px] 抽气管路：抽气管路主要由电动球阀、干泵和分子泵组成，其中干泵和分子泵的作用是提供相应的真空源，而电动球阀则是用于调节使用干泵时管道内的抽气速率。[/size][size=16px] 大流量进气管路：大流量进气管路主要由电动针阀组成，其作用是以较大的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 微小流量进气管路：微小流量进气管路主要由电动可变泄漏阀组成，其作用是以极小的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 进气管路：进气管路的作用是连接气源和为腔体提供多种压力恒定的工作气体，图3中并未绘出。进气管路中也可以通过增加混气罐来进行各种进气的混合。[/size][size=16px] 通过上述四条管路以及相应的真空度传感器和真空压力控制器，图3所示的闭环控制系统可实现从超高真空度至一个大气压的全量程真空压力精确控制，具体控制的过程如下：[/size][size=16px] （1）低真空度范围（10mBar~1Bar）：在低真空度范围内，双通道真空压力控制器的第一通道采集1000Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动球阀，通过快速改变电动球阀的开度调节排气流量，从而在低真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在低真空度范围控制时，大流量进气管路上的电动针阀要保持恒定开度。[/size][size=16px] （2）高真空度范围（0.01mBar~10mBar）：在高真空度范围内，双通道真空压力控制器的第二通道采集10Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动针阀，通过快速改变电动针阀的开度调节进气流量，从而在高真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态。[/size][size=16px] （3）高真空度范围（10[sup]-10[/sup]mBar~0.01mBar）：在超高真空度范围内，真空压力控制器采集电离真空计（测量精度15%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动可变泄漏阀，通过快速改变泄漏阀的进气流量，从而在超高真空度范围内实现15%内的控制精度。需要注意的是在超高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态，大流量进气管路上的电动针阀处于关闭状态，而分子泵处于工作状态。[/size][size=16px] 在真空压力的控制过程中，要实现高精度控制，以下部件需要达到相应的技术指标要求：[/size][size=16px] （1）真空度传感器：真空度传感器的测量精度是决定控制精度的关键指标之一，本解决方案在低真空和高真空范围内采用了精度可达0.25%的薄膜电容真空计，而在超高真空范围内采用了精度最高可达15%的电离真空计。[/size][size=16px] （2）阀门：各种进气和排气阀门调节精度和速度也是决定控制精度的关键指标，解决方案所采用的电动针阀、电动球阀和电动可变泄漏阀都具有非常好的调节精度，响应速度都小于1秒以内，其中可变泄漏阀的响应速度可以到达十几微秒，完全可以满足超高真空度的进气控制。[/size][size=16px] （3）真空压力控制器：真空压力控制器的采集精度、调节输出精度和线性化处理功能也是决定控制精度的关键指标，解决方案采用了VPC2021系列超高精度PID调节器，具有24位AD、16位DA、0.01%最小输出百分比和八点拟合处理功能，可很好的实现全量程真空度的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案可很好的实现环境可控原子力显微镜从超高真空至一个大气压全真空度范围内任意真空压力设定点的准确控制，也可以按照设定的真空度变化曲线进行程序控制。另外，此解决方案可以推广应用到各种显微镜的真空度和气氛环境的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px] [1] Choi， Joong Il Jake， et al. "Ambient-pressure atomic force microscope with variable pressure from ultra-high vacuum up to one bar." Review of Scientific Instruments 89.10 （2018）.[/size][size=16px][/size][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][color=#000099][b][/b][/color][/size]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：大量MEMS真空密封件具有小体积、高真空和无外接通气接口的特点，现有的各种检漏技术无法对其进行无损形式的漏率和内部真空度测量。基于压差法和高真空度恒定控制技术，本文提出了解决方案。方案的具体内容是将被测封装器件放置在一个比器件内部真空度更高的真空腔体内，采用电动可变泄漏阀和控制器自动调节微小进气流量进行高真空度控制，由此在被测器件内外建立恒定压差，通过测量此压差下的漏率可得到器件内部真空度。[/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] 真空密封器件通常需要在特定的真空度下才能正常工作，即需要高真空度和长时间的真空保持度。例如杜瓦组件作为广泛使用的绝热容器在制冷、 红外探测以及超导中都有应用，而杜瓦的绝热效果与其夹层真空度直接相关。有机发光二极管对水蒸气和氧气含量特别敏感，工作时需要真空条件，含量超标的水蒸气和氧会严重影响其寿命和稳定性。高精度的MEMS惯性器件如MEMS陀螺仪、MEMS谐振式加速度计等需要工作在高真空环境中，其内部真空度的好坏决定其品质因数的大小。由此可见，为了保证真空密封器件的密封性能，需要对漏率和真空度的变化进行测试评价，但由于存在以下几方面的原因，使得这种评价技术成为目前迫切需要解决的难题：[/size][size=16px] （1）对于大多数真空密封器件而言，其几何尺寸一般很小，且不能配置真空度和漏率测量接口，这导致了很多现有真空测量领域的传感器和仪器都无法直接使用。[/size][size=16px] （2）对于个别真空封装器件，可通过在外部形成高压将示踪气体（如氦气）加载到真空封装器件内，然后再在外部抽真空条件下采用检漏仪测量真空封装器件的漏率。但这种方法往往会破坏真空封装器件内部的真空度，且不可逆转，可能会造成真空封装器件性能的降低。[/size][size=16px] （3）直接在真空密封器件内集成真空度传感器不失为一种有效手段，如集成如皮拉尼计和音叉石英晶振等，国内外的各种研究也曾在这方面做过努力，但由于所集成传感器自身特性（如结构形状、尺寸、真空度测量范围和精度等）以及所带来附加影响，使得这种技术仅勉强适用于个别真空密封器件，根本无法作为一种通用技术得以应用。[/size][size=16px] 为了解决目前真空封装器件存在的检漏问题，特别是实现对真空封装器件内部真空度的测量，本文基于压差法提出了一种间接测量的解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 对于内部具有一定真空度的真空封装器件，其漏率和内部真空度的测量将基于压差法。具体是即将被测真空封装器件放置在一个要比器件内部真空度更高的密闭腔体内，由此在封装器件内外形成压差。通过测量获得此压差下的漏率，然后再通过漏率计算出器件内部真空度。[/size][size=16px] 依据解决方案设计的真空封装器件漏率和真空度测量装置结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=真空密封器件漏率和真空度测试系统结构示意图,690,253]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309041023569886_4228_3221506_3.jpg!w690x253.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 真空密封器件漏率和真空度测试系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 依据检漏中的压差法原理，漏率的测量结果与压差（P1-P0）呈线性关系。因此，如图1所示，只要精确控制密闭腔体内的真空度P1，在测量得到漏率后，就可以计算出真空封装器件内部的真空度。由此可见，测试真空密封器件漏率和真空度需要解决以下两个关键问题：[/size][size=16px] （1）腔体真空度P1的精确控制：对于具有高真空（如P01E-03Pa）的封装器件，腔体真空度需要达到P11E-03Pa的更高真空度，以形成尽可能大的压差，这就要求对超高真空度能实现准确控制，控制精度越高则计算得到器件内部真空度的精度越高。[/size][size=16px] （2）漏率测量：漏率测量也是决定精度的关键因素，具体实施时可以采用各种高灵敏度的漏率测量方法，如氦质谱检漏仪。为了实现定量和高精度的漏率测量，也可以采用特殊设计的漏率测试系统，但这部分内容不在本文阐述的内容之内。[/size][size=16px] 本文的重点是介绍解决方案中的超高真空度精密控制技术。如图1所示，超高真空度的控制采用调节进气流量来实现，具体采用了VLV2023型号的电动可变泄漏阀，进气流量的调节范围是1E-8PaL/s~500PaL/s，调节信号为0~10V。超高真空度控制回路有真空计、真空控制器和电动可变泄漏阀组成，真空控制器采集真空计信号并与设定值进行比较后，输出PID控制信号对可变泄漏阀进行驱动来调节微小的进气流量，由此使腔体真空度快速恒定在设置值处。[/size][size=16px] 在超高真空控制中还面临另外一个问题是真空计输出信号的非线性，为此本文解决方案中采用了具有线性化处理功能的VPC2021系列真空压力控制器，通过在真空和电压的关系曲线中取八个数据点进行拟合，可很好的解决线性PID控制非线性信号的问题。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案很好的突破了真空密封件漏率和内部真空度测量难题，关键是实现了高真空度精密控制中的微小进气流量自动调节以及传感器非线性输出信号的PID控制器线性化处理。解决方案中的高真空度控制装置可广泛应用于任何真空系统，PID控制器线性化技术可广泛应用于各种非线性传感器测量控制场合。[/size][size=16px] 本解决方案对高真空微小压差下的漏率测试技术并未做详细的介绍，这部分内容将在后续研究报告中给出详细的测试系统描述。[/size][size=16px][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align]

[size=16px][color=#cc0000]摘要：本文采用国产版本ChatGPT百度“文心一言”作为一种辅助工具，针对超高真空度精密控制装置的开发进行了初期的技术路线设计，对话调研的重点是了解可调节式微流量进气阀门和可用于连接非线性输出信号型真空计的PID控制器。总体而言，目前的人工智能技术所能提供的帮助十分有限，还无法替代研究人员的基本专业能力以及互联网技术的应用能力，但比较适合用来进行某个未知领域的入门级学习。[/color][/size][align=center][size=16px][color=#cc0000][b]===========================[/b][/color][/size][/align][align=left][b][size=18px][color=#c00000]1. [/color][color=#c00000]项目的提出[/color][/size][/b][/align][size=16px] ChatGPT做为全新一代知识增强大语言模型，使用特定的学习算法，可以用于对话方式的头脑风暴。正如最近的文献和各种报道所证明的那样，这种大语言模型的人工智能技术可能会给众多领域带来一场革命。然而，考虑到目前围绕这种人工智能技术的大肆宣传，也可能意味着对其当前能力存在着错误认识，虽然ChatGPT的应用范围似乎非常广泛，但在工业和科学界也存在一些问题。[/size][size=16px] 最近的很多报道都提出了一个严重的问题：虽然生成性聊天机器人是未来的变革工具，但大多数职业都需要快速解答来解决不确定性所带来的问题。聊天机器人有时会给出看似合理但完全错误的信息，这也是一个严重的问题。然而，无需置疑的是该工具可以加速研究，改善工作流程，降低语言障碍和展示新的想法。[/size][size=16px] 为了解ChatGPT能否有效地帮助仪器设备的研发，我们参考了有些文献中介绍的方法和途径，采用ChatGPT国产版百度“文心一言”研究ChatGPT在研发中的适用性，其中我们的重点是一个工业技术研究的主题：超高真空度的精密控制。问题是：ChatGPT能成为仪器设备开发人员的工具或有用的伙伴吗？本文介绍了实验方法、使用聊天机器人进行的查询以及对结果的讨论。我们工作的主要特点是展示了基于大语言模型的人工智能在未涉及的自动化控制领域中的适用性，并且我们的发现可能有助于从专业工业领域到教育和学术研究应用人工智能的讨论。[/size][align=left][b][size=18px][color=#c00000]2. [/color][color=#c00000]实验信息[/color][/size][/b][/align][size=16px] 我们想调查ChatGPT是否可以帮助我们开发各种仪器设备，我们的案例研究是超高真空度精密控制，这是因为超高真空度控制技术是最近在半导体行业（如镀膜、沉积、封装检漏、光刻机等）和仪器设备（如质谱仪、电子显微镜、加速器等）逐渐得到了重视。因此，聊天机器人可以在此超高真空度控制技术主题上开展工作，这从实际的软硬件开发角度来看也是十分有趣。此外，该主题的复杂性足以测试这种大语言模型人工智能对问题的各个层面给出答案的能力。本研究涉及以下几个技术层面：[/size][size=16px] （1）统一对超高真空度的定义和理解。[/size][size=16px] （2）对超高真空度控制装置进行分解，如分解为传感器、控制器和执行器三部分内容。[/size][size=16px] （3）超高真空度控制方法。[/size][size=16px] （4）传感器、控制器和执行器的选型、性能指标和功能要求。[/size][size=16px] （5）通过参考文献和专利扩大视野。[/size][size=16px] 采用国产版ChatGPT百度“文心一言”的具体工作流程如下：[/size][size=16px] （1）文心一言是通过第一个查询来引入问题：真空度一般如何定义，分为那几个范围。这个问题是一个一般性问题，以了解机器人对超高真空范围的理解，并为后续工作界定范围。[/size][size=16px] （2）之后，更具体的问题被问及：超高真空度控制装置一般由几部分组成，各自的功能是什么。这是为了让机器人进行项目分解，以便后续针对每个部分继续进行查询工作。[/size][size=16px] （3）然后，机器人被问及：超高真空度控制方法有那些。这是此项目的关键内容，这决定了开发工作的技术方向和具体技术路线，希望通过机器人的帮助能更全面的了解超高真空度控制方法，尽可能避免技术层面的缺失。[/size][size=16px] （4）机器人还被问及超高真空度控制装置中各个部分的厂家、型号和技术指标。[/size][size=16px] （5）最后，机器人被提示提供一个文献综述、相关专利和其他参考，包括DOI（数字对象标识符）号码。由于机器人的性质，这一步是在我们的查询结束时完成的。一旦户建立了主题，机器人就可以更深入地讨论这个主题。[/size][size=16px] 上述工作流程如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#cc0000][b][img=在超高真空度控制设备开发中使用文心一言的工作流程,660,130]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309071141046519_4168_3221506_3.jpg!w690x136.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#cc0000][b]图1 在超高真空度控制设备开发中使用文心一言的工作流程[/b][/color][/size][/align][align=left][b][size=18px][color=#c00000]3. [/color][color=#c00000]结果[/color][/size][/b][/align][align=left][size=16px][b][color=#c00000]3.1. [/color][color=#c00000]超高真空度[/color][color=#c00000]的定义和范围[/color][/b][/size][/align][size=16px] 提问：真空度一般如何定义，分为那几个范围？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]真空度是指处于真空状态下的气体稀薄程度，通常用“真空度高”和“真空度低”来表示。具体来说，真空度等于大气压强减去绝对压强，即真空度=大气压强-绝对压强。绝对压强等于大气压强加上表压强，即绝对压强=大气压强+表压强（-真空度）。[size=16px] 在真空技术中，通常采用不同的范围来分类真空度。例如，低真空度范围是指压强在101325帕斯卡以下，中真空度范围是指压强在10-1～10-6帕斯卡之间，高真空度范围是指压强在10-7～10-9帕斯卡之间。[/size][size=16px] 需要注意的是，真空度的定义和范围可能因不同的应用领域而有所不同。[/size][size=16px] 评述：从上回答可见，机器人按照低、中、高三级对真空度进行划分，将超高真空度划分为高真空度范围内。[/size][align=left][size=16px][b][color=#c00000]3.2. [/color][color=#c00000]超高真空度控制装置的主要构成以及相应部分的功能[/color][/b][/size][/align][size=16px] 提问：何为高真空度控制，高真空度控制装置一般由几部分组成，各自的功能是什么。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]高真空度控制是指在更高真空度下的压力测量和过程控制，高真空控制装置一般由以下几部分组成：[size=16px] 真空压力变送器：用于测量真空度，将真空压力信号转换为电信号。[/size][size=16px] 智能化控制仪：用于接收真空压力变送器的电信号，进行数据处理和控制输出。[/size][size=16px] 气动阀门：用于控制真空系统的进出口阀门，实现真空系统的开启和关闭。[/size][size=16px] 连接管道：用于连接真空系统各部分，保证真空度的稳定。[/size][size=16px] 其中，真空压力变送器是高真空度控制装置中的核心部件，其功能是将真空压力信号转换为电信号，并通过智能化控制仪进行处理和控制输出。智能化控制仪则是高真空度控制装置中的智能化核心，它可以对接收到的电信号进行处理、运算和控制，实现高精度的压力测量和过程控制。气动阀门是实现真空系统开启和关闭的关键部件，连接管道则是保证真空系统稳定运行的重要组成部分。[/size][size=16px] 需要注意的是，高真空度控制装置的具体组成和功能可能因不同的应用领域而有所不同。[/size][size=16px] 评述：机器人的回答完全准确和比较详细，这也为后续工作进行了内容分解。[/size][align=left][size=16px][b][color=#c00000]3.3. [/color][color=#c00000]超高真空度的控制方法[/color][/b][/size][/align][size=16px] 提问：高真空度控制方法有那些？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]高真空度控制的方法主要包括以下几种：[size=16px] 使用真空泵进行抽真空控制。这是最基本的控制方法之一，通过真空泵将真空腔室内的气体抽出，达到所需的真空度。[/size][size=16px] 使用压力控制器进行真空度控制。压力控制器可以监测真空腔室内的压力，根据设定的压力值进行控制，保持真空度稳定。[/size][size=16px] 使用双通道PID控制器进行真空度控制。这种控制方法具有更高的精度和稳定性，可以同时控制真空腔室内的压力和流量，以达到所需的真空度。[/size][size=16px] 使用电动针阀进行进气流量控制。通过调节电动针阀的开度，可以控制进入真空腔室的流量，从而控制真空度。[/size][size=16px] 使用材料选择控制。选择适合的材料可以减少气体的吸附和释放，从而提高真空系统的真空度。例如，使用不易吸附气体的材料，如不锈钢、铝等。[/size][size=16px] 需要注意的是，不同的控制方法具有不同的优缺点，具体选择应根据应用场景和要求进行综合考虑。[/size][size=16px] 评述：机器人给出了一个真空度控制的大致轮廓，但还不够具体，还需根据上述回答进一步追问。[/size][size=16px] 提问：超高真空度控制方式有那些呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]超高真空度控制通常是指在真空度达到10-7～10-9帕斯卡之间的控制。以下是几种常见的超高真空度控制方式：[size=16px] 使用分子泵进行抽真空控制。分子泵是一种能够将气体分子抽到真空腔室外的设备，其抽气速度和抽气效率比机械泵和分子泵更高，可以达到超高真空度。[/size][size=16px] 使用低温泵进行抽真空控制。低温泵利用低温表面将气体分子凝结，从而实现抽真空。其抽气速度和抽气效率也较高，可以达到超高真空度。[/size][size=16px] 使用离子泵进行抽真空控制。离子泵通过离子束将气体分子电离，并将电离后的离子抽到真空腔室外部，其抽气速度和抽气效率也很高，可以达到超高真空度。[/size][size=16px] 使用电子束蒸发进行真空度控制。电子束蒸发是一种通过电子束将材料加热到熔融状态，并迅速蒸发的方法。通过控制蒸发速率和蒸发面积，可以控制进入真空系统的气体流量，从而实现真空度控制。[/size][size=16px] 需要注意的是，不同的超高真空度控制方式具有不同的优缺点，具体选择应根据应用场景和要求进行综合考虑。[/size][size=16px] 评述：这一次机器人给出的超高真空度形成所用的真空泵类型，但对控制方式还是没有明确回答，继续追问。[/size][size=16px] 提问：在超高真空度控制中，压力控制器的具体功能是什么呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]在超高真空度控制中，压力控制器具体的功能是监测真空腔室内的压力，并根据预设的压力范围进行比较和分析，然后输出相应的控制信号，以控制真空泵、阀门等设备的动作，从而实现对真空腔室内压力的自动控制。压力控制器可以与压力变送器、电气转换器、电气阀门等设备一起使用，实现高精度的压力控制，以保证真空系统的稳定性和精度。[size=16px] 评述：都是一般常识性的内容，回答正确。[/size][size=16px] 提问：在超高真空度控制中，双通道PID控制器又是具体什么功能呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]在超高真空度控制中，双通道PID控制器是一种具有两个独立PID控制回路的控制器，可以同时对两个不同的控制变量进行PID控制。双通道PID控制器具体的功能如下：[size=16px] 采集两个不同的压力信号，例如绝对压力和表压，并将其转换为电信号。[/size][size=16px] 根据预设的压力偏差范围，对两个压力信号进行比较和分析，选择合适的控制信号输出。[/size][size=16px] 根据选择的控制信号，双通道PID控制器会输出相应的电压或电流信号，以控制真空泵、阀门等设备的动作，从而实现对真空腔室内压力的自动控制。[/size][size=16px] 双通道PID控制器还可以通过串口通讯或模拟量输出等方式，与上位机或PLC等设备进行数据传输和监控。[/size][size=16px] 双通道PID控制器具有高精度、高稳定性、可扩展性等优点，可以广泛应用于各种真空控制系统中，例如真空冷冻干燥机、真空镀膜机等。[/size][size=16px] 评述：也是一般常识性的内容，回答正确。[/size][size=16px] 提问：在超高真空度控制中，进气流量都有那些控制方法。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]在超高真空度控制中，进气流量控制的方法有很多种，以下列举几种常用的控制方法：[size=16px] 气体质量流量计控制：通过安装质量流量计来测量进入真空腔室的气体流量，然后根据测量值来控制气体流量。该方法精度高，但价格较高。[/size][size=16px] 薄膜电容规控制：通过测量薄膜电容规的电容变化来测量进入真空腔室的气体流量，然后根据测量值来控制气体流量。该方法精度较高，但需要较高的真空密封性。[/size][size=16px] 皮拉尼电阻规和电热偶规控制：通过测量进入真空腔室的气体流量，然后根据测量值来控制气体流量。该方法精度较高，但需要较高的真空密封性和稳定性。[/size][size=16px] 电动针阀控制：通过调节电动针阀的开度来控制进入真空腔室的气体流量。该方法精度较高，但需要较高的控制精度和稳定性。[/size][size=16px] 高速电动针阀控制：与电动针阀控制类似，但采用高速电动针阀，具有更高的控制精度和响应速度。该方法需要较高的控制精度和稳定性。[/size][size=16px] 需要注意的是，不同的进气流量控制方法具有不同的优缺点，具体选择应根据应用场景和要求进行综合考虑。[/size][size=16px] 评述：一般性常识，回答正确，但对于超高真空度控制，回答中所提及的方法并不适用，更改关键词继续提问。[/size][size=16px] 提问：超高真空度控制中，漏率控制有那些方法呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]在超高真空度控制中，漏率的控制非常重要，因为即使是微小的漏点也可能对真空系统的性能和稳定性产生显著的影响。以下是一些常用的漏率控制方法：[size=16px] 检漏仪直接连接到高真空侧进行检漏。在这种方法中，检漏仪连接到真空系统的被检容器上，通常是高真空侧，然后对整个系统进行检漏。这种方法适用于容器较大、焊缝和法兰连接较长的系统，因为较长的焊缝和法兰连接可能导致较大的漏率。[/size][size=16px] 检漏仪连接到前级真空侧进行检漏。在这种方法中，检漏仪连接到真空系统的高真空侧的前一级真空侧，然后对整个系统进行检漏。这种方法适用于容器较小、焊缝和法兰连接较短的系统，因为较短的焊缝和法兰连接可能导致较小的漏率。[/size][size=16px] 除了以上两种方法外，还可以采用其他漏率控制方法，例如氦质谱检漏、吸枪检漏、涂抹法检漏等。具体选择应根据应用场景和要求进行综合考虑。[/size][size=16px] 评述：回答侧重到了真空腔体的漏率以及相应的检漏方法。并未回答提问。[/size][size=16px] 提问：在超高真空度控制中，微小进气量的调节有那些方法。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]在超高真空度控制中，微小进气量的调节非常重要，因为微小的进气量可能会对真空系统的性能和稳定性产生显著的影响。以下是一些常用的微小进气量调节方法：[size=16px] 使用质量流量控制器（MFC）进行微小进气量的调节。MFC可以通过测量进入真空腔室的气体流量来控制气体流量，具有高精度和稳定性。[/size][size=16px] 使用针阀进行微小进气量的调节。通过调节针阀的开度，可以控制进入真空腔室的气体流量，具有较高的调节精度和稳定性。[/size][size=16px] 使用步进电机进行微小进气量的调节。通过控制步进电机的运动，可以精确控制进入真空腔室的气体流量，具有高精度和稳定性。[/size][size=16px] 使用热式质量流量控制器（TMF）进行微小进气量的调节。TMF可以通过测量气体流速和温度来控制气体流量，具有高精度和稳定性，适用于微小流量的调节。[/size][size=16px] 需要注意的是，不同的微小进气量调节方法具有不同的优缺点，具体选择应根据应用场景和要求进行综合考虑。同时，在进行微小进气量的调节时，还需要注意气体流量的稳定性和控制精度。[/size][size=16px] 评述：还是在重复前面的回答，更换关键词继续提问。[/size][size=16px] 提问：什么是可变泄漏阀，可变泄漏阀在超高真空度控制中的作用是什么。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]可变泄漏阀是一种用于控制真空系统中气体流量的阀门，其作用是在不同的真空度下，通过调节阀门的泄漏率来控制进入真空腔室的气体流量，以保持真空度的稳定。[size=16px] 在超高真空度控制中，可变泄漏阀的作用非常重要。由于真空系统的漏率通常很小，即使存在微小的漏点，也可能对真空度产生显著的影响。因此，通过使用可变泄漏阀，可以根据真空度的变化，自动调节阀门的泄漏率，以保持真空度的稳定。[/size][size=16px] 例如，当真空系统中的气体压力升高时，可变泄漏阀会自动增加其泄漏率，以保持真空度的稳定；反之，当气体压力降低时，可变泄漏阀会自动减小其泄漏率，以保持真空度的稳定。[/size][size=16px] 总之，可变泄漏阀在超高真空度控制中起着维持真空度稳定的作用，是保证真空系统性能和稳定性的重要组成部分。[/size][size=16px] 评述：回答侧重到了起到安全作用的泄漏阀，并不是调节微小进气流量的可变泄漏阀。继续提问。[/size][size=16px] 在经过多次不同问题的提问后，以下提问获得了比较有价值的回答。[/size][size=16px] 提问：可变泄漏阀的功能是什么？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]可变泄漏阀的功能主要是通过改变进气压力来实现微小进气流量调节，以维持真空系统的稳定性。在超高真空度控制中，超低漏率和超低流量调节阀是关键部件，国内外所采用的技术基本都是在超低漏率的前提下，通过调节阀门开度来进行流量调节。然而，对于微小流量调节而言，阀门的微小开度调节功能势必会大幅增加阀门的复杂和精密程度，自动调节需要增加机械结构的电动装置，甚至还需采用一些特殊材料，这是造成进口调节阀价格高昂的主要原因。[size=16px] 可变泄漏阀的优势在于，在保证超低漏率的前提下，它固定了阀门开度大小，通过改变进气压力来调节气体流量，由此直接将微流量调节技术升级到自动控制水平。这种阀门的出现，降低了进口调节阀的价格，并且达到了相同的调节效果。同时，可变泄漏阀还具有自适应能力，能够适应不同的真空泵抽气速率，达到更好的抽气效果。[/size][size=16px] 评述：在此回答中包括了真正有价值的内容。[/size][size=16px] 总结：根据上述的提问和回答，基本可以确定超高真空度精密控制的整体方案，具体内容如下：[/size][size=16px] （1）真空计采用适用于超高真空度范围的相应真空度传感器。[/size][size=16px] （2）真空泵采用分子泵、低温泵和离子泵等相应的超高真空抽气泵。[/size][size=16px] （3）真空度控制器采用双通道PID控制器，用来进行不同量程的真空度控制。[/size][size=16px] （4）实现超高真空度控制的关键是采用可变泄漏阀对进气流量进行调节。在自身具有超低漏率前提下，可变泄漏阀可采用两种形式进行微小进气流量调节，一是改变泄漏阀的开度大小以控制流经气体的流量，二是改变泄漏阀进气压力大小以改变流经气体的流速。[/size][size=16px] 有关真空计和真空泵的选择，这些都是真空技术领域内很容易获取和确定的内容，在此不再涉及。本文主要采用文心一言来帮助选择和探索可变泄漏阀和真空度控制器的技术方案以及所含技术问题。[/size][align=left][size=16px][b][color=#c00000]3.4. [/color][color=#c00000]可变泄漏阀查询[/color][/b][/size][/align][size=16px] 提问：具有上述功能的可变泄漏阀都有那些产品和型号呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]具有可变泄漏阀功能的真空阀门有很多种类，以下列举几种具有该功能的产品和型号：[size=16px] 型号为 FJL5-1/4-300-A 的真空阀门，该阀门采用波纹管密封，上装式结构，锻钢阀体，适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 型号为 FJL10-1/2-300-A 的真空阀门，该阀门采用波纹管密封，上装式结构，锻钢阀体，适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 型号为 FJL20-1/2-300-A 的真空阀门，该阀门采用波纹管密封，上装式结构，锻钢阀体，适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 型号为 FJL50-1/2-300-A 的真空阀门，该阀门采用波纹管密封，上装式结构，锻钢阀体，适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 评述：机器人所提供的回答都是用于超高真空系统的截止阀，只能作为气体通断开关使用过，都无法用于气流流量大小的调节。[/size][size=16px] 提问：具有上述功能的可变泄漏阀都有那些厂家的产品和型号呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]具有可变泄漏阀功能的真空阀门有很多厂家生产，以下列举几个厂家的产品和型号：[size=16px] 国产的陕西北斗星通，其产品有CJ174-1/2-300-A型针阀和CJ174-1/2-300-B型针阀，该类阀门采用针阀结构，适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 国产的北京亚星仪，其产品有FJL5-1/4-300-A型真空截止阀，该类阀门采用波纹管密封，适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 进口的安捷伦（Agilent Technologies），其产品有7791型可调泄漏阀，该类阀门适用于高真空系统的截止阀。[/size][size=16px] 评述：机器人提供的还都是截止阀，增加“超低漏率”关键词后继续提问。[/size][size=16px] 提问：超低漏率的可变泄漏阀，国内外有那些公司的产品和具体型号呢。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]超低漏率的可变泄漏阀是真空领域的一种重要部件，目前国内外有很多公司都在生产这种产品。以下是一些国内外公司的产品和具体型号：[size=16px] 安捷伦（Agilent Technologies）：安捷伦的产品只有一种手动调节泄漏阀，具体型号为7791。[/size][size=16px] VAT公司：VAT调节阀则有手动和自动调节泄漏阀两款产品，其电动调节泄漏阀是在手动调节阀基础上增加了电动装置和PID调节器。具体型号包括59024-GE G(A)G(C-J)、59024-GE G(A)I、59024-GE G(A)L、59024-GE G(A)P、59024-GE G(A)Y。[/size][size=16px] MDC公司：MDC公司也有超低漏率的可变泄漏阀产品。[/size][size=16px] 除了以上列举的公司，还有诸如Pfeiffer公司和Parker公司等国外公司也有类似的产品。需要注意的是，这里只列举了部分具有超低漏率的可变泄漏阀功能的公司和产品，具体选择应根据实际应用需求和系统配置进行选型。同时，在购买时也需要注意产品的质量、性能、价格等因素。[/size][size=16px] 评述：进一步细化提问后，机器人给出了较准确的回答，我们根据回答进行了核实，所提到的三家国外公司确实有超低漏率可变泄漏阀，其中VAT公司产品的功能和型号都完全正确，而安捷伦和MDC公司实际上是同一款产品，但给出的型号不对。为了进一步了解VAT公司和安捷伦公司可变泄漏阀的工作原理，进行了追问。[/size][size=16px] 提问：安捷伦公司和VAT公司的调节泄漏阀的工作原理是什么。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]安捷伦公司和VAT公司的调节泄漏阀的工作原理是基于压力改变流量的原理。[size=16px] 安捷伦公司的调节泄漏阀通过改变压力来实现泄漏量的调节。具体来说，该阀门通过改变进气压力来实现微小进气流量调节，从而实现对真空系统的稳定性和压力控制。[/size][size=16px] VAT公司的调节泄漏阀也是基于压力改变流量的原理。该阀门通过改变进气压力来实现微小进气流量调节，从而实现对真空系统的稳定性和压力控制。[/size][size=16px] 总之，安捷伦公司和VAT公司的调节泄漏阀都是基于压力改变流量的原理，通过改变进气压力来实现微小进气流量调节，从而实现真空系统的稳定性和压力控制。[/size][size=16px] 评述：根据我们对这两家公司产品的核实，机器人回答是完全错误的。分别进行单独追问。[/size][size=16px] 提问：安捷伦公司的调节泄漏阀的工作原理是什么。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]安捷伦公司的调节泄漏阀的工作原理是通过对压力的调节来实现流量的控制。具体来说，该阀门通过改变进气压力和排气压力之间的压差来控制进入真空腔室的气体流量，从而实现对真空系统的稳定性和压力控制。[size=16px] 安捷伦公司的调节泄漏阀具有小于10^-10 PaL/s的超低漏率，以及微小流量调节功能。它采用了具有专利技术的超低漏率阀座和微型喷嘴，并通过改变阀口开度和压力差来控制气体流量。此外，该阀门还采用了压力反馈机制，通过PID控制器将实际压力与预设压力进行比较，然后根据误差信号进行自动调节，使真空系统保持恒定的真空度。[/size][size=16px] 综上所述，安捷伦公司的调节泄漏阀通过改变压力和阀口开度来实现对气体流量的控制，并通过压力反馈机制实现自动调节，从而实现对真空系统的稳定性和压力控制。[/size][size=16px] 评述：给出了新的回答内容，部分正确，但前后矛盾。[/size][size=16px] 提问：VAT公司的调节泄漏阀的工作原理是什么[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]VAT公司的调节泄漏阀的工作原理是基于压力改变流量的原理。该阀门具有超低漏率的微流量调节功能，通过改变进气压力来实现微小进气流量调节。具体来说，该阀门通过改变阀口开度和压力差来控制进入真空腔室的气体流量，从而实现对真空系统的稳定性和压力控制。[size=16px] VAT公司的调节泄漏阀具有手动和自动调节两种类型。对于手动调节泄漏阀，用户可以通过旋转手轮来改变阀口开度，从而实现对气体流量的控制。对于自动调节泄漏阀，它是在手动调节阀的基础上增加了电动装置和PID调节器，可以根据预设的压力和实际压力之间的误差进行自动调节，使真空系统保持恒定的真空度。[/size][size=16px] 总之，VAT公司的调节泄漏阀通过改变压力和阀口开度来实现对气体流量的控制，从而实现真空系统的稳定性和压力控制。[/size][size=16px] 评述：给出了新的回答内容，部分正确，但前后矛盾。[/size][size=16px] 到此为止，通过机器人的回答以及产品的具体核实，在目前的超高真空度精密控制过程中，已经基本可以确定微量进气控制国外采用的超低漏率可调节式泄漏阀，有手动和自动两种型号规格，它们的工作原理都是通过调节阀口开度来实现对气体流量的控制。[/size][align=left][size=16px][b][color=#c00000]3.5. [/color][color=#c00000]双通道真空控制器查询[/color][/b][/size][/align][size=16px] 提问：用于超高真空度测量的真空计有那些，它们的输出信号与所测真空度是线性关系还是非线性关系呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]用于超高真空度测量的真空计有以下几种：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计、压电陶瓷真空计、磁悬浮转子真空计、光学真空计。它们的输出信号与所测真空度之间的关系如下：[size=16px] 热阴极电离真空计：通常呈现出非线性关系，可以用指数函数或多项式函数描述。[/size][size=16px] 冷阴极电离真空计：通常呈现出非线性关系，可以用幂函数或多项式函数描述。[/size][size=16px] 压电陶瓷真空计：通常呈现出线性关系，可以用线性函数描述。[/size][size=16px] 磁悬浮转子真空计：通常呈现出线性关系，可以用线性函数描述。[/size][size=16px] 光学真空计：通常呈现出线性关系，可以用线性函数描述。[/size][size=16px] 评述：回答基本都是正确的。[/size][size=16px] 提问：PID控制器是一种线性控制，还是一种非线性控制呢？[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]PID控制器是一种线性控制器。PID控制器根据给定值与实际输出值构成控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分和微分进行线性组合来对被控对象进行调节，使得被控对象的输出接近于所期望的参考值。因此，PID控制器是一种线性控制器。[size=16px] 提问：对于线性控制的PID控制器，如果采集的非线性信号，那对控制效果有什么影响呢。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]对于线性控制的PID控制器，如果采集的非线性信号，会对控制效果产生以下影响：[size=16px] 控制不准确：线性PID控制器是基于线性系统理论的，它假设系统的输入与输出之间存在线性关系。然而，如果采集的信号是非线性的，那么系统的输入与输出之间的关系将不符合线性假设，导致控制不准确。[/size][size=16px] 控制稳定性下降：非线性信号可能导致系统的动态行为变得复杂，产生振荡或不稳定的行为。如果PID控制器对非线性信号进行线性调节，可能会导致系统的稳定性下降，使得控制效果变得不可预测。[/size][size=16px] 需要更复杂的控制策略：对于非线性系统，通常需要更复杂的控制策略来处理非线性信号。线性PID控制器可能无法满足非线性系统的控制需求，需要采用更复杂的控制策略来提高控制效果。[/size][size=16px] 因此，对于非线性系统，通常需要采用非线性控制策略来处理非线性信号，以确保控制效果的准确性和稳定性。[/size][size=16px] 提问：非线性信号的线性化处理，都采用那些具体技术手段呢，请列出所有线性化处理技术名称。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]非线性信号的线性化处理可以采用以下一些具体技术手段：[size=16px] 增量线性化模型（Incremental Linearization Model）、McCormick包络法（McCormick Envelope）、Mc-Carl方法（McCarl Method）、基于Taylor级数展开的线性化方法、基于反馈的线性化方法、基于状态空间模型的线性化方法、非线性滤波（Nonlinear Filtering）、非线性变换（Nonlinear Transformation）、非线性系统建模（Nonlinear System Modeling）、非线性时频分析（Nonlinear Time-Frequency Analysis）、非线性降噪（Nonlinear Denoising）、非线性信号识别（Nonlinear Signal Recognition）。[/size][size=16px] 需要注意的是，非线性信号处理涉及到较多的数学知识和算法，因此需要具备一定的数学和计算机基础才能进行研究和应用。[/size][size=16px] 评述：回答的内容尽管很多，但还是不够完整，继续追问。[/size][size=16px] 提问：那多点曲线拟合属于线性化处理技术手段嘛。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]多点曲线拟合（Polynomial Curve Fitting）是一种基于最小二乘法的拟合方法，通过对多个离散数据进行拟合，得到一个能够描述数据趋势的连续函数。虽然这种方法主要用于处理非线性数据，但也可以作为一种线性化处理技术手段来使用。[size=16px] 在某些情况下，非线性系统可以通过分段线性化方法来近似，即将非线性系统的输入输出关系近似为一系列的直线段。分段线性化方法通常用于处理具有分段线性特性的非线性系统，例如开关式系统、含有分段线性元件的系统等。[/size][size=16px] 在这种情况下，多点曲线拟合可以作为一种实现分段线性化方法的技术手段。通过选择适当的拟合函数和参数，可以将非线性系统转换为一系列的线性系统，从而可以使用线性控制理论进行分析和设计。[/size][size=16px] 因此，可以说多点曲线拟合可以作为一种线性化处理技术手段，但并不是所有情况下的非线性信号处理都需要进行线性化处理。具体的处理方法需要根据实际系统的特性和要求进行选择和调整。[/size][size=16px] 提问：那些国内外的PID控制器具有这种多点曲线拟合功能呢，具体型号是什么。[/size][size=16px][font='times new roman'][back=#ffff00] 文心一言：[/back][/font][/size]目前市场上有很多国内外的PID控制器都具备多点曲线拟合功能，以下是一些常见的品牌和型号：[size=16px] 国外品牌：National Instruments：NI-PIDController、Keysight Technologies：E8257D、Agilent Technologies：8720D、Rohde & Schwarz：R&S-PNG130/160[/size][size=16px] 国内品牌：YOKOGAWA：GC5510、BF-controller：BF-PIDController、other brands：EP100、LS200等[/size][size=16px] 需要注意的是，不同的品牌和型号可能具有不同的多点曲线拟合功能，具体使用方法和参数设置也可能有所不同。因此，在选择和使用时，需要根据具体的需求和实际情况进行评估和选择。[/size][size=16px] 评述：根据机器人的回答内容，我们做了核实，证明机器人回答的内容都是错误的。有用的信息是至少知道还是有多点曲线拟合功能的PID控制器产品。[/size][align=left][size=16px][b][color=#c00000]3.6. [/color][color=#c00000]关于此主题的[/color][color=#c00000]文献[/color][color=#c00000]和专利[/color][/b][/size][/align][size=16px] 在这里我们不做提问和回答内容的详细展示，因为机器人所提供的内容都是错误的。我们在广泛使用搜索引擎（谷歌学术和谷歌专利）和给定期刊的文章列表中寻找机器人给定的引文，发现这些论文和专利根本不存在。[/size][align=left][b][size=18px][color=#c00000]4. [/color][color=#c00000]讨论[/color][/size][/b][/align][size=16px] 通过采用国产版本ChatGPT百度“文心一言”的对话，我们发现在开发超高真空度控制装置时，机器人能够提供相应的基础性和常识性信息来帮助缩小选择的范围。可能是受制于训练机器人的大模型还不够完备，机器人仅能提供一些肤浅但非常有用的建议，这非常适用于该领域的入门学习。[/size][size=16px] 通过与机器人的对话以及产品的具体核实，至少可以勾画出超高真空度控制装置中的整体结构和关键部件所需达到的功能。确定了采用低漏率可变泄漏阀是正确的技术路线，而可变泄漏阀有阀门开度调节式和进气压力调节式两种形式，国外产品采用的是阀门开度调节式结构，而我们的产品开发则可以采用压力调节式结构。[/size][size=16px] 有关超高真空度传感器具有非线性特征这一事实，通过机器人回答和具体真空计指标得到了验证，通过机器人对话也明确了可采用具有线性处理功能（更具体是多点曲线拟合功能）的PID控制器来进行超高真空的准确控制。[/size][size=16px] 我们发现机器人进行文献检索的能力是不可靠的，这点在其他很多ChatGPT使用者得出的结论一样。机器人为给定的技术主题能推荐看似正确和相关的引用文献，但都是假的，都是用相关关键词、已有作者、期刊名和DII捏造的，看似真实但实际上并不存在。[/size][align=left][b][size=18px][color=#c00000]5. [/color][color=#c00000]总结[/color][/size][/b][/align][size=16px] 通过采用国产版本ChatGPT百度“文心一言”作为一种辅助性的调研工具，针对超高真空度精密控制项目的开发开展了初期的技术路线设计。总体结论是目前的人工智能技术所提供的帮助十分有限，还无法替代研究人员的基本专业能力以及互联网技术的应用能力，但比较适合用来进行某个未知领域的入门级学习。[/size][size=16px] 另外，尽管目前的大模型以及人工智能可能还不够完备以及无法进行更深入的数据挖掘，但在具体使用上如果注意一些技巧，还是能得到一些更有用的帮助。比较重要的技巧是对提问问题的设计，提问时一般需要把握此六项原则：明确问题、提供背景、限定范围、拆分问题、指出建议和多样提问。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#cc0000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/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]

1. 概述 针对目前常用的高温加热炉保护气体管路使用中存在的不便性，采用改进措施和配套装置，使得惰性气体管路的使用更方便、更安全和更直观。2. 常用保护气体管路结构 高温真空炉，如石墨加热炉和钨丝加热炉等，在工作过程中都需要惰性气体保护。常需对炉体先抽真空后充惰性气体，并使真空炉内惰性气体的气压略大于大气压，在整个升降温过程中真空炉始终处在正压状态，以避免发热体和工件氧化。保护气体管路结构如图 2-1所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/04/201704021923_01_3384_3.png图 2-1 高温加热炉常用保护气体管路示意图3. 常用保护气体管路使用步骤 （1）使真空腔处于闭合状态，关闭所有阀门。 （2）开启真空泵和开关阀2，对高温加热炉真空腔开始抽真空。 （3）当真空腔内的真空度达到要求真空度时，一般为20Pa左右，先后开启气瓶减压阀和开关阀1，调节浮子流量计，用最小气体流量对真空腔进行充气，同时真空泵抽掉充气管路中的残存大气。 （4）按顺序先后关闭开关阀2和真空泵，调节浮子流量计增大充气流量，使真空腔内惰性气体较快速度接近大气压。 （5）当充气使得真空腔内气压达到放气阀出气压力时，调节浮子流量计到合适的最小流量，使充入的气体经过真空腔由放气阀排出，形成单向流动。 （6）保持浮子流量计调节位置不变，真空腔内始终处于恒定的正压环境，然后开始高温加热炉的升降温过程和其它试验操作。4. 问题提出 上述的高温真空炉保护气体管路在实际工程使用中存在以下问题： （1）充气管路中调节气体流速的浮子流量计真空密闭性很差，在负压状态下的充气过程中，大气会经浮子流量计进入到真空腔内。如果将充气管路和浮子流量计与真空腔一起抽真空，浮子流量计的泄漏会造成真空腔真空度始终无法达到高温加热炉腔体的真空度要求。 （2）当腔内气压达到设定正压，放气阀开始放气。但放气阀的放气过程并不直观，无法准确观察到放气现象。尽管有些单向放气阀带有放气哨音，但腔体始终处于正压放气状态，连续的放气哨音反而成为一种噪音。如果采用更复杂和准确的压力仪表来进行检测，会增加相应的成本。 5. 新型管路要求 所需求的加热炉保护气体管路如图 5 1所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/04/201704021924_01_3384_3.png 图 5-1 新型高温加热炉常用保护气体管路示意图 具体要求如下： （1）将浮子流量计改进为真空密封型的浮子流量计，便于将充气管路中的残存气体抽取干净，同时保证充气过程中的惰性气体纯度，避免外部空气渗入。如果不考虑气体流量的直观性调节，也可以增加两路充气管路，一路用开度较大的调节阀来进行快速充气，以满足较大真空腔体对快速充气的要求；另一路用开度较小的针阀控制充气，以满足较小体积真空腔体的充气要求，以避免腔体内部过压太快。 （2）将真空腔上两个放气阀更换为两个不同量程的单向限压阀，如6Psi和9Psi，其中6Psi限压阀保证只有真空腔内气压大于大气压6Psi时才能导通放气，9Psi限压阀保证只有真空腔内气压大于大气压9Psi时才能导通放气。这样配置两个不同量程单向限压阀的作用，一是将真空腔内的惰性气体正压严格控制在6～9Psi之间，二是当其中6Psi放气阀发生堵塞失效正压增加后，9Psi放气阀导通起到安全保护作用，控制真空腔内正压不至于过大。 （3）分别在两个不同量程的单向限压阀出气端连接上两个气泡式流量指示计，从两个限压阀流出的气体通过导管导入油内，以气泡形式指示出气体的流出和流量大小。 （4）如果高温真空炉内不要求有惰性气体正压形式，充入的惰性气体直接经过加热炉后直接以一个大气压压力直接排出炉外。这样可以不安装两个不同量程的单向限压阀，而是在相应接口处直接安装上两个气泡式流量指示计，或只安装上一个气泡式流量指示计而另一接口密封，这样排出的惰性气体可以通过气泡直接观察。在这种情况下，这种气泡式流量指示计就需要兼顾负压功能，即在抽真空状态过程中气泡式流量指示计自动密闭起到关闭阀门的作用，而在充惰性气体过程中当真空腔内气压接近一个大气压式自动打开排出气体并由气泡显示流量大小。6. 效果总结 改进后的管路可以更有效的消除充气管路内残留大气和浮子流量计大气泄漏所引起的真空腔内惰性气体不纯问题，惰性气体防护作用更有效。 通过改进后的高温加热炉保护气体管路，保护气体管路可以应用于有设定正压要求的高温加热炉系统，也可以应用于无正压要求的高温加热炉。 改进后的管路可以精确控制真空腔内惰性气体气压范围，提高真空腔内气压保护的安全性，可以直观的观察到真空腔内惰性气体的气压变化过程和速度，重要的是整体结构比较廉价。

[font=宋体][font=宋体] 进样口维护注意事项[/font] -- [font=宋体]进样口腔体的维护[/font][/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] 概述[/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]gc[/url][font=宋体]日常维护时，除去常规部件的检查和维护之外，还需要注意进样口腔体的清洁[/font][/font][font=宋体] [/font][font=宋体] 故障情况[/font][font=宋体][font=宋体] 某农药生产企业用户使用[/font]Shimadzu[font=宋体]的[/font][font=Calibri][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]gc[/url]-2014[/font][font=宋体]分析多种农药产品的含量，仪器使用时间较长。用户反应最近购买了一批衬管，不能安装到[/font][font=Calibri]SPL[/font][font=宋体]进样口内，怀疑质量存在问题。[/font][/font][font=Calibri] [/font][font=宋体] 问题确认[/font][font=宋体] 用户现场进行确认，检查和比较新购衬管外径，未发现明显问题。试验安装新衬管时，发现衬管不易放置入进样口腔体，拆解进样口下端接头（相当于分流平板），接头略有污染物。[/font][font=宋体] 然后用丙酮湿润的棉棒擦拭进样口腔体，棉棒表面立即变黑，看来是进样口腔体内壁凝结了大量污染物。多次清洗直至棉棒表面不再变色，再次测试，衬管安装正常。[/font][font=宋体][font=宋体] 再次检查用户使用过的多根衬管，有些衬管的外壁污染严重（未清洗过），有些可以在衬管外侧的上[/font]1/4[font=宋体]高度处，观察到黑色的圆环状污物。[/font][/font][font=宋体] 用户平时只使用分流进样模式，看来是维护不足，样品中的重组分冷凝在衬管外壁和检测器内腔上了。[/font][font=宋体] [/font][font=宋体] 原理剖析[/font][font=宋体][font=宋体] 观察用户的分析方法，日常使用的进样口温度很高，达到[/font]260[font=宋体]度。这样高的温度，足够气化样品了，为什么会造成样品在衬管外的凝结呢？[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 其实需要考虑到的是进样口腔体内部的温度差异。我们知道任何仪器生产厂家都会对进样针的长度有所要求，就是考虑到这个因素，如图所示[/font]:[/font][align=center][img=,643,738]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009072207107981_2026_1604036_3.png!w643x738.jpg[/img][font=Calibri] [/font][/align][font=宋体] 进样针的针尖位置，就是进样口温度最高的位置，所以不要任意修改进样针的长度，经常见到用户使用国产进样针的场合。国产进样针比标准进样针要长一点，那么就需要设法缩短进样针的有效长度，常见的方法是在进样针上面插一个或者几个进样垫。[/font][font=宋体] [/font][font=宋体] 分流出口的位置，其实温度已经比较低了，所以样品有比较大的可能性在这个位置发生冷凝，所以在做日常维护的时候，除了常规的进样垫、衬管、色谱柱之外，应当需要注意一下进样内部腔体的清洁，其实分流出口的管路包括缓冲管，也是维护的重点。[/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] 小结[/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [font=宋体]进样口内部腔体的维护，也是比较重要的。[/font][/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=Calibri] [/font][font=Calibri] [/font][font=Calibri] [/font][font=Calibri] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=Calibri] [/font][font=宋体] [/font][font=Calibri] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体]注意衬管外壁的清洗[/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=Calibri] [/font]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：针对各种柔性和刚性隔热材料对变温和变真空环境下热物理性能参数的测试要求，本文介绍了采用准稳态法ASTM E2584 进行的测试系统初步设计方案，拟实现的高低温测试温度范围为-180~1500℃，真空度范围为0.05Pa~0.1MPa，样品尺寸为300mm×300mm×50mm，可实现导热系数、热扩散系数和比热容三个热物理性能参数的快速连续测量，并同时可通过热扩散系数的连续测量确定复合材料的固化度及优化固化工艺。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、概述[/color][/size][size=16px]随着空间技术和半导体行业的发展，对各种高温隔热材料的热物理性能测试提出了更高的要求，如温度范围要宽可覆盖高低温、可变真空以模拟空间环境和真空炉气氛环境。在目前的全球商用热物性测试设备中，具有高低温和变真空功能的只有德国耐驰公司和上海依阳公司的产品。如图1所示，采用稳态保护热板法，耐驰公司设备最高温度达到600℃，测试样品冷热面温差为20℃左右的导热系数。如图2所示，采用稳态热流计法，上海依阳公司设备最高温度达到1000℃（热流计法），测试样品冷热面温差最大可达1000℃的等效导热系数，可更接近实际隔热工况的对隔热材料中导热、辐射和对流复合传热机理共同作用结果做出测试评价。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][/color][/size][/align][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=高低温隔热材料热物性测试,690,460]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205101124340854_8773_3384_3.jpg!w690x460.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图1 德国耐驰公司GHP 456保护热板法导热仪[/color][/align][align=center][size=14px][color=#ff0000][/color][/size][/align][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=高低温隔热材料热物性测试,650,504]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205101125290599_6589_3384_3.jpg!w500x388.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图2 上海依阳公司TC-HFM-1000热流计法导热仪[/color][/align][size=16px]目前上述两种设备都在进行繁忙的常规测试，尽管都可以对隔热材料进行准确测试，但面对目前的各种新型高温隔热材料的发展，还是存在以下不足：（1）测试温度范围基本已经达到稳态法的极限，受材料和其他技术限制，再提升稳态法测试温度难度极大，同时会大幅提升造价。（2）稳态法只能测试导热系数一个参数，无法测试存在挥发和相变过程的热物性变化。（3）稳态法测试周期漫长，无法满足高通量隔热材料性能测试需求。为解决上述隔热材料热物理性能测试中存在的问题，本文将介绍采用准稳态法ASTM E2584 进行的隔热材料热物理性能测试系统初步设计方案。[/size][size=18px][color=#ff0000]二、拟达到的技术指标和初步方案[/color][/size][size=16px]拟达到的技术指标如下：（1）测试参数：导热系数、热扩散系数和比热容，测量不确定度±5%。（2）温度范围：-180℃~1500℃，发热体设计温度最高2000℃，测量不确定度±1%。（3）气氛环境：真空度0.01Pa~0.1MPa，可充各种惰性气体。（4）样品尺寸：截面积200×200mm~300×300mm，厚度20~150mm。（5）升降温速度：1~10℃/分钟。（6）测试方法：ASTM E2584。为实现上述技术指标，设计了隔热材料热物理性能测试系统，系统整体结构的初步设计如图3所示。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=高低温隔热材料热物性测试,690,509]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205101126124993_1958_3384_3.png!w690x509.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图3 高低温和真空环境下隔热材料热物理性能测试系统[/color][/align][size=16px]整个测试系统设计为高低温分体结构，即分为高温测试和低温测试两套装置，高温覆盖室温~1500℃，低温覆盖室温~-180℃。两套装置分别安装在卧式真空腔体的前后推拉腔门上，公用一个真空腔体，整个真空腔体和前后门通过循环水进行冷却保护，并同时保证环境温度恒定。真空腔体内的气体种类和气压大小通过腔体侧面布置的真空系统进行精确控制。为实现1500℃甚至更高温度2000℃的材料热物性测试，测试系统的高温发热体为矩形钼加热片结构。为实现最低温度-180℃下的测试，采用液氮作为冷却介质，并结合矩形电加热薄膜进行温度精密调节和控制。高温和低温测量装置中的热源和冷源都采用薄片结构，可保证样品表面温度的均匀性和满足一维热流条件，同时可降低侧向高低温热防护装置的复杂程度。在测试系统中，高温加热装置和低温冷却装置都为升降结构，通过升降来完成被测样品的放入、取出和压紧，并实现不同厚度样品的测试。对于柔性隔热材料，可在测试过程中准确恒定样品厚度。在高低温真空试验设备中，高温发热体一般采用极易氧化的高温材料，同时频繁的高低温冷热交变会带来很大的热变形和热损伤等不利影响，这些都要求高低温设备的结构设计要便于维护和维修。因此本文所述高低温测试系统的设计采用了分体结构，非常便于拆装和维护。本文所述的高低温热物理性能测试系统，采用了准稳态测试方法，主要有以下优势：（1）可测量多个热物性参数，如导热系数、热扩散系数和比热容，特别是可以在整个相变过程中测试材料热物性的连续变化情况。同时还可以通过热扩散系数测试来确定固化度。（2）测试温度可以达到很宽的范围，而且测试速度快，通过一个完整的线性升降温过程就可以得到整个温区范围内的热物性随温度变化曲线，大幅缩短测试周期提高测试效率。（3）准稳态法测试原理是基于平板样品的一面线性温度变化，另一面绝热的边界条件，因此会在平板样品厚度方向上会形成更接近实际隔热应用时的较大温差，测试结果会包含导热、辐射和对流的复合传热效应，测试结果更能表征隔热材料的真实性能。[/size][align=center]=====================================[/align][align=center][/align][align=center][/align][align=center][/align][align=center][/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：低温结霜可视化实验装置主要用于模拟空间环境并研究深冷表面结霜现象，客户希望对现有实验装置的真空系统进行技术升级，以实现0.001Pa~1000Pa范围内真空度的准确控制。为此本文提出了分段控制解决方案，即采用电容真空计、电动针阀、电动球阀和低真空控制器构成低真空控制回路；采用皮拉尼计、可变泄漏阀和高真空控制器构成高真空控制回路。解决方案可以很好达到技术指标要求，也可推广应用到其它真空和超高真空度控制。[/b][/color][/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][img=低温结霜可视化实验装置的真空压力精密控制,600,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309280929054356_4108_3221506_3.jpg!w690x456.jpg[/img][/size][/align][size=16px][/size][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 结霜现象广泛存在于自然界和低温、制冷、航空航天等工程领域，当冷表面温度低于对应水蒸气分压下的冰点温度时，水蒸气将会在冷表面凝华成霜。以往对常压、普冷条件下的结霜现象研究较多，霜层表面与湿空气之间的传热、传质机理已比较明确，但常压下凝华成霜的机理和物性参数与真空低温条件下的差异很大，以往研究所得的结霜机理无法直接用于真空深冷环境下的凝华过程分析，因此在航天器以及航天器地面模拟试验中必须要对水蒸气遇到低温表面产生凝华结霜现象进行研究，如采用结霜可视化实验装置，针对深冷表面的结霜现象，研究不同气压条件下霜层的微观形貌和生长过程，并进行对比分析。[/size][size=16px] 如图1所示，冷表面结霜可视化实验装置由低温系统、真空系统、数据采集系统和图像采集系统组成，其中低温系统和真空系统用于控制结霜环境条件，包括冷表面温度和真空度；数据采集系统记录冷表面的温度、真空度；图像采集系统用于记录和分析霜层形貌及其生长过程的图像信息。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=冷表面结霜可视化实验装置结构示意图,400,293]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309280927546741_3952_3221506_3.jpg!w690x507.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 冷表面结霜可视化实验装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 采用可视化实验装置需要对真空容器进行不同气压值的精确控制，以模拟不同空间环境下的不同真空压力值。但目前的实验装置仅能进行250Pa左右的真空度控制，且波动性较大。[/size][size=16px] 针对现有冷表面结霜可视化实验装置中真空度控制存在的问题，客户希望在现有干泵和分子泵基础上进行升级改造，并提出了相应的技术要求，具体指标如下：[/size][size=16px] （1）真空度控制范围：0.001Pa~1000Pa（绝对压力）。[/size][size=16px] （2）真空度控制精度：优于±20%（0.001Pa~1Pa），优于±1%（1Pa~1000Pa）。[/size][size=16px] 针对上述客户提出的技术指标，本文介绍了相应的技术改造方案，具体内容如下。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对低温结霜可视化实验装置真空环境需控制在高真空度（0.001Pa~0.1Pa）和低真空度（0.1Pa~1000Pa）范围内，本文所述的解决方案将在现有干泵和分子泵组成的抽气系统基础上，采用动态平衡控制法，使用两套控制回路分别实现低真空和高真空范围的精密控制。整个真空度控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=可视化实验装置真空度控制系统结构,690,356]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309280928215793_1360_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 可视化实验装置真空度控制系统结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于低真空（0.1Pa~1000Pa）范围的控制，控制回路由电动针阀、电容真空计、电动球阀和低真空控制器组成。真空度的测量使用了2只不同量程的电容真空计（0.1Torr和10Torr），并采用了双通道的低真空控制器。在10Pa~1000Pa范围内，控制器的第一通道采集10Torr真空计信号，通过自动调节电动球阀开度并恒定电动针阀进气流量，可实现10Pa~1000Pa范围内的真空度控制。在0.1Pa~10Pa范围内，控制器的第二通道采集0.1Torr真空计信号，通过自动调节电动针阀开度并保持电动球阀为全开状态，可实现0.1Pa~10Pa范围内的真空度控制。[/size][size=16px] 对于高真空（0.001Pa~0.1Pa）范围的控制，控制回路由可变泄漏阀、皮拉尼计和高真空控制器组成。高真空度控制器为单通道真空压力控制器，在开启分子泵全速抽取的状态下，控制器采集皮拉尼计信号，通过自动调节可变泄漏阀的微小进气流量，可实现0.001Pa~0.1Pa范围内的真空度控制。需要注意的是，皮拉尼计输出信号有严重的非线性特征，因此所采用的真空压力控制器具有信号的线性处理功能，如采用了八点最小二乘法曲线拟合进行非线性处理，由此可很好的保证高真空度范围的测量和控制准确性。[/size][size=16px] 在低真空控制过程中，高真空控制器控制可变泄漏阀为关闭状态，同时控制器采集皮拉尼计信号进行真空度显示（此显示数据精度较差）。在高真空控制过程中，需采用低真空控制器关闭电动针阀阻塞进气，并同时控制电动球阀处于全开状态。[/size][size=16px] 在低温结霜可视化实验装置中，除了进行真空度控制之外，还需要使用液氮和相应温控系统进行低温温度的准确控制，而真空度控制的准确性会对温度控制精度产生明显影响，为此真空控制系统中关键部件的选择尤为重要。以下为解决方案中关键部件选择的具体说明：[/size][size=16px] （1）真空计：为了保证真空度的测量精度，解决方案在低真空范围选择了电容真空计，在任意真空度下其测量精度可优于±0.25%；在高真空范围内（0.001Pa~0.1Pa）选择的是皮拉尼计，其测量精度为真空度读数的±15%，但与真空度对应的电压输出信号为指数函数。[/size][size=16px] （2）进气和排气调节阀：调节阀的关键指标是响应速度和线性度，只有具有快速的气体流量调节能力，才能实现高精度的真空度控制。解决方案所选择的电动针阀和可变泄漏阀所具有的响应速度都小于1秒，而电动球阀具有1秒和7秒两种型号的响应速度。另外，所选择的这些调节阀门都是国产化替代产品，具有很好的线性度，试验考核证明在低真空范围内可轻松实现±1%的控制精度，如果选用更高精度为0.05%的电容真空计，可实现优于±0.1%的控制精度。[/size][size=16px] （3）真空控制器：在真空计和调节阀满足精度要求的前提下，真空控制器的精度和线性化处理功能则是实现高精度控制的关键。解决方案所选择的VPC-2021系列真空控制器，采用了目前国际上最高精度的工业用微处理芯片，具有24位AD和16位DA，使用双精度浮点运算可使最小功能输出百分比达到0.01%，控制器的这些技术指标可以充分发挥上述真空计和调节阀的高精度优势。同时，VPC-2021系列真空控制器具有八点曲线拟合功能，可更好的保证皮拉尼计测量精度以及高真空范围内的控制精度，如果皮拉尼计已经进行了对数处理输出的是线性信号，控制器也可以通过参数设置功能将其转换为真实的真空度数值。另外，VPC-2021系列真空控制器具有PID参数自整定功能和随机软件，在使得自动控制更加简便的同时，更无须在进行任何编程即可搭建起计算机控制系统，通过计算机软件可快速进行控制过程的参数设置和运行控制，可对过程曲线进行显示、存储和调用。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，针对客户对低温结霜可视化实验装置真空度精密控制的技改要求，本文提出的解决方案可以的达到技术要求指标。另外，此解决方案还具有如下特点：[/size][size=16px] （1）本文所述的解决方案是一个非常典型真空度精密控制方案，可以推广应用到空间环境模拟等各种试验装置中的真空度准确控制，特别是采用了可变泄漏阀的超高真空度控制技术，更是具有突出的技术优势。[/size][size=16px] （2）解决方案中所采用的VPC-2021系列控制器，是具有超高精度的工业用多功能PID控制器，可采集测量多达47种传感器信号，因此VPC-2021系列控制器也常被用于温度、流量和张力等其他参数的高精度控制。同时，VPC-2021系列控制器具有多种高级控制功能，如串级控制、分程控制和比值控制功能，可实现复杂控制系统的自动控制。另外，VPC-2021系列控制器还具有远程设定点功能，通过此功能可实现自动跟踪控制和外部周期信号驱动的复杂波形自动控制。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

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

[color=#990000]摘要：本文针对微激光束焊接中真空控制系统的压力调节，介绍了相应的解决方案。具体实施方案是配备不同量程的真空计、进气电动针阀、排气电动球阀和双通道高精度PID控制器，并采用上游和下游控制模式可实现全量程范围内的气压调节和恒定控制。此解决方案可在全量程范围内任意设定点的真空度恒定控制达到波动率小于±1%。[/color][align=center][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][color=#990000] [size=18px]一、背景介绍[/size][/color]微激光束焊接 (LBW) 也称为微焊接，是通过投射出的微小直径激光光束，产生微观焊缝将不同金属熔合在一起。最近有客户提出定制要求，要求在微激光束焊接的系统中，配备用于精确压力调节的真空控制系统。具体要求是焊接腔室内充入惰性气体，焊接腔室内的绝对气压在10Pa至一个大气压（0.1MPa）的真空范围内精确恒定控制，在任意控制点上的气压波动小于±1%。本文将针对上述客户对微激光束焊接中真空控制系统的压力调节技术要求，提出相应的解决方案。具体实施方案是配备不同量程的真空计、进气电动针阀、出气电动球阀和双通道高精度PID控制器，并针对不同真空度量程分别采用上游和下游控制模式实现全量程范围内的气压调节和恒定控制。此解决方案可在全量程范围内任意设定点的真空度恒定控制达到波动率小于±1%。[size=18px][color=#990000]二、解决方案[/color][/size]微激光束焊接 (LBW) 真空控制系统的压力调节解决方案如下图所示。[align=center][img=微激光束焊接中的真空控制系统,400,555]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209201618016926_439_3221506_3.png!w590x819.jpg[/img][/align]由于微激光束焊接所要求的气压调节范围（绝对压力）为10Pa~0.1MPa的真空度，并实现全量程任意设定真空度在恒定过程中的波动率小于±1%，而且还要求对焊接过程中所引起的气压波动进行快速调节并恒定能力，故本解决方案采用两个控制回路来覆盖全量程。第一个控制回路负责控制1kPa~101kPa范围的高气压，采用了1000Torr量程的薄膜电容真空计作为传感器。此真空计连接PID控制器的第一通道，PID控制器通过接收到的真空度信号与设定值进行比较来调节电动球阀，使得焊接室内的气压快速达到设定值并保持恒定。第二个控制回路负责控制10Pa~1kPa范围的低气压，采用了10Torr量程的薄膜电容真空计作为传感器。此真空计连接PID控制器的第二通道，PID控制器通过接收到的真空度信号与设定值进行比较来调节电动针阀，使得焊接室内的气压快速达到设定值并保持恒定。为保证控制精度和稳定性，此解决方案中要求电动针阀和球阀需要具有1秒以内的响应速度，并要求双通道PID控制器具有24位AD和16位DA的高精度。此解决方案已成功得到广泛应用。[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]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：针对现有低气压环境下沿面闪络测试中存在真空度无法精确控制所带来的一系列问题，特别是针对用户提出的对现有沿面闪络试验装置的真空控制系统进行技术改造要求，本文提出了相应的技改方案，技改方案采用基于动态平衡法的电动针阀和电动球阀上下游控制模式，并辅助上游微小进气流量的自动可变泄漏阀控制技术，可在超高真空至常压的全真空度范围内实现低气压环境的精密控制和准确模拟，可有效提高沿面闪络性能测试精度。[/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] 沿面闪络是指在绝缘材料与空气、真空等介质交界面处形成的贯穿性击穿放电现象。由于沿面闪络的放电电压远小于绝缘材料的击穿放电电压，因此沿面闪络成为空问环境中航天器表面静电放电的主要形式之一，对航天器安全有着严重的威胁，因此对其研究和测试十分重视。[/size][size=16px] 国内外在绝缘材料沿面闪络特性方面进行了广泛的研究，特别是针对航天器所处太空环境的复杂性，我国也建立了航天器表面带电模拟系统，并以航天器常用绝缘材料——聚酰亚胺为典型研究对象，研究低气压环境下聚酰亚胺以及其他新材料的沿面闪络特性，为航天器静电防护设计提供依据。但已建立的低气压环境沿面闪络试验装置存在无法高精度控制真空度的问题，由此会给沿面闪络测量带来较大误差，同时也会造成对解吸附气体、粗糙度、化学变化等影响因素的研究产生严重影响，更不利于新材料研发过程中的沿面闪络性能及其相关因素的准确评价。[/size][size=16px] 针对现有沿面闪络试验装置存在的问题，用户提出要对试验装置的真空控制系统进行技术改造。为此，本文根据用户的技术要求提出了技改方案，以在全真空度范围内实现低气压环境的准确模拟，有效提高沿面闪络性能测试精度。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 基于现有低气压环境沿面闪络试验装置，解决方案拟达到如下技术指标：[/size][size=16px] （1）气压控制范围（绝对压力）：1×10[sup]-4[/sup]Pa~1×10[sup]5[/sup]Pa。[/size][size=16px] （2）1×10[sup]-1[/sup]Pa~1×10[sup]5[/sup]Pa范围控制精度：读数的±1%。[/size][size=16px] （3）1×10[sup]-4[/sup]Pa~1×10[sup]-1[/sup]Pa范围控制精度：读数的±20%。[/size][size=16px] （4）功能：在气压控制范围内可设置任一值进行自动恒定控制，控制装置带通讯接口可与上位机通讯。[/size][size=16px] 为了实现从低真空至超高真空的全量程真空度准确控制，解决方案将采用动态平衡法进行控制，其具体控制内容如下：[/size][size=16px] （1）对于1×10[sup]3[/sup]Pa~1×10[sup]5[/sup]Pa的低真空范围，采用下游控制模式，即固定真空腔体进气流量，通过调节下游排气流量来实现真空度的准确控制。[/size][size=16px] （2）对于1×10[sup]-4[/sup]Pa~1×10[sup]3[/sup]Pa的高真空范围，采用上游控制模式，即固定（或最大）真空腔体排气流量，通过调节上游进气流量来实现真空度的准确控制。[/size][size=16px] 依据上述控制方法设计的真空度控制系统如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=沿面闪络试验装置真空度控制系统结构示意图,690,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311061723030230_8839_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 沿面闪络试验装置真空度控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，整个真空度控制系统主要由以下三部分组成：[/size][size=16px] （1）下游排气流量调节装置：如图1右边所示，下游排气流量调节装置主要由低真空电容规、电动球阀、VPC2021-1系列单通道真空度控制器、干泵和分子泵组成。其中干泵用来提供低真空源，分子泵用来提供高真空源，低真空电容规真空度测量量程为1×10[sup]3[/sup]Pa~1×10[sup]5[/sup]Pa，电容规测量得到的真空度信号传输给真空度控制器，控制器将检测信号与设定值比较后再经PID计算输出控制信号驱动电动球阀的开度变化，由此来调节排气流量使沿面闪络测试装置真空腔体内的真空度快速恒定在设定值处。[/size][size=16px] （2）上游进气流量粗调装置：如图1左上角所示，上游进气流量粗调装置主要由高真空电容规、电动针阀、压力调节器、双通道真空度控制器和高压气源组成。高真空电容规真空度测量量程为1×10[sup]1[/sup]Pa~1×10[sup]3[/sup]Pa，电容规测量得到的真空度信号传输给真空度控制器，控制器将检测信号与设定值比较后再经PID计算输出控制信号驱动电动针阀的开度变化，由此来调节进气流量使沿面闪络测试装置真空腔体内的真空度快速恒定在设定值处。为了保证电动针阀进气口处的压力稳定且略高于一个大气压，在电动针阀的进气口处安装了一个压力调节器，以对高压气源进行降压和精密恒压控制，由此可有效保证高真空度控制精度。粗调装置采用了VPC2021-2系列双通道真空度控制器，其中第一通道用来连接高真空计和电动针阀组成闭环控制回路，第二通道则直接用来控制压力调节器。[/size][size=16px] （3）上游进气流量细调装置：如图1左下角所示，上游进气流量细调装置主要由用于超高真空测量的皮拉尼计或电离规、可变泄漏阀、VPC2021-1系列单通道真空度控制器和高压气源组成。皮拉尼计或电离规真空度测量量程为1×10[sup]-4[/sup]Pa~1×10[sup]1[/sup]Pa，电离规测量得到的真空度信号传输给真空度控制器，控制器将检测信号与设定值比较后再经PID计算输出控制信号驱动可变泄漏阀，由此来调节微小进气流量使沿面闪络测试装置真空腔体内的真空度快速恒定在设定值处。需要注意的是，在进气流量细调过程中，需要将粗调装置中的电动针阀关闭，使得粗调管路内无任何进气。[/size][size=16px] 在整个真空度量程范围的控制过程中，具体操作步骤需要注意以下内容：[/size][size=16px] （1）对于1×10[sup]3[/sup]Pa~1×10[sup]5[/sup]Pa的低真空范围，采用下游控制模式。在下游控制运行之前要关闭上游进气细调装置和开启上游进气粗调装置，并设置上游进气粗调装置为手动模式，使电动针阀的开度保持恒定，即使得进气流量保持恒定，然后再运行下游控制模式。[/size][size=16px] （2）对于1×10[sup]-4[/sup]Pa~1×10[sup]3[/sup]Pa的高真空范围，采用上游控制模式。在上游控制运行之前要设置下游进气粗调装置为手动模式，并使控制器输出值（OP）为100%，使电动球阀的开度保持全开状态，即使得排气流量为最大状态，然后再运行上游控制模式。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案可以彻底解决低气压环境沿面闪络特性测试过程中的真空度控制问题，并具有很高的控制精度和自动控制能力。此外，本解决方案还具有以下特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案具有很强的适用性和可拓展性，通过改变其中的相关部件参数指标就可适用于不同范围的真空压力，实现各级真空度的精密控制。[/size][size=16px] （2）本解决方案可以通过高压气源的改变来实现不同工作气体下的真空度控制，也可进行多种气体混合后的低气压环境控制，具有很大的灵活性。[/size][size=16px] （3）解决方案中的所有型号控制器都自带计算机软件，可直接通过计算机的屏幕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，极大方便了试验装置的搭建和测试研究。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=16px][b][/b][/size]