真空球阀仪

[color=#990000]摘要：针对目前MOCVD设备和工艺中真空压力控制方面存在的问题，如多数设备仅能使用下游控制模式、节流阀响应速度不够、节流阀耐腐蚀问题和压力控制器采集精度不高，本文提出了相应的解决方案，以进行MOCVD设备的改进和提高工艺和产品质量。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、问题提出[/color][/size]在半导体行业内，MOCVD具有许多显著特点，可用于大面积生长，可精确控制成分和厚度，具有高重复性和生长速率，可覆盖复杂基板形状，可快速切换气路制备陡峭的多层界面，适用于原位退火等。但在MOCVD设备的开发和工艺调试中，需要研究和选择与生产相关的生长参数，这些参数包括反应室形状、工作压力、生长温度、基座转速、气体流速和入口温度等。MOCVD的工作压力一般为10 mtorr-500 torr范围内，工作压力的精密控制决定了反应室的流动稳定性，但在目前的真空压力控制中还存在以下问题：（1）如图1所示，目前的MOCVD设备基本都采用下游模式对工作压力进行控制，即在排气端安装节流阀进行排气流量调节实现反应室内的压力控制，但这仅适用于压力较高的工艺，如工作压力100~500torr范围。但对于有些工艺的低压要求，采用下游控制模式会造成工作压力波动较大，无法准确控制，从而影响产品质量。对于低工作压力的精密控制最好采用上游控制模式，即控制进气端的流量实现反应室的压力稳定。[align=center][img=MOCVD压力控制,600,265]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202050858525574_7248_3384_3.png!w690x305.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 MOCVD典型压力控制系统示意图[/color][/align]（2）MOCVD工艺过程始终伴随着温度变化，而温度变化会严重影响工作压力的稳定性和可控性，因此要求在温度变化过程中同时实现工作压力的准确控制，这就要求进气和排气控制阀的响应速度越快越好，控制阀从全开到全闭至少要控制在5秒内，1秒以内更佳。（3）有些MOCVD工作气体带有腐蚀性，相应的阀门也需具有较强的抗腐蚀性以提高设备的连续正常工作寿命。（4）目前绝大多数控制都采用PLC模组，但极少PIC控制器能达到24位的模数转换精度，对于工作压力的精密控制，建议采用24位精度的PID控制器以充分发挥电容式压力传感器的高精度测量优势。本文将针对目前MOCVD设备和工艺中存在的上述问题，提出相应的解决方案。[size=18px][color=#990000]二、压力精密控制方案[/color][/size]在MOCVD工作压力范围内，一般要求在一定范围内，反应室内的工作压力可以在任意设定点上准确恒定。为了满足低压和高压的不同压力范围精密控制，所提出的压力控制方案是在原有的下游控制模式上增加上游控制模式，真空压力控制系统结构如图2所示，具体内容如下：[align=center][color=#990000][img=MOCVD压力控制,600,330]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202050900060793_95_3384_3.png!w690x380.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 MOCVD真空压力控制系统结构示意图[/color][/align]（1）在反应室的进气口和排气口分别安装步进电机驱动的电子针阀和电动球阀，电子针阀直接安装在进气口处，电动球阀安装在排气口和真空泵之间。对于MOCVD设备，可增加一个气囊以对进入的工作气体进行按比例混合后再经电子针阀进入反应室。当在高压下进行控制时，可固定电子针阀的开度，仅调节下游的电动球阀；在低压下进行控制时，可固定电动球阀的开度，仅调节上游的电子针阀。由此可满足不同压力控制的需要。（2）电子针阀和电动球阀都有高速型节流阀，电子针阀的响应速度为0.8秒，电动球阀有两种响应速度型号，分别是5秒和1秒。针阀和球阀的阀体采用不锈钢，密封件采用FFKM全氟醚橡胶，超强耐腐蚀性，可用于各种腐蚀性气体和液体。（3）在MOCVD中一般采用1000torr或10torr量程的电容压力计进行压力测量，其精度可达±0.2%。也可采用更高精度±0.05%的真空压力传感器进行测量。由此，方案中采用专用的24位A/D采集的高精度PID真空压力控制器，以匹配高精度电容式压力传感器的测量精度，并保证控制精度。综上所述，通过以上方案的实施，可以在整个真空压力范围内，将压力波动控制在±1%以内，并会快速响应反应室的温度变化实现压力的快速恒定，同时耐腐蚀性密封件将大幅度提高阀门的使用寿命。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][img=,690,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311949282951_4033_3384_3.png!w690x371.jpg[/img][/align][color=#ff0000]摘要：针对密封腔体内真空度（压强）的准确控制，本文基于薄膜电容真空计、电动针阀、电动球阀、真空泵和高精度PID控制器组成的真空控制系统，设计了上下游两种模式的控制试验方案。依据对两种试验方案分别进行了试验，考核了10Pa~600Torr真空度范围内十几个设定点的恒定控制精度，并用波动率描述了考核试验结果。试验结果显示在整个真空度量程范围内，恒定控制的波动率小于±1%。[/color][color=#ff0000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]1. 考核试验方案[/color][/size]　　在真空腔体的真空度（压强）控制过程中，会针对具体要求对真空度进行准确的定点控制或程序曲线控制，并配套使用真空计、电动针阀、电动球阀（电动蝶阀）、真空泵和高精度PID控制器。　　在真空度具体控制过程中，一般会根据具体工艺要求在上游控制和下游控制这两种模式中选择一种。一般而言，在低真空（高压）下会选择下游控制模式，在高真空（低压）下会选择上游控制模式。　　为了考察真空度（压强）控制模式和控制系统的控制精度，分别设计了两个考核试验方案。[color=#ff0000]1.1. 配备电动针阀的上游控制模式[/color]　　上游控制模式考核试验方案如图1-1所示。　　在上游模式中主要考核1Torr以下的高真空度恒定控制，所以采用了1Torr量程的薄膜电容真空计。真空腔体的进气由24位高精度的PID控制器控制电动针阀来进行调节，真空腔体的出气则由真空泵进行抽取。在真空泵抽气速率恒定的情况下，通过自动调节电动针阀的开度来实现腔体内真空度的控制。[align=center][img=1-01.上游控制模式试验方案示意图,400,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311953076843_6825_3384_3.png!w690x710.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图1-1 上游控制模式试验方案示意图[/color][/align]　　实施上述设计方案的考核试验装置如图1-2所示。[align=center][color=#ff0000][img=1-02.上游控制模式考核试验装置,690,466]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311953439851_1379_3384_3.png!w690x466.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-2 上游控制模式考核试验装置[/color][/align][color=#ff0000]1.2. 配备电动球阀的下游控制模式[/color]　　下游控制模式考核试验方案如图1-3所示。　　在下游模式中主要考核小于一个大气压（760Torr以下）的低真空度恒定控制，所以采用了1000Torr量程的薄膜电容真空计。真空腔体的进气由手动阀门保持一恒定开度，真空腔体的出气则由真空泵进行抽取，但通过24位高精度的PID控制器控制电动球阀来调节出气速度。在进气和真空泵抽气速率都恒定的情况下，通过自动调节电动球阀的开度来实现腔体内真空度的控制。[align=center][color=#ff0000][img=1-03.下游控制模式试验方案示意图,400,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311954050798_6215_3384_3.png!w666x713.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-3 下游控制模式试验方案示意图[/color][/align]　　实施上述设计方案的考核试验装置如图1-4所示。[align=center][color=#ff0000][img=1-04.下游控制模式考核试验装置,690,425]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311954267687_6095_3384_3.png!w690x425.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-4 下游控制模式考核试验装置[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]2. 试验和结果[/color][/size][color=#ff0000]2.1. 上游控制模式试验和结果[/color]　　在上游模式试验过程中，首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在68Pa左右对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2-1所示。[align=center][color=#ff0000][img=2-1. 上游考核试验曲线,690,418]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311955268759_6495_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-1 上游控制模式真空度定点控制考核试验曲线[/color][/align]　　将上述不同真空度恒定控制点处的控制效果以波动率来表达，则得到如图2-2所示的不同真空度下的控制波动率。从波动率图可以看出，采用1Torr真空计控制1Torr以下真空度时，波动率会随着真空度的升高（压强降低）而增大，主要因为以下几方面的原因：[align=center][color=#ff0000][img=2-2. 上游模式真空度恒定控制波动度,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311955531485_5277_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-2 上游模式真空度恒定控制波动率[/color][/align]　　（1）在整个控制过程中，始终采 用的是在68Pa真空度恒定点处自整定后的PID参数，显然将此PID参数应用于12Pa恒定点控制并不太合适，还需进行单独的PID参数。　　（2）在PID参数自整定后，并未对PID进行更进一步的精细调节，直接采用了自整定获得的PID参数，这也是影响波动率的一个原因。　　（3）1Torr真空计的量程为0.0001~1Torr，即0.013~133.32Pa，对应的模拟信号输出为0~10V。在上述实际测量中，最低真空度恒定点107Pa时的模拟信号为8.026V，最高真空度恒定点12Pa时的模拟信号为0.900V，那么对于一定采集精度的控制器而言，测量和控制0.900V时的测控误差显然会较大。[color=#ff0000]2.2. 下游控制模式试验和结果[/color]　　在下游模式试验过程中，首先开启真空泵后使其全速抽气，并将进气阀调节到微量进气的位置，然后在300Torr左右对PID控制器进行PID参数自整定。自整定完成后，分别对70、200、300、450和600Torr共5个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图2-3所示。[align=center][color=#ff0000][img=2-3. 下游考核试验曲线,690,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311956082491_876_3384_3.png!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-3 下游控制模式真空度定点控制考核试验曲线[/color][/align]　　将上述不同真空度恒定控制点处的控制效果以波动率来表达，则得到如图2-4所示的不同真空度下的控制波动率。从波动率图可以看出，采用1000Torr真空计控制1000Torr以下真空度时，波动率会随着真空度的升高（压强降低）而略有增大，与上游控制模式中的现象一致。[align=center][color=#ff0000][img=2-4. 下游模式真空度恒定控制波动度,690,427]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311956206407_9051_3384_3.png!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-4 下游模式真空度恒定控制波动率[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]3. 结论[/color][/size]　　通过上下游两种控制模式的考核试验，可得出以下结论：　　（1） 配备有目前型号电动针阀、电动球阀和PID控制器的真空度（压强）控制系统，在采用了薄膜电容真空计条件下，恒定真空度（压强）控制的波动率可轻松的保持在±1%以内；　　（2） 由于真空控制系统中进气或出气流量与真空度并不是一个线性关系，因此在整个测控范围内采用一组PID参数并不一定合适，为了使整个测控范围内的波动率稳定，还需采用2组以上PID参数。　　（3） 今后还需开展进一步的研究和试验工作，希望控制波动度能降低到±0.5%以下，而且提高控制响应速度，以满足更苛刻的真空工艺要求。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [align=center][img=,690,305]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311952439870_640_3384_3.jpg!w690x305.jpg[/img][/align]

[size=16px][color=#990000]摘要：卤制品作为传统美食，真空干燥工艺可有效改善加工品质和缩短生产时间而越来越在卤制品研制和生产工艺得到广泛应用。针对新型真空脉冲卤制工艺中对真空度这一重要工艺参数提出的快速和精密控制要求，本文详细介绍了完整的解决方案以及实施内容。[/color][/size][size=16px][color=#990000][/color][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]卤制品作为传统而又营养丰富的食品，深受大众喜爱，是休闲、旅游的等需要的即食食品。目前的卤制品制造工艺主要分为传统卤制法和真空干燥法两大类，而新型的真空脉冲卤制工艺更是具有突出的特点，如文献[1]中所介绍的那样，真空脉冲卤制与传统卤制相比，不仅可以缩短卤制时间，由原来的8小时缩短到80分钟，大大提高生产效率、保留食品风味，还可以使微生物的含量降低了4个数量级，产品安全性大幅提升。[align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281129045007_5097_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 真空脉冲卤制工艺过程中的真空度和温度变化示意图[/color][/align]典型的真空脉冲卤制工艺过程如图1所示，真空脉冲卤制工艺对设备的要求较高，对卤制工艺过程中的两个重要参数（真空度和温度）要求具有精密控制能力，具体要求如下：（1）可同时实现对真空度和温度的实时测量，并按照设定程序进行精密控制。由此控制器需具备至少两通道独立的信号采集和控制功能。（2）如图1所示，需要按照在设定的真空度和温度的上下限范围内以及相应的变化速度，对真空度和温度进行准确控制。这相当于要求控制器具备准确的程序曲线控制能力。本文将针对上述要求，提出相应的解决方案，并将介绍可用于真空脉冲卤制工艺的集成式真空度和温度控制器，介绍用于气体流量调节的步进电机驱动的耐腐蚀数控针阀和电动球阀，由此可很好的满足真空脉冲卤制工艺的精密控制要求。[size=18px][color=#990000]二、真空脉冲卤制工艺控制方案[/color][/size]真空脉冲卤制工艺中需要对真空度和温度进行精密控制，具体的控制系统实施方案如图2所示。[align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,690,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281129179992_7999_3384_3.png!w690x310.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 真空脉冲卤制工艺控制系统结构示意图[/color][/align]在图2所示的真空度控制过程中，采用了与以往真空度控制不同的方法，即在真空腔室上增加了一路进气通道，并采用了响应速度较快的数控针阀、电动球阀和高精度多通道控制器。此方案具有以下两项突出特点：（1）可实现真空度在0.1~1000mBar范围内的精密控制，全量程范围内具有小于±1%的波动率。具体实施是真空度小于10torr时的控制采用上游模式，即全开电动球阀后调节数控针阀；真空度大于10torr时的控制采用下游模式，即恒定数控针阀开度后调节电动球阀。同时，快速响应型阀门和控制器能保证温度变化对真空度的影响最小。（2）配备的2通道集成式PID控制器，可实现对真空度和温度和转盘速度的同时控制。2个独立通道用于真空度和温度的测量、控制和显示。（3）上位计算机可与控制器实时通讯，以设计、编辑、存储和调用各种真空度和温度控制工艺曲线。[size=18px][color=#990000]三、24位高精度多功能控制器[/color][/size]为实现真空脉冲卤制工艺中真空度和温度的精密控制，目前我们已经开发出VPC-2021系列24位高精度可编程PID通用型控制器，如图3所示。此系列PID控制器功能十分强大，且性价比非常高。[align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,650,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281129289786_1803_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 VPC-2021系列高精度PID程序控制器[/color][/align]VPC-2021系列控制器主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）最高采样速度：50ms。（3）多种输入参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可连接各种温度和真空度传感器进行测量、显示和控制。（4）多种输出形式：16位模拟信号 、2A (250V AC)继电器、22V/20mA固态继电器、3A/250VAC可控硅。（5）多通道：独立1通道或2通道输出。2通道可实现温度和真空度的同时测控，报警输出通道可用来控制旋转电机。（6）多功能：正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。（7）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）。（8）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。（9）显示方式：数码馆和IPS TFT真彩液晶。（10）软件：通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。（11）外形尺寸：96×96×87mm(开孔尺寸92×92mm)。[size=18px][color=#990000]四、步进电机驱动耐腐蚀高速数控针阀[/color][/size]为实现真空度控制过程中的高精度调节，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，如图4所示。此系列数控针阀的磁滞远小于电磁阀，并具有1秒以内的高速响应，特别是采用了氟橡胶（FKM）密封技术，使阀门具有超强的耐腐蚀性，详细技术指标如图5所示。[align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,450,385]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281129406454_4591_3384_3.png!w450x385.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 NCNV系列数控针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281129509450_6453_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 NCNV系列数控针阀技术指标[/color][/align]NCNV系列数控针阀配备了一个步进电机驱动电路模块，给数控针阀提供了所需电源和控制信号，並以将直流信号转换为双极步进电机的步进控制，同时也可提供 RS485 串口通讯的直接控制，其规格尺寸如图6所示。[align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,690,219]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281130018013_9201_3384_3.png!w690x219.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 NCNV系列数控针阀驱动模块及其尺寸[/color][/align]真空微波干燥中使用数控针阀时，也可采用开环控制方式将针阀安装来真空泵前端代替电动球阀，通过调节抽气流量来实现真空度的控制，但这种开环控制方式的稳定性差，难达到较高的稳定性要求。所以一般建议采用图1中的闭环控制方式，即在真空腔室上增加一路进气控制阀，通过同时调节进气流量和排气流量实现真空度的精密控制。[size=18px][color=#990000]五、高速电动球阀[/color][/size][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]lc[/color][/url]V-DS系列电动球阀是一款微型电动球阀，其执行器和阀体的一体化设计减小了外形体积，如图7所示，常安装在密封容器和真空泵之间用于调节排气速率。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]lc[/color][/url]V-DS系列电动球阀的技术指标如图8所示。[align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,400,461]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281130123098_1998_3384_3.jpg!w400x461.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]lc[/color][/url]V-DS系列电动球阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=真空脉冲卤制,500,568]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202281130349617_8904_3384_3.jpg!w690x784.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]lc[/color][/url]V-DS系列电动球阀技术指标[/color][/align]不同于传统电动球阀，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]lc[/color][/url]V-DS系列电动球阀具有以下突出特点：（1）具有小于7秒的较快响应速度，特殊订制可将响应速度提高到1秒以内。（2）密封性能良好，防护等级IP67，可用于低压和真空范围内的气流调节。（3）采用铜加不锈钢齿轮设计，精度高输出力矩大。（4）外型小巧，结构紧凑，安装简易，适用于设备的小型化。（5）运行电流低，可以使用电池供电。（6）寿命长达7万次到10万次。[size=18px][color=#990000]六、参考文献[/color][/size][1] 李海涛, 赵良忠, 范柳,等. 休闲豆干真空脉冲卤制工艺优化[J]. 食品工业科技, 2018, 39(17):7.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000][b]摘要：针对目前普通真空烘箱在干燥细粉中存在污染系统和扬尘排出等安全隐患问题，特别是针对客户提出的真空干燥箱技术改造要求，本文提出了烘箱真空度程序控制的解决方案。解决方案的核心是要实现真空烘箱的受控冲洗和排放循环，更重要的要使烘箱真空度随时间有个缓慢且可控的变化过程，而这个变化过程可根据不同干燥细粉工艺进行任意设定。本文还详细介绍了解决方案中相应配套装置的关键技术参数和功能。[/b][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size][/b]真空干燥是一种将物料置于真空负压条件下，并适当通过加热达到负压状态下的沸点或者通过降温使得物料凝固后通过溶点来干燥物料的干燥方式。常见的干燥器类型主要包括托盘、流化床、喷雾、旋转和真空烘箱干燥器等。真空干燥过程是在与真空泵相连的密闭腔室内进行，而真空烘箱则是利用温度和真空压力的平衡来降低腔室内和被干燥产品的湿度。该技术是用于热敏、吸湿和/或有毒粉末和颗粒的最常见的实验室、研究和工业干燥。常用干粉的行业包括：制药、食品加工、塑料和化学加工。对于细粉的真空干燥，常出现的问题之一是无论采取何种类型的干燥设备，干粉都会在干燥机内的各个位置或真空泵等下游工艺设备中堆积成块状或层状物，从而影响真空泵的正常运转和使用寿命。如果细粉从真空泵中排出，还会引起其他潜在的危险问题出现。最近有真空烘箱厂家明确提出要对现有的真空烘箱进行技术升级，要求我们提供相应的技术配套措施以彻底解决真空烘箱在干燥细粉过程中出现的上述问题。本文将对相应的解决方案进行详细介绍，解决方案的核心是要实现真空烘箱的受控排放，使烘箱真空度有个缓慢且可控的变化过程。本文还详细介绍了解决方案中相应配套装置的关键技术参数和功能。[size=18px][color=#990000][b]二、解决方案[/b][/color][/size]在真空干燥细粉的工艺中不产生扬尘和堆积成块的现象，需要采取两方面的措施：（1）控制排放：在真空箱体内引入少量干燥空气或氮气以去除箱体内的水蒸气，也可以同时进行加热，这样通过排气/进气的循环冲洗会有助于加快干燥过程。但在干燥细粉时，如果不控制排气，此过程也可以冲洗掉细粉，因此要采用精密可控的抽气阀来进行微小排气流量控制。（2）控制真空：干燥过程的真空度变化一定要精密可控，特别是随着干燥时间的延长，真空度变化越要缓慢，以避免可能产生扬尘并被带到干燥机外的空气中。由此可见，解决细粉真空干燥问题的关键是要实现真空度的程序控制，真空度控制程序包括线性变化和恒定两种，而且控制程序可以任意设定，由此可进行各种不同的真空干燥工艺。按照真空度程序控制思路设计的真空烘箱技术改造方案如图1所示，整个真空控制系统主要包括进气电动针阀、排气电动球阀、真空计、可编程PID控制器和真空泵，PID控制器分别调节进气针阀和排气球阀的开度大小来实现箱体内真空度按照设定程序进行变化。[align=center][img=01.干燥箱真空线性控制系统结构示意图,690,434]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210241814336548_5671_3221506_3.png!w690x434.jpg[/img][/align][align=center]图1 真空烘箱可编程真空度控制系统结构示意图[/align]对于细粉干燥过程的真空度控制，关键是要使得真空度按照某个设定的速率进行变化，该速率将在较长的一段时间内（如10-20分钟）将烤箱内的真空度从大气压缓慢降低到所需的低压压力。所谓速率是单位时间内的变化量，如 10Torr/min 斜率代表真空度在1分钟内逐渐变化10Torr 。对于我们一位客户的干燥粉末工艺，他们选择了大约 -150 Torr/min 的降压速率，他们将从 750 Torr 开始，一分钟后压力达到 600 Torr，然后下一分钟达到 450 Torr等，直到达到他们设定的目标压力。在目标压力达到后，也可以继续在目标压力处进行自动恒定控制。这样，通过这种自动化的真空度控制方式，可确保在干燥过程中粉末不会进入真空泵。此细粉干燥工艺用真空度控制系统具有以下特点：（1）普通细粉干燥工艺对最终达到的真空度要求并不是很高，真空度变化范围一般也只在10Torr~1个大气压的区间内，这时的真空度控制系统只需配备一只真空计就可覆盖所需压力变化范围。如果要求在更高的真空度下进行干燥，如0.1Torr~1个大气压范围，如图1所示，控制系统则需要配备两只真空计才能实现全量程真空度的精密测量和控制。（2）所用的真空度控制器是一台高精度的双通道控制器，每个通道都具有独立的PID自动控制功能。每个通道都是24位AD和16位DA，双精度浮点运算和最小输出百分比为0.01%。控制器具有RS485通讯和标准MODBUS协议，配备的测控软件，可遥控操作和存储显示测试曲线。（3）在如图1的真空度控制系统中，分别在进气口和排出口出配备的电动针阀和电动球阀，控制器自动调节针阀和球阀的开度来实现真空度的精密控制。在低压范围的真空度控制过程中，一般是将负责下游排气的电动球阀调节为始终的全开状态，通过电动针阀来调节进气流量实现真空度控制；在高压范围的真空度控制过程中，一般是将负责上游进气的电动针阀调节为某一开度并保持固定不变，通过下游的电动球阀来调节排气流量实现真空度控制。另外，这里所配备的电动针阀和电动球阀都属于高速阀门，从全闭到全开用时都小于1秒以内，非常适合真空度的动态控制需要，采用0~10V或4~20mA模拟信号可以直接驱动这两种电动阀门，且这两种阀门都有较低的真空漏率，适用于各种密闭设备的高真空要求。总之，本文所述的可编程真空度控制解决方案技术成熟很高，经过了大量试验，验证了此方案的可行性和可靠性，真空度控制精度可以很轻松的达到±1%以内，可彻底解决真空烘箱中干燥细粉所带来的扬尘和结垢问题，此方案也已在众多其他真空设备和工艺中得到了应用。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：针对目前国内真空微波干燥技术研究和设备中普遍存在控制设备简陋、真空度控制效果差，产品质量普遍不佳等问题，本文提出了相应的解决方案，介绍了可用于真空微波干燥的集成式真空度、温度和转速控制器，介绍用于气体流量调节的步进电机驱动的耐腐蚀数控针阀和电动球阀，可很好的对真空微波干燥过程进行精密控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]真空微波干燥是微波加热技术与真空技术相结合的一种新型微波能应用技术，它兼备了微波加热干燥及真空干燥的优点，同时克服了常规真空干燥温度高、时间长、能耗大的缺点，在物料干燥过程中，干燥温度范围一般为30~60℃，真空度范围一般为0.01~95kPa，具有干燥产量高、质量好、加工成本低、能耗低，同时通过温度和真空度控制可以精确控制水分等优点。此外在低温低压下干燥时氧含量低，被干燥物料氧化反应减弱变缓，从而保证了物料的风味、外观和色泽，易于干燥热敏性物料，特别是对中药提取物浸膏、肉类食品、化工原料、水果和农产品的低温干燥，具有独特的优势。由于真空微波干燥技术利用了低压下水分沸点变低的原理，同时结合了微波加热快速、均匀和能耗低的特点，所以真空度、温度和转速是真空微波干燥技术应用中的三个关键控制参数。在目前国内的真空微波干燥技术应用中普遍存在控制设备粗糙，真空度控制效果差，产品质量普遍不佳的问题，主要体现在以下几个方面：（1）对于不同物料，干燥过程中所需的真空度、温度和转速完全不同，真空度的变化范围非常宽泛，如从0.01kPa至95kPa，因此需要具备宽量程范围内真空度的准确测量和控制能力，对于不同真空度，需要不同的控制方法。（2）真空度的变化会对蒸发温度产生严重影响，而微波加热后的温度变化又会引起真空度的快速升高，真空度与温度是一组相互影响的变量。为了保证产品质量，要求真空度控制具有较快的响应速度，使得干燥过程中的真空度始终恒定而不受温度变化的影响，同时恒定后的真空度波动率要小。（3）除了需要同时控制真空度和温度（微波加热功率）之外，为保证微波加热物料的均匀性，还需对旋转速度进行选择和控制。（4）因为不同物料需要不同的PID控制参数和工艺参数，所以要求控制器具备多程序和多参数存储功能，便于使用过程中的随时调用，以提高整个干燥过程的自动化水平。本文将针对上述问题，提出相应的解决方案，并将介绍可用于真空微波干燥的集成式真空度、温度和转速控制器，介绍用于气体流量调节的步进电机驱动的耐腐蚀数控针阀和电动球阀，由此可很好的对真空微波干燥过程进行精密控制。[size=18px][color=#990000]二、真空微波干燥控制方案[/color][/size]真空微波干燥过程中需要对真空度、温度和转盘速度进行精密控制，目前国内常用的控制方案普遍比较简陋，这里提出的改进方案如图1所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,690,426]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110134267987_3371_3384_3.png!w690x426.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图1 真空微波干燥中的真空度控制系统结构示意图[/align]在图1所示的真空度控制系统中，采用了与以往真空度控制不同的方法，即在真空腔室上增加了一路进气通道，并采用了响应速度较快的数控针阀、电动球阀和高精度多通道控制器。此方案具有以下两项突出特点：（1）可实现真空度在0.01~95kPa范围内的精密控制，具有小于±1%的波动率。具体实施是真空度小于10torr时的控制采用上游模式，即全开电动球阀后调节数控针阀；真空度大于10torr时的控制采用下游模式，即恒定数控针阀开度后调节电动球阀。同时，快速响应型阀门和控制器能保证温度变化对真空度的影响最小。（2）配备的2通道集成式PID控制器，可实现对真空度、温度和转盘速度的同时控制。2个独立通道用于真空度和温度的测量、控制和显示，报警输出通道可用于控制转盘速度或旋转电机启停。[size=18px][color=#990000]三、24位高精度多功能控制器[/color][/size]为实现真空微波干燥中真空度、温度和转速的精密控制，目前我们已经开发出VPC-2021系列24位高精度可编程PID通用型控制器，如图2所示。此系列PID控制器功能十分强大，且性价比非常高。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,650,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110134429311_283_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 VPC-2021系列高精度PID程序控制器[/color][/align]VPC-2021系列控制器主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）最高采样速度：50ms。（3）多种输入参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可连接各种温度和真空度传感器进行测量、显示和控制。（4）多种输出形式：16位模拟信号 、2A (250V AC)继电器、22V/20mA固态继电器、3A/250VAC可控硅。（5）多通道：独立1通道或2通道输出。2通道可实现温度和真空度的同时测控，报警输出通道可用来控制旋转电机。（6）多功能：正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。（7）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）。（8）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。（9）显示方式：数码馆和IPS TFT真彩液晶。（10）软件：通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。（11）外形尺寸：96×96×87mm(开孔尺寸92×92mm)。[size=18px][color=#990000]四、步进电机驱动耐腐蚀高速数控针阀[/color][/size]为实现真空度控制过程中的高精度调节，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，如图3所示。此系列数控针阀的磁滞远小于电磁阀，并具有1秒以内的高速响应，特别是采用了氟橡胶（FKM）密封技术，使阀门具有超强的耐腐蚀性，详细技术指标如图4所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,400,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110134582677_2587_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列数控针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110135151268_1615_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列数控针阀技术指标[/color][/align]NCNV系列数控针阀配备了一个步进电机驱动电路模块，给数控针阀提供了所需电源和控制信号，並以将直流信号转换为双极步进电机的步进控制，同时也可提供 RS485 串口通讯的直接控制，其规格尺寸如图5所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,690,219]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110135329321_2525_3384_3.png!w690x219.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 NCNV系列数控针阀驱动模块及其尺寸[/color][/align]真空微波干燥中使用数控针阀时，也可采用开环控制方式将针阀安装来真空泵前端代替电动球阀，通过调节抽气流量来实现真空度的控制，但这种开环控制方式的稳定性差，难达到较高的稳定性要求。所以一般建议采用图1中的闭环控制方式，即在真空腔室上增加一路进气控制阀，通过同时调节进气流量和排气流量实现真空度的精密控制。[size=18px][color=#990000]五、高速电动球阀[/color][/size]LCV-DS系列电动球阀是一款微型电动球阀，其执行器和阀体的一体化设计减小了外形体积，如图6所示，常安装在密封容器和真空泵之间用于调节排气速率。LCV-DS系列电动球阀的技术指标如图7所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,350,403]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110136015663_2207_3384_3.jpg!w527x608.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 LCV-DS系列电动球阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,500,571]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110136235981_3520_3384_3.jpg!w690x789.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 LCV-DS系列电动球阀技术指标[/color][/align]不同于传统电动球阀，LCV-DS系列电动球阀具有以下突出特点：（1）具有小于7秒的较快响应速度，特殊订制可将响应速度提高到1秒以内。（2）密封性能良好，防护等级IP67，可用于低压和真空范围内的气流调节。（3）采用铜加不锈钢齿轮设计，精度高输出力矩大。（4）外型小巧，结构紧凑，安装简易，适用于设备的小型化。（5）运行电流低，可以使用电池供电。（6）寿命长达7万次到10万次。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/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]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：在探月工程中需要在月面真空环境下采集月壤样品，需要建立地面试验装置来模拟月面的真空热环境，以测试采样器在真空热环境下的性能，由此要求真空度能实现精密控制。本文针对真空热环境地面模拟试验装置，提出了真空度精密控制的技术方案，真空度控制范围为0.1Pa~0.1MPa，全量程的控制精度为±1%。[/color][/size][size=14px][color=#ff0000][/color][/size][align=center][size=14px][color=#330033]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][size=18px][color=#330033]一、问题的提出[/color][/size]在探月工程中需要在月面真空环境下采集月壤样品，由此需要建立地面试验装置来模拟月面的真空热环境，以测试采样器在真空热环境下的性能，并要求真空度能实现精密控制。由于月壤的特殊性，目前的月壤地面模式试验装置中的真空度控制还需要解决以下几方面的问题：[size=14px]（1）月壤和模拟月壤样品，一般为粉末状颗粒，因此在开始阶段的抽气速率要进行严格控制以避免产生扬尘。[/size]（2）目前的真空度测量和控制还采用皮拉尼真空计，使得配套的控制系统无法实现真空度的精密控制，造成试验结果的重复性很差。[size=14px]（3）月壤地面模拟试验装置普遍体积较小，在宽泛的真空度范围内，实现精确控制一直存在较大难度，真空度的波动性较大，也是造成试验结果重复性差的原因之一。[/size][size=14px]针对月壤地面模式试验装置中存在的上述问题，本文提出了相应的技术方案，并介绍了详细的实施过程。[/size][size=18px][color=#330033]二、技术方案[/color][/size][size=14px]月壤环境地面模拟试验设备真空度密控制系统的整体结构如图1所示，整个系统主要包括真空计、数控针阀、电动球阀、PID控制器和真空泵。为了进行真空度全量程的精密控制，一般需要配备三只电容真空计，真空计的测量精度为0.25%。为配合电容真空计的测量精度，控制器采用了24位A/D和16位D/A的高精度PID控制器，独立的双通道便于进行上游数控针阀和下游电动球阀的气体流量调节和控制。[/size][align=center][size=14px][img=真空度控制好,500,489]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204191021365551_7090_3384_3.png!w690x676.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 真空度精密控制系统结构示意图[/align][size=14px]真空度的精密控制使用了动态控制模式，即在低真空条件下调节电动球阀，在高真空条件下调节数控针阀，这是一种典型的正反向控制方法，可有效保证真空度的控制精度。[/size]总之，通过此经过验证的真空度控制方案，可实现全量程范围内真空度的控制精度优于1%。[size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size]

[color=#ff0000]摘要：为了满足低压渗碳工艺中对真空度精密控制的要求，本文提出了相应的解决方案，其中包括增加一个混气罐用于渗透气体混合、采用上游和下游形式的动态控制方法和真空度与温度同时配合控制方法，由此可实现渗透工艺中真空度和温度的快速和精密控制。[/color][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]低压渗碳又称为真空渗碳，是在低压真空状态下，向高温炉内通入渗碳介质进行快速渗碳的工艺过程。真空渗碳工艺可分为一段式、脉冲式、摆动式几种形式，其中真空度、温度和渗碳时间等随具体要求的不同会发生相应变化，特别是真空度会随着温度变化发生剧烈变化。因此在真空渗碳工艺中，真空度控制方面需要解决以下几方面的问题：（1）真空度的快速精确控制问题，如定点控制、程序控制和快速脉冲控制，都要求真空控制系统具有较高的响应速度和控制精度。特别是在真空度全量程范围实现精密控制，势必要根据不同量程采用不同的真空度传感器和相应的上游和下游控制模式。（2）真空度和温度的同时控制问题，这是渗碳是在高温环境下进行，要求真空度和温度的同时协调控制。为满足低压渗碳工艺中对真空度精密控制的要求，本文提出了真空度精密控制解决方案，并采用双通道PID控制实现温度的同步控制。[size=18px][color=#ff0000]二、解决方案[/color][/size]低压渗透工艺中的真空度和温度控制系统，其整体结构如图1所示。[align=center][color=#ff0000][img=低压渗碳中的真空度控制,690,482]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204260835413442_9140_3384_3.png!w690x482.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 低压渗碳工艺中的真空度和温度控制系统结构示意图[/color][/align]真空度精密控制的基本原理是动态控制方法，即根据控制设定值和真空计测量值，分别调整渗碳室的进气流量和排气流量，使这进出流量达到动态平衡。如果要进行自动化控制，则需采用PID控制算法和相应控制器。如图1所示，本文提出的真空度精密控制解决方案就是采用了动态控制方法，采用电动针阀调节进气流量，采用电动球阀或电动针阀调节抽气流量，真空泵用作真空源，整个真空度的自动控制采用了PID控制器。对于不同的低压渗碳工艺，其真空度的控制范围为1Pa~100kPa范围。因此在具体工艺中，不同真空度范围内的控制需要采用不同的动态控制模式。对于1Pa~1kPa高真空区间内的真空度控制，采用固定抽气流量、调节进气流量的上游控制模式；对于1kPa~100kPa低真空区间内的真空度控制，采用固定进气流量、调节抽气流量的下游控制模式。如图1所示，为了实现对进气流量的调节和控制，在渗碳室的进气端增加一个混气罐，采用气体质量流量计分配各种渗透气体进入混气罐，混合后的渗透气体再通过电动针阀进行流量调节和控制。为了同时实现温度控制功能，本方案采用了双通道的PID控制器，一个通道用来控制真空度，另一个通道用来控制温度。此双通道PID控制器如图2所示。此PID控制具有24位A/D和16位D/A，具有47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号形式，可连接各种真空度和温度传感器进行测量、显示和控制。2路独立测量控制通道，两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。[align=center][color=#ff0000][img=低压渗碳中的真空度控制,363,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204260836105451_4665_3384_3.png!w515x567.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2 VPC2021系列双通道PID控制器[/color][/align]为实现真空度控制过程中的高精度调节，采用了数控步进电机进行精细调节的电子针阀，如图3所示。此系列数控针阀的磁滞远小于电磁阀，并具有1秒以内的高速响应，特别是采用了氟橡胶（FKM）密封技术，使阀具有超强的耐腐蚀性。与数控电子针阀配备有一个步进电机驱动电路模块，给数控针阀提供了所需电源（24VDC）和控制信号（0~10VDC），同时也可提供 RS485 串口通讯的直接控制。[align=center][color=#ff0000][img=低压渗碳中的真空度控制,182,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204260836266795_6061_3384_3.png!w275x604.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图3 NCNV系列电动针阀[/color][/align]对于较大口径的抽气管路，本方案采用了微型电动球阀，如图4所示。此系列的电动球阀是一种小型电动阀门，阀门开度可根据控制信号（0~10VDC）的变化连续调节，最快开启闭合时间小于7秒，也可达到小于1秒的开启闭合时间，其执行器和阀体的一体化设计，减小了外形体积，价格低廉，常安装在密封容器和真空泵之间用于调节抽气速率。[align=center][color=#ff0000][img=低压渗碳中的真空度控制,309,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/04/202204260836408860_4144_3384_3.png!w521x673.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center]图4 LCV-DS系列电动球阀[/align]总之，通过本文所述的解决方案，低压渗碳工艺中的真空度控制精度在全量程范围都可以达到1%，同时还可以进行相应的温度控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[font=微软雅黑, sans-serif][size=16px][color=#339999]摘要：为了解决目前各种真空冷冻过程中存在的真空压力还是人工手动调节，无法进行可编程准确自动控制的问题，本文提出了具体解决方案。解决方案的基本原理是根据动态平衡法，具体实现是依据不同的真空压力设定值分别采用电动针阀调节进气流量和电动球阀调节排气流量，最终实现对各种冻品的解冻真空度在任意设定点上进行准确的程序控制，由此使真空解冻技术更具有广泛的适用性和品质保证能力。[/color][/size][/font][font=微软雅黑, sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][img=真空升华-复水解冻过程中高精度真空度控制的解决方案,550,385]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302280945091217_5177_3221506_3.jpg!w690x484.jpg[/img][/align][b][size=24px][color=#339999]1. [font='微软雅黑',sans-serif]问题的提出[/font][/color][/size][/b][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif] 随着经济的发展和人民生活水平的提高，食品生产、储运和加工领域内技术发展越来越受到关注。真空解冻（[/font][font=&]VT[/font][font='微软雅黑',sans-serif]：[/font][font=&]Vacuum Thawing [/font][font='微软雅黑',sans-serif]）以及衍生出的真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻（[/font][font=&]VSRT[/font][font='微软雅黑',sans-serif]：[/font][font=&] Vacuum Sublimation - Rehydration Thawing [/font][font='微软雅黑',sans-serif]）技术就是这类新型食品加工技术之一。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font] 真空解冻技术是利用真空状态下的压力不同和水的沸点不同的特性，水在真空室中沸腾时形成的水蒸气，在遇到温度更低的冻结食品时就在其表面凝结成水珠，蒸汽凝结时所放出的潜热，被冷冻食品吸收，最终使冻品温度升高而解冻。[font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]与其他解冻方法相比，真空解冻具有解冻速率快，解冻效果均匀，解冻温度低等优点。且解冻过程中冻品处于真空低氧环境，可有效抑制食品的氧化和一些好氧性微生物的繁殖，[/font][font='微软雅黑',sans-serif]减少品质损失。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]随着技术进步，目前又出现了一种基于真空解冻技术发展起来的新方法：真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻法。该方法的最大特点是可推广应用到如水果、蔬菜、熟食、水产品等其他冷冻食品的解冻过程。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]总之，真空解冻以及真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻法的重要优势之一是解冻参数（温度和真空度）可以根据冻品特性和能量消耗进行优化，从而使得解冻达到最佳状态。以真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻过程为例，其解冻过程中相应的温度和压力变化如图[/font][font=&]1[/font][font='微软雅黑',sans-serif]所示。[/font][align=center][b][color=#339999][img=真空升华-复水解冻过程中真空室内压力、温度和冷冻产品温度的变化,690,498]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302280941478230_2865_3221506_3.jpg!w690x498.jpg[/img][/color][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][color=#339999][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][font=&]1 [/font][font='微软雅黑',sans-serif]真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻过程中真空室内压力温度和冻品温度的变化[/font][/color][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]从图[/font][font=&]1[/font][font='微软雅黑',sans-serif]所示的解冻过程可以看出压力变化有以下几方面的特点：[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font][font=&]1[/font][font='微软雅黑',sans-serif]）整个解冻过程由升华和复水两个阶段构成，在两个阶段过程中冻品的核心和表面温度要求不同，由此要求两个阶段的真空度需要控制在不同水平上。总之，准确控制真空度的目的是为了保证解冻过程中冻品表面温度始终按照设计要求进行变化。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font][font=&]2[/font][font='微软雅黑',sans-serif]）对于不同的冻品，解冻过程中的温度变化要求并不相同，因此就需要对不同设定真空度进行准确控制。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]图[/font][font=&]2[/font][font='微软雅黑',sans-serif]所示是一个典型的真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻装置的结构示意图。此真空解冻装置非常具有代表性，体现了目前实验室和工业生产中大多数真空解冻装置的压力控制方面基本还处于比较粗糙的手动调节水平，无法进行不同设定压力下的准确控制，更不能进行全自动化的可编程程序控制。[/font][align=center][b][color=#339999][img=真空升华-复水解冻装置示意图,600,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302280942155595_6958_3221506_3.jpg!w690x408.jpg[/img][/color][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][color=#339999][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][font=&]2 [/font][font='微软雅黑',sans-serif]真空升华[/font][font=&]-[/font][font='微软雅黑',sans-serif]复水解冻装置示意图[/font][/color][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]为了解决真空冷冻过程中存在的真空度无法可编程自动准确控制的问题，本文提出了具体解决方案。解决方案的基本原理是根据动态平衡法，根据不同的真空压力设定值分别采用电动针阀调节进气流量和电动球阀调节排气流量，最终实现对各种冻品的解冻真空度在任意设定点上进行准确的程序控制，由此使真空解冻技术更具有广泛的适用性和品质保证能力。[b][size=24px][color=#339999]2. [font='微软雅黑',sans-serif]真空压力控制的动态平衡法原理[/font][/color][/size][/b][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]在真空压力控制过程中，常用的精密控制方法是动态平衡法，如图[/font][font=&]3[/font][font='微软雅黑',sans-serif]所示，其基本原理是基于进气流量与排气流量达到动态平衡，由此实现不同真空压力设定值的准确控制。[/font][align=center][img=真空压力动态平衡法基本原理示意图,690,201]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302280942445698_5056_3221506_3.jpg!w690x201.jpg[/img][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][color=#339999][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][font=&]3 [/font][font='微软雅黑',sans-serif]真空压力控制的动态平衡法原理示意图[/font][/color][/b][/align][b][color=#339999][/color][/b][size=24px][color=#339999][b]3. [font='微软雅黑',sans-serif]解决方案[/font][/b][/color][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]为了实现真空解冻装置中的真空度自动精密可编程控制，基于上述动态平衡法，本文提出了相应的解决方案，即在图[/font][font=&]2[/font][font='微软雅黑',sans-serif]所示的现有真空解冻装置上，增加了真空度控制系统，如图[/font][font=&]4[/font][font='微软雅黑',sans-serif]所示。[/font][align=center][b][color=#339999][img=真空解冻装置及其真空压力自动控制系统结构示意图,600,453]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302280943040421_6672_3221506_3.jpg!w690x521.jpg[/img][/color][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][color=#339999][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][font=&]4 [/font][font='微软雅黑',sans-serif]真空解冻装置及其真空度控制系统结构示意图[/font][/color][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]真空控制系统的工作流程是双通道真空压力控制器根据真空度设定值或设定程序，与采集自真空计的信号进行比较。控制器根据比较后的差值采用[/font][font=&]PID[/font][font='微软雅黑',sans-serif]算法计算后输出控制信号，控制信号驱动电动针阀或电动球阀动态调节进气或排气流量使得真空腔体内的真空度发生改变，这使得真空计测量值快速接近设定值实现自动控制。解决方案中的真空度控制系统各组成部分的说明如下：[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font][font=&]1[/font][font='微软雅黑',sans-serif]）尽管可以采用现有的真空计，但为了保证真空度的控制精度，建议真空计采用精度较高的薄膜电容真空计，其任意真空度下的测量精度可优于[/font][font=&]0.3%[/font][font='微软雅黑',sans-serif]。另外，为了满足各种冻品的真空解冻，需要在较宽泛的真空度范围进行进行真空度控制，所以建议采用两只不同量程的电容真空计予以覆盖，推荐的两个真空计的量程分别是[/font][font=&]1Torr[/font][font='微软雅黑',sans-serif]和[/font][font=&]10Torr[/font][font='微软雅黑',sans-serif]。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font][font=&]2[/font][font='微软雅黑',sans-serif]）真空度控制系统采用了电动针阀和电动球阀分别调节进气和排气流量，其作用是高真空区间调节电动针阀而固定电动球阀开度，低真空阶段调节电动球阀而固定电动针阀开度，同时结合高低量程的两个真空计，可实现全真空度量程范围内优于[/font][font=&]1%[/font][font='微软雅黑',sans-serif]的控制精度。另外，为保证控制精度和真空度稳定性，电动针阀和电动球阀需要满足一定的漏率以及响应速度要求。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/font][font=&]3[/font][font='微软雅黑',sans-serif]）真空控制系统中的另外一个关键仪表是高精度的双通道真空压力控制器，其独立的两路[/font][font=&]PID[/font][font='微软雅黑',sans-serif]控制通道分别与[/font][font=&]1Torr[/font][font='微软雅黑',sans-serif]真空计和电动针阀组成高真空控制通道，与[/font][font=&]10Torr[/font][font='微软雅黑',sans-serif]真空计和电动球阀组成低真空控制通道。重要的是每个独立通道都是[/font][font=&]24[/font][font='微软雅黑',sans-serif]位[/font][font=&]AD[/font][font='微软雅黑',sans-serif]、[/font][font=&]16[/font][font='微软雅黑',sans-serif]位[/font][font=&]DA[/font][font='微软雅黑',sans-serif]和[/font][font=&]0.01%[/font][font='微软雅黑',sans-serif]最小输出百分比，由此可保证真空压力的精密控制。另外，此控制器具备[/font][font=&]PID[/font][font='微软雅黑',sans-serif]参数自整定功能可快速实现对[/font][font=&]PID[/font][font='微软雅黑',sans-serif]参数的合理选择，配备的标准[/font][font=&]RS485[/font][font='微软雅黑',sans-serif]通讯接口和计算机软件，便于与上位机通讯和采用上位机进行控制参数设置、运行操作、过程变量采集显示存储及调用。[/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]总之，本文提出的真空度控制解决方案，可很好的满足真空解冻过程所有对真空度自动和准确控制要求，非常适应于实验室真空解冻工艺研究和大量冻品处理的真空解冻设备。[b][size=24px][color=#339999]4. [font='微软雅黑',sans-serif]参考文献[/font][/color][/size][/b]Chen S, Wu W, Yang Y, etal. Experimental study of a novel vacuum sublimation – rehydration thawing forfrozen pork[J]. International Journal of Refrigeration, 2020, 118: 392-402.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][/size][/font]

[color=#990000]摘要：为充分发挥手套箱的强大功能，针对手套箱中真空度和温度这两个环境变量，本文详细介绍了准确测量和控制真空度和温度的一体化解决方案，描述了上游、下游、双向和切换控制模式在不同真空度范围内的具体应用，同时还展示了控制中用到的新型数控针阀、数控球阀和24位超高精度PID控制器。[/color][align=center][color=#990000][img=真空手套箱,690,365]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111350205454_339_3384_3.png!w690x365.jpg[/img][/color][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size] 真空手套箱常用于极易氧化和潮解物质在无氧无水环境下需要人工操作的化学反应、材料处理和性能测试，功能十分强大。手套箱的核心功能是提供真空环境和便于人工操作，但在目前的实际应用中，大多只用了手套箱的无氧环境和人工操作功能，并没有充分发挥手套箱的作用。手套箱更强大的应用还体现在以下两方面： （1）真空手套箱是一个密闭式环境箱，极限真空度一般都可以达到10Pa左右，由此可以将手套箱内的真空度按照要求控制在10Pa至一个大气压之间的任何设定点上，这就可以进行各种对真空度敏感的化学反应、试验和测试，并便于在不改变和破坏真空环境的条件下进行各种人工操作。 （2）除真空度外，温度也是很多反应、试验和测试的另一个重要环境变量。在手套箱中放置相应的加热装置，就可以进行温度和真空度复合环境下的各种试验研究。以此类推，还可以配置其他物理量环境条件，形成多种边界条件下的多物理量耦合试验条件。 为充分发挥真空手套箱的强大功能，针对手套箱中真空度和温度这两个环境变量，本文详细介绍了准确测量和控制真空度和温度的一体化解决方案，并针对不同真空度范围介绍了真空度控制过程中的上游、下游和双向控制模式。[size=18px][color=#990000]2. 手套箱的真空度控制[/color][/size] 手套箱属于一种低真空环境腔体，采用机械泵一般手套箱的真空度最高可达绝对压力10Pa左右，通过抽真空和充惰性气体，由此手套箱的真空度可以控制在10Pa至一个大气压（绝对压力0.1MPa）的范围内。在如此跨越四个数量级的真空范围内进行控制，会根据实际需要采用不同精度的真空度传感器，相应就有不同控制模式。以下为各种控制模式的具体内容。[size=16px][color=#990000]2.1 上游控制模式[/color][/size] 如图1所示，在保持下游真空泵抽速恒定的条件下，上游控制模式是根据真空计测量信号，通过PID真空压力控制器调节上游进气口电动针阀的开度，即通过控制进气流量使手套箱内的压力控制在设定值。上游模式常用于高真空度控制。[align=center][img=真空手套箱,500,523]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111357256824_7565_3384_3.png!w690x722.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 上游控制模式结构示意图[/color][/align][size=16px][color=#990000]2.2 下游控制模式[/color][/size] 如图2所示，在保持下游真空泵抽速恒定的条件下，下游控制模式是根据真空计测量信号，通过PID真空压力控制器调节下游出气口电动球阀的开度，即通过控制出气流量使手套箱内的压力控制在设定值。下游模式常用于低真空度控制。[align=center][img=真空手套箱,500,431]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111357506722_4691_3384_3.png!w690x595.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2 下游控制模式结构示意图[/color][/align][size=16px][color=#990000]2.3 双向控制模式[/color][/size] 上述上游和下游控制模式各有优势，在实际应用中很少单独使用，一般都是将上游和下游模式集成在一起用，即所谓的双向控制模式，如图3所示。在双向控制模式中，要求真空压力控制器具有正反向控制功能，即对上游电动针阀用反向控制，对下游电动球阀用反向控制。[align=center][img=真空手套箱,500,408]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111358058160_7167_3384_3.png!w690x564.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 双向控制模式结构示意图[/color][/align][size=16px][color=#990000]2.4 双传感器自动切换模式[/color][/size] 如前所述，如果在10Pa~0.1MPa全范围内进行真空度的准确测量和控制，一般需要配置1000Torr和10Torr两只高精度的电容薄膜真空计，由此在控制过程中就需要进行传感器的自动切换。如图4所示，高切换点（2-3） 是低真空传感器工作的高点，低切换点（1-2） 是高真空传感器工作的低点，在这两点之间控制器进行平滑计算。当低真空测量值PV1和高真空测量值PV2的连续采样低于下切换点，切换到低真空传感器。当低真空测量值PV1和高真空测量值PV2的连续采样高于上切换点，则切换到高真空传感器。[align=center][img=真空手套箱,500,332]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111358269424_623_3384_3.png!w690x459.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4 双传感器自动切换过程示意图[/color][/align][size=18px][color=#990000]3. 真空计、阀门和控制器的选择[/color][/size][size=16px][color=#990000]3.1 真空度传感器的选择[/color][/size] 与其他任何传感器一样，各种真空度传感器也同样具有一定的测量范围和精度，基本规律也是测量范围宽的传感器，精度较差；测量精度高的传感器，测量范围较窄。对于手套箱，如图5所示，所采用的真空度传感器一般有以下三类： （1）常规真空计：皮拉尼真空计，精度为满量程的±(15~50)%，但一只真空计可覆盖全量程。 （2）高精度真空计：电容薄膜真空计，精度为满量程的±2.5%，如果覆盖10Pa~0.1MPa范围，一般需要配置1000Torr和10Torr两个真空计。 （3）超高精度真空计：半导体真空计，精度为满量程的±0.05%，有效量程为50Pa ~0.1MPa，无法覆盖较高真空。[align=center][img=真空手套箱,690,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111358455209_397_3384_3.png!w690x220.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图5 三类真空度传感器：（a）皮拉尼计、（b）电容薄膜规、（c）半导体真空计[/color][/align][size=16px][color=#990000]3.2 电动阀门的选择[/color][/size] 在手套箱真空度控制中，一般会涉及两类阀门：一类是调节进气端流量的进气阀门，另一类是调节排气流量的排气阀门。进气阀门多用来进行小流量调节，因此一般选择针型阀；排气阀门多用来进行抽真空，因此一般要求使用口径较大的球形阀。由于要进行自动控制，无论是针型阀和球形阀，都要求可以用直流电压、直流电流或数字信号（RS485）进行驱动，即所谓的电动阀门或电子阀门。 电动针型阀选择小尺寸的步进电机驱动的电动针阀，如图6所示。这种电动针阀具有较高的响应速度（1s以内）和线性度（1%以内）。[align=center][color=#990000][img=真空手套箱,450,335]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111359021706_9837_3384_3.png!w603x449.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 电动针型阀[/color][/align] 电动球阀选择微型电动球阀，如图7所示。这种电动球阀同样具有较高的响应速度（7s以内），也可以选择开关时间1s以内的高速电动球阀。[align=center][img=真空手套箱,236,300]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111359189541_1861_3384_3.png!w315x400.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图7 电动球阀[/color][/align][size=16px][color=#990000]3.3 控制器选择[/color][/size] 从上述手套箱真空度的各种控制模式可以看出，真空度的控制过程对控制器提出了很高的要求，如图8所示，所选择的控制器要满足以下几方面的要求：[align=center][color=#990000][img=真空手套箱,500,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111359333538_669_3384_3.png!w600x448.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 超高精度PID控制器[/color][/align] （1）最起码是PID控制器，并具有PID参数自整定功能。 （2）真空计自身精度较高，为充分发挥真空计测量精度，需要数据采集和控制的PID控制器通用要具有较高精度，建议控制器为24位A/D采集，16位D/A输出。 （3）至少2通道以上，实现温度和真空度同时测量及控制，并减小安装空间。 （4）多种输入信号接入功能，可直接连接热电偶、热电阻、直流电压等不同类型传感器的输入信号，实现不同参量的同时测试、显示和控制。 （5）正反向控制功能，以实现双向控制模式。 （6）具有双传感器切换功能，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）程序控制功能，可自行建立和存储多个控制程序，使用时只需选择调用即可开始（程序控制模式）。 （8）具有通讯接口与计算机连接，如标准MODBUS协议的RS485接口等。[size=18px][color=#990000]4. 手套箱的温度控制[/color][/size] 手套箱除了可以提供真空环境之外，还可以在手套箱内放入加热装置进行不同温度下的各种试验和测试，由此就需要在手套箱应用中引入温度控制功能。 温度控制是一种非常成熟的经典技术，一般是结合温度传感器采用PID控制器予以实现。为了造价和安装体积的降低，一般是采用一个多通道PID控制器同时进行温度和真空度的控制，控制器与计算机通讯以显示和存储测量控制数据和曲线。 手套箱内的工作温度一般要求不能太高，但如果做好隔热防护和冷却，也可以实现1000℃以上的工作温度范围。温度测量传感器一般选择热电偶，如果对测量精度要求较高，也可以选择热电阻和热敏电阻温度传感器，这些传感器都可以直接与上述高精度PID控制器连接使用。[size=18px][color=#990000]5. 总结[/color][/size] 通过上述内容的介绍，基本讲清楚了手套箱中真空度和温度的各种控制方法和所涉及的主要传感器、电动阀门和PID控制器。在具体应用中，可以针对具体手套箱结构和功能进行局部改进，也可以根据实际要求进行手套箱的整体设计、安装和集成。 尽管本文只介绍了手套箱中真空度和温度的测量和控制，但这些方法和具体实施内容也可以推广应用到对气氛环境比较敏感的其它领域内的试验参量控制，如低温、几何量、光学和声学等领域。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [align=center][img=真空手套箱,690,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112111352279951_3805_3384_3.jpg!w690x308.jpg[/img][/align]

[size=16px][color=#339999]摘要：针对食品油炸过程中涉及到的真空、正压和高压三种压力场控制需求，本文提出了相应的解决方案。解决方案基于动态平衡法控制原理，采用真空压力控制器、电动针阀、电动球阀、电气比例阀、背压阀和真空泵的搭配组合，分别实现真空负压控制、正压控制和超高压控制，可有效保证油炸食物品质，更便于油炸参数和新技术的开发。依据解决方案所构成的真空压力控制系统即可单独构成油炸设备的控制单元，也可配套集成到中央控制系统。[/color][/size][align=center][size=16px][img=油炸设备中的真空、正压和高压三种压力场控制的解决方案,500,376]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303291411304643_3469_3221506_3.jpg!w690x520.jpg[/img][/size][/align][size=16px][/size][b][size=18px][color=#339999]1. [/color][/size][size=18px][color=#339999]油炸过程中的压力场控制问题[/color][/size][/b][size=16px] 油炸是以油为传热介质的最流行的食品加工方法之一，是一个典型的高温传热传质过程。油炸食品由于美味而广受欢迎，但油炸食品往往对人体健康造成很大影响。为此，现有和今后的油炸技术都在基于物理场（温度场、压力场、电磁场和声场等）的单独或协同应用技术，以减少油炸食品对健康的负担以及提高油炸食品的生产效率和质量。[/size][size=16px] 油炸与其他加热烹饪方法一样，首先要能形成一定的温度场才能使食物致熟，但为了能提供更健康的油炸食物，往往会需要进行相应的压力等其他物理场的控制。尽管现在有很多其他油炸新技术，但健康油炸过程的两个核心指标还是温度和压力，这是因为压力往往会决定温度高低。众所周知，水的沸点与外界压力有关。当施加的压力降低（或增加）时，水的沸点降低（或增加），这就是基于压力场油炸技术和改变油炸温度的基本原理。[/size][size=16px] 随着科技的进不许，真空油炸（减压）或压力油炸（加压）正在取代常压油炸技术，提高油炸产品的效率和质量。另外，高压加工（HPP）作为预处理技术的应用已经显示出在油炸水果和蔬菜中具有巨大的商业利用潜力，具有更快的水分去除率和更少的质量退化。下面将分别介绍油炸技术中的这三种压力场控制方法以及需解决的技术问题。[/size][size=16px][color=#339999][b]1.1 真空油炸（低压或减压）[/b][/color][/size][size=16px] 真空油炸被定义为在低于大气压下进行的深度油炸过程，典型的真空油炸装置如图1所示[1]。由于真空下水的沸点降低，食物中的水分可以在相对较低的温度下除去，这使得真空油炸具有保留热敏性营养物的显著特征。同时，由于低温和真空下的低氧含量，脂肪氧化和美拉德反应也受到显著抑制。此外，真空油炸水果和蔬菜更好地保留了天然颜色，包含更高的亮度、更低的红色和更低的黄色，这可能与更少的非酶褐变反应有关。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.典型真空油炸装置示意图,650,355]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303291415539393_8671_3221506_3.jpg!w690x377.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 典型真空油炸装置示意图[1][/b][/color][/size][/align][size=16px] 此外，由于在最初的减压步骤中实现了更少的气泡和更均匀的微观表面结构，因此在油炸产品中实现了更好的保存纹理。[/size][size=16px] 真空油炸的另一个优势是油炸后的离心步骤，同时保持负压，这大大有助于减少最终产品的吸油量。在真空条件下，油炸材料的结构保持膨胀和松散的形状，孔隙中的压力随着热传递和水蒸发速率的降低而保持，这抑制了油被临时毛细压力吸收到外壳中。同时，在油炸篮从油中提起后立即进行离心，大部分附着在表面的油被离心力去除，从表面渗透到多孔结构的油最终减少，从而使最终产品具有较少的吸油量。因此，真空油炸的商业应用已经被许多具有低脂肪生产要求的食品工业所采用，特别是水果和蔬菜。[/size][size=16px] 然而，由于相对较低的温度，真空油炸延长了某些产品的油炸时间，因此较长的加工周期和较高的能耗成为其应用的明显障碍。因此近年来，人们尝试了创新的预处理方法和电磁加热技术，以降低油炸时间和能耗并提高真空油炸产品的整体质量属性。[/size][size=16px] 另外，尽管目前真空油炸技术和设备已经比较成熟，但有个关键技术问题则很少涉及，那就是如何准确控制真空度来满足不同食品的油炸需要，使得油炸食品具有更高的品质和重复性。[/size][size=16px][color=#339999][b]1.2 压力油炸[/b][/color][/size][size=16px] 压力油炸是通过食物自然释放的水分在油炸锅内产生足够压力的过程。水的沸点由于油炸锅中的高压（通常高于大气压）而升高，这导致食物中的水分更好地保留。大量研究表明，压力油炸主要应用于肉、鱼和家禽产品，以有效地减少加工时间并生产具有优良质地的油炸产品，在2bar压力下，压力油炸的传热系数几乎是常压油炸的两倍，与常压油炸相比，压力油炸鸡肉的油炸时间减少了近50%。就压力油炸过程中的结构变化而言，由于加剧的水分梯度，促进了外壳表面的形成，并增加了孔隙率，导致油炸产品的脆性质地和多孔外观。据报道，炸鸡的多汁性、嫩度和颜色得到了极大改善，并且与开放式油炸相比，还发现了更脆的外壳。此外，据报道，压力油炸产品的吸油率因水分保留而降低，同时压力油炸鸡肉中的中性脂肪含量减少了10.0%，碳水化合物含量增加了18.9%，而蛋白质含量没有发现显著差异，压力油炸鸡肉中游离脂肪酸和硫代巴比妥酸的含量分别降低了75.6%和26.2%，这意味着油炸鸡肉中的脂肪质量得到了极大改善。[/size][size=16px] 压力油炸在一些即食食品加工情况下有广泛的应用，如餐馆、超市、便利店、熟食店、学校、医院和其他商业餐饮经营。氮气被选择用作油炸锅中的压力产生源，以产生在保湿和质地方面质量更好的油炸产品。然而，由于繁琐的操作过程和较少的油炸食品量，其在工业生产中的应用受到限制，因此当用于大规模生产水平时，有必要探索合适的油炸条件或连续生产方法，以实现更高的加工效率。[/size][size=16px] 同样，在压力油炸中也同样很少涉及如何准确控制压力来满足不同食品的油炸需要。[/size][size=16px][color=#339999][b]1.3 高压加工预处理[/b][/color][/size][size=16px] 高压加工也称为高静水压或高静压（远高于100MPa），是食品加工中的一种新兴技术。这种最初用作非热保存的技术被发现有利于在油炸过程中获得高质量转移率，因为它对部分细胞渗透性的改变有影响。同时，油炸前的高压加工预处理被确定为通过抑制酶促和非酶促反应的发生而对油炸产品的颜色产生积极影响。[/size][size=16px] 值得注意的是，在100MPa较低压力下提交的油炸食品明显轻于200和300MPa较高压力下处理的油炸食品。压力造成的组织破坏增加了多酚氧化酶与其底物的接触，并没有完全使酶失活。有研究报道，高压加工预处理有助于减少油炸时间，增加油炸蔬菜和水果的硬度，这可能与细胞壁的物理损伤有关，导致细胞破裂和随后的水分渗出。此外，高压加工预处理能够保留水果和蔬菜的营养和感官特性，因为它对与其颜色和风味相关的化合物的共价键影响有限，同时能更好地保持最终油炸产品的酚类物质含量和抗氧化能力，而这种效应甚至可以在储存过程中有效维持。然而，据报道，高压加工预处理油炸会使得有些水果和蔬菜的吸油量增加，这可能与较高的渗透率有关，这有助于油炸物容纳更多的油。因此，适当的减油技术可以与高压加工预处理相结合，以保证其作为提高油炸产品效率和质量的有效策略。[/size][size=16px][color=#339999][b]1.4 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 从上述三种不同压力形式的油炸方法介绍可以看出，压力场的控制会涉及到低压、正压和高压三个压力区间，但很少有报道涉及到详细的压力控制方法和相关仪器，而压力的准确控制会涉及到具体油炸产品品种和相应的油炸温度，为此本文将提出详细的真空压力控制解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 真空压力控制原理[/b][/color][/size][size=16px] 从上述油炸过程中所需的压力场可以看出，以绝对压力形式来描述，其相应的真空压力范围为0.005 ~ 300MPa。为了在如此宽泛的压力范围内实现压力控制，本文将采用动态平衡控制方法，其基本原理如图2所示。此原理的特点是既能进行全量程范围的真空压力控制，也可以进行某段区间内的单独控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.油炸装置真空压力控制原理示意图,550,238]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303291416216769_231_3221506_3.jpg!w690x299.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 油炸过程真空压力控制原理示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 按照图2所示的动态平衡法真空压力控制原理，油炸过程中的真空压力控制主要分三部分：[/size][size=16px] （1）负压区间控制：在控制真空负压时，由进气排气阀门、真空泵、传感器和控制器组成闭环控制回路，高压气源提供压力不高的工作气体。在具体控制过程中，真空压力控制器根据传感器采集信号与设定值进行比较，控制器输出两路信号分别用于固定进气阀门开度和调节排气阀门开度，通过自动调节进出气流量达到动态平衡来实现负压区间全量程的真空度准确控制。[/size][size=16px] （2）正压区间控制：在低于7MPa范围内的正压控制时，由高压气源、进气阀、传感器和控制器组成闭环控制回路。进气阀门直接采用电气比例阀，比例阀对高于7MPa的高压气源进行减压控制，而真空压力控制器根据压力传感器与设定值比较后输出信号对比例阀进行自动调节。[/size][size=16px] （3）超高压区间控制：对于7~300MPa范围内的超高压控制，进气阀门需要采用电气比例阀和背压阀的组合形式。背压阀对超高压进气进行减压来控制控制油渣罐内的超高压力，电气比例阀作为先导阀来调节背压阀，真空压力控制器根据压力传感器与设定值比较后输出信号对比例阀进行自动调节。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 根据前述的油炸装置真空压力控制原理以及三个不同真空压力范围的控制方法，本文提出了三个相应的具体解决方案。[/size][size=16px][color=#339999][b]3.1 真空负压控制解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 基于图1所示的油炸装置结构，真空负压控制的解决方案具体如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=03.油炸装置真空负压控制系统结构示意图,550,238]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303291416416718_3794_3221506_3.jpg!w690x299.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 油炸装置真空负压控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 方案中采用了电动针阀进行进气流量调节，采用电动球阀进行排列流量调节，真空计为1000Torr量程的薄膜电容规。在油炸装置中对选用的电动针阀和电动球阀有较高的要求，一方面是要有较好的真空密封性能，更重要的是还要具有较快的调节速度，以便能对油炸过程中温度变化以及水分蒸发造成的气压突变进行快速调节。[/size][size=16px] 另外，所用的电动针阀和球阀较适用于小尺寸的油炸罐体，对于较大规格的油炸罐体，可以考虑采用具有相同性能的进气电动球阀和排气电动蝶阀，以满足大尺寸腔体对大流量进气和排气的需要。[/size][size=16px] 解决方案中的另一个重要内容是真空压力控制器，这里的控制器是一个高精度通用型的双通道PID控制器，两个独立通道分别用于电动针阀和电动球阀开度的控制。另外，此真空压力控制器具有通讯接口和配套的计算机软件，可通过上位机编程进行控制，也可能用计算机直接运行软件进行控制操作。[/size][size=16px][color=#339999][b]3.2 正压控制解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 同样基于图1所示的油炸装置结构，7MPa以下正压控制的解决方案具体如图4所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=04.油炸装置7MPa以下压力控制系统结构示意图,500,246]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303291417152373_4414_3221506_3.jpg!w690x340.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图4 油炸装置7MPa以下正压控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 方案中采用了电气比例阀直接对油炸罐压力进行控制，即对高压气源的压力进行减压后输送到油炸罐。电气比例阀的控制则采用了真空压力控制器，同样，也可以采用上位机和计算机直接对电气比例阀进行控制。[/size][size=16px] 方案中需要注意的是，电气比例阀仅能满足小尺寸油炸罐内的压力控制，针对较大尺寸的油炸罐，则需要在电气比例阀后面增加流量放大器，以对大尺寸罐体内的压力快速响应和控制。[/size][size=16px][color=#339999][b]3.3 超高压控制解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 同样基于图1所示的油炸装置结构，超高压控制的解决方案具体如图5所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=05.油炸装置超高压300MPa压力控制系统结构示意图,500,317]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303291417342442_4888_3221506_3.jpg!w690x438.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图5 油炸装置超高压控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图5中的解决方案与图4所示的正压控制解决方案类似，这里的电气比例阀是作为先导阀来驱动背压阀，背压阀则对输入的超高压气源进行减压以实现油炸罐内的超高压控制。[/size][size=16px] 在此方案中需要采用两路气源，一路气源用于驱动电气比例阀，另一路气源作为油炸罐的工作气源。[/size][size=16px] 油炸罐的超高压力自动控制也采用了真空压力控制器，控制器根据压力传感器信号来控制电气比例阀，电气比例阀驱动背压阀，由此实现对背压阀的间接控制。同样，也可以采用上位机和计算机直接对背压阀进行控制操作。[/size][size=18px][color=#339999][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 采用真空压力控制器、电动针阀、电动球阀、电气比例阀、背压阀和真空泵的自动化控制解决方案，可以实现食品油炸过程中的真空压力准确控制，提高油炸食品的质量和口感。[/size][size=16px] 解决方案的另外一个特点是可以采用灵活的组合，实现不同范围的真空压力控制，可满足不同压力场要求的油炸设备，也可满足不同尺寸大小的油炸罐真空压力控制需要。[/size][size=16px] 解决方案具有很强的可扩展性和灵活性，在实现真空压力控制的同时，真空压力控制器还可以拓展应用到油炸过程中的温度和其他参数的控制，控制器的小巧尺寸和通讯功能可方便的集成在油炸装置的控制系统中，也可单独构成中央控制单元。[/size][size=18px][color=#339999][b]5. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] Andrees-Bello, A., P. Garc?a-Segovia, and J. Mart?nez-Monzo. 2011. Vacuum frying: An alternative to obtain high-quality dried products. Food Engineering Reviews 3 (2):63–78.[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=16px][/size][size=16px][/size][size=16px][/size]