高压精密驱动泵

高压恒流泵如何实现高压恒流高压恒流泵是高效液相色谱中的一大核心部件，在高效液相色谱发展和应用中起着非常重要的作用。它的主要特点就是高压、恒流，也就是它能在很高的背压下提供平稳的流速，在色谱分离技术中提供一个高压稳定的动力，为实现高效、高压、高准确度、高灵敏度的分离检测系统奠定了基础。高压恒流泵在高效及超高效液相色谱中起着不可或缺的作用，那它究竟是怎么实现高压恒流的呢？下面静听一一分解。首先来看看高压恒流泵的运行情况。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142013_527141_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142013_527142_2498430_3.png 现在的高压恒流泵大多采用电机带动凸轮，凸轮推动柱塞杆做往复式活塞运动，由单向阀控制吸液和上液，从而达到泵的功能。这有几点关键的地方需注意。1.凸轮很重要，在这个运动过程中起着非常重要的作用，它可以把圆周运动转化为直线运动，并且是匀速运动。液相发展早期用的是偏心轮，效果不理想。当然凸轮也是偏心轮的一种，但由于它的性能优于早期的偏心轮，现在独立给它命名凸轮。2.驱动、控制电路也是这个过程中的一个关键点。由于凸轮等关键部件加工、设计或安装等某个环节产生的误差，导致高压恒流泵系统供液不稳定，从而可以通过程序调整电机转速来调整泵流速，使之趋于稳定，这个技术也被很多人称之为电子脉动补偿技术（电子抑制驱动技术）。3.双柱塞往复结构。单柱塞结构无论怎么完美，它都是间歇式的，很难实现稳定效果。双柱塞或多柱塞结构柱塞运动过程中可以相互补充，实现稳流效果相对容易的多。由于多柱塞结构结构相当复杂，造价很高，所以很少被应用。双柱塞往复运动结构现在被广泛应用，它分为双柱塞并联式和双柱塞串联式两种。4.柱塞运动方式也是一个比较重要的环节。这个环节把握不好有可能会缩短柱塞杆、密封圈等部件的寿命，也经常可能会导致系统漏液。5.单向阀、密封圈、柱塞杆等关键部件的性能和质量也很重要，没有这些部件性能的保证，泵系统很有可能会产生复杂多样的不稳定因素，影响稳流效果。6.如果泵系统流速不稳定，通过改变其它方式或是难度大或是费用高，很多厂家选择了在系统中加入一个压力（流速）脉动阻尼器，来消解流速波动。 高压实现起来相对简单，只要控制某些关键件性能和质量，比如凸轮等相关部件硬度，密封圈、柱塞杆、单向阀的性能及质量（一定是能耐高压的），实现起来一般不会有大的问题，当然稳定、合理机构及设计也不必不可少的。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142027_527153_2498430_3.png高压恒流泵整个系统涉及到的技术很多，有些也很精密、高端，但为了达到高压、恒流目的，每个细节都不可小视，都得认真对待。凸轮技术尤为关键，现在大家大多采用阿基米德螺线原理（方程）或是阿基米德螺线原理推导出的新公式设计加工而成。这个技术深不可测，回味无穷，应用很广，这也成为每个生产厂家研究和攻克的重点。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142015_527143_2498430_3.png http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142016_527146_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142016_527147_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142016_527144_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142016_527145_2498430_3.png下面是一些关于阿基米德螺线的知识，可供参考。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142020_527148_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142020_527149_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142020_527150_2498430_3.pnghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142021_527151_2498430_3.png另外电子脉动补偿技术也是非常理想的一种技术，实现起来也相对简单。它是通过改变凸轮转速来实现恒流，只要凸轮走出的原始流速数据准确，就可以计算出一条相反的拟合曲线，把这条拟合曲线数据输入控制驱动程序中即可。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/12/201412142037_527154_2498430_3.png高压恒流泵是一较复杂的设备，涉及到的技术点较多，需研究和注意的地方也较多，但这都不是问题，只要我们抓住设备和技术的核心点，抓住每一个细节，相信再难的问题也不是问题，相信我们一定能研究和生产出高压恒流泵，超高压超恒流泵等等。以上是本人的一点小小见识，希望能给同仁们一点帮助。

[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]

[color=#990000]摘要：针对高压电气比例阀压力控制精度较差的问题，特别是为了满足客户在超长管件注塑过程中提出的±1%压力控制稳定性要求，本文介绍了相应的解决方案，解决方案的核心技术是采用串级PID控制方法。方案一是基于现有精度较差的高压电气比例阀，通过外置高精度的压力传感器和压力调节器来提高压力控制稳定性；方案二是采用高精度的低压电气比例阀驱动背压阀来实现高压压力精密控制；方案三是在方案二基础上增加外置高精度的压力传感器和压力调节器来进一步提高压力控制稳定性。[/color][align=center][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][size=18px][color=#990000][b]一、背景介绍[/b][/color][/size]作为一种先进的注塑成型方法，气体压力控制技术被逐步应用于塑料制品的成型，以解决常规注塑产品存在的尺寸精度差、表面凹痕及翘曲变形等缺陷，从而提高产品质量。在以往注塑成型工艺的气体压力控制中，普遍采用高压电气比例阀，但存在压力恒定控制稳定性较差的问题。最近有客户针对细管注塑成型提出了高精度气体压力控制要求，具体如下：（1）气体压力控制范围：1~3MPa。（2）控制方式：在任意设定压力点处进行长时间恒压控制。（3）长期压力稳定性：优于±1%。针对高压电气比例阀压力控制精度较差的问题，特别是为了满足客户在超长管件注塑过程中提出的±1%压力控制稳定性要求，本文将详细介绍相应的解决方案。[size=18px][color=#990000][b]二、高压压力精密控制解决方案[/b][/color][/size][size=18px][color=#990000]2.1 外置压力传感器和调节器的串级控制法[/color][/size]目前注塑工艺中所采用的高压电气比例阀为SMC ITVX2030，压力控制范围为0.01~3MPa，能够满足指标要求，但控制精度较差，为±3%FC。为了提高压力控制精度，方案之一是采用串级控制法，即通过外置高精度的压力传感器和压力控制器构成主控回路，由高压比例阀构成辅助回路。由此，通过这种两个串级PID控制回路，充分利用串级控制法具有高精度的特点，来实现高压压力的高精度稳定控制。此方案的结构布局如图1所示。[align=center][img=外置压力传感器和调节器的串级控制法示意图,500,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209282250456396_1585_3221506_3.png!w690x426.jpg[/img][/align][align=center]图1 外置压力传感器和调节器的串级控制法示意图[/align][size=18px][color=#990000]2.2 低压电气比例阀驱动高压背压阀[/color][/size]高压压力控制常用的另外一种控制方式是压力放大技术，即采用工作压力较低但精度较高的电气比例阀作为先导阀，驱动一个可工作在高压条件下的背压阀（或气动减压阀），其整体结构如图2所示。[align=center][img=低压电气比例阀驱动高压背压阀示意图,550,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209282248571168_9189_3221506_3.png!w690x254.jpg[/img][/align][align=center]图2 低压电气比例阀驱动高压背压阀示意图[/align]这里的背压阀相当于一个线性压力放大器，其放大倍数则是实际工艺压力除以比例阀工作压力。由此，可通过调节电气比例阀的驱动压力来控制背压阀的压力输出。如图2所示，这种背压阀高压压力控制方法是一种典型的开环控制，尽管背压阀是对比例阀的输出压力进行线性放大，但其线性度一般较差，这主要是受电气比例阀和背压阀的自身线性度影响。因此，为了实现高精度的压力控制，还需对此方案进行改进以形成闭环控制回路。[size=18px][color=#990000]2.3 高压背压阀串级控制法[/color][/size]为了解决上述比例阀作为先导阀驱动背压阀进行高压压力控制过程中存在的线性度和控制精度较差的问题，可以引入串级控制法，即在图2所示的控制系统中接入一个较高精度的压力传感器和PID控制器，如图3所示，由此对高压管件的压力控制形成一个闭环控制。[align=center][img=高压背压阀串级控制系统结构示意图,600,306]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209282249303319_6557_3221506_3.png!w690x353.jpg[/img][/align][align=center]图3 高压背压阀串级控制系统结构示意图[/align]在图3所示的串级控制法高压压力控制装置中，安装了一个外接压力传感器用于直接监测背压阀的输出压力，压力传感器检测到的压力信号传输给外置的PID控制器，外置PID控制器根据设定值或设定程序采用PID算法进行计算后将控制信号传送给电气比例阀，比例阀根据此控制信号再经其内部PID控制器来调节先导压力输出，从而使得背压阀的输出压力快速接近压力设定值并始终保持一致。[size=18px][color=#990000][b]三、总结[/b][/color][/size]从上述的高压压力控制方案中可以看出，所采用的串级控制是一个双控制回路，具有两个独立的PID控制回路。串级控制法（也称级联控制法）是一种有效提升控制精度的传统方法，但在具体实施过程中，需要满足的条件是：主控回路的压力传感器和PID控制器（这里是外置压力传感器和PID控制器）精度一般要比辅助回路的传感器（这里是电气比例阀内置的压力传感器和PID控制器）要高。因此，为了实现±1%以上精度的高压压力控制，我们推荐的配套方案是采用0.1%精度的外置压力传感器和超高精度PID控制器（技术指标为24位ADC、16位DAC和双浮点运算的0.01%最小输出百分比）。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]