真空压力控制系统

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

[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]

[color=#ff0000]摘要：本文介绍了根据客户要求对CVD管式炉真空控制系统进行升级改造的过程，分析了客户用CVD管式炉真空控制系统中存在的问题，这些问题在目前国产CVD和PECVD管式炉中普遍存在。本文还详细介绍了改造后的真空压力控制系统的工作原理、结构和相关部件参数等详细内容，改造后的真空压力控制精度得到大幅度提高。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#ff0000]一、背景介绍[/color][/size]客户订购了一台CVD管式炉以进行小尺寸材料的制作，CVD管式炉及其结构如图1所示。在使用中客户发现这台管式炉在CVD工艺过程中无法保证材料的质量和重复性，材料性能波动性较大，分析原因是真空压力控制不准确且不稳定。为解决此问题，客户提出对此CVD管式炉的真空控制系统进行升级改造。[align=center][img=CVD和PECVD管式炉真空控制系统,690,370]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206281659560038_5783_3384_3.png!w690x370.jpg[/img][/align][align=center]图1 用户购置的CVD管式炉及其结构内容[/align]我们通过分析图1所示CVD管式炉的整体结构，发现造成真空压力控制效果较差的原因，主要是此管式炉的真空控制系统存在以下几方面的严重问题，而这些问题在目前国产CVD和PECVD管式炉中普遍存在。（1）真空计选择不合理：对于绝大多数的CVD和PECVD管式炉，其真空度的控制范围一般都为1Pa~0.1MPa（绝对压力），并要求实现真空度精确控制。而在客户所购置的CVD管式炉（包括其他品牌产品）中，为了节省造价，管式炉厂家配备了皮拉尼计和皮拉尼+电容真空计，但这种组合式电容真空计在10kPa~95kPa范围内的精度只有±5%，0.1Pa~10kPa范围内的精度则变为±15%，比单纯的薄膜电容真空计的全量程±0.25%精度相差太大。合理的选择是使用单纯的薄膜电容真空计，而且须配置2只真空计才能覆盖整个真空度范围的测量和控制。（2）控制方法错误：对于1Pa~0.1MPa（绝对压力）范围内的真空度控制，需要分别采用上游和下游控制模式进行控制才能达到很好的控制精度。例如，在1Pa~1kPa范围内采用上游控制模式，即固定真空泵抽速而只调节上游进气流量；在1kPa~0.1MPa范围内采用下游控制模式，即固定上游进气流量而只调节下游的排气流量。客户所采用的CVD管式炉则仅采用了调节进气流量的上游控制模式，势必会造成1kPa~0.1MPa范围内的真空度控制波动性很大，同时造成工作气体的极大浪费。（3）多种比例混合气体控制结构错误：在CVD工艺中，反应气体为按比例配置的多种工作气体混合物。尽管CVD管式炉中采用了4只气体质量流量计来配置工作气体，但质量流量计只能保证气体混合比的准确性而无法对真空度进行准确控制，除非是单一气体则可以通过一个质量流量计来调节进气流量来实现真空度控制。综上所述，客户所购置的CVD管式炉存在一些严重影响真空度控制精度的问题，文本将详细介绍解决这些问题的具体方法和升级改造详细内容。改造后的真空度控制系统可在全量程范围内控制精度优于±1%。[size=18px][color=#ff0000]二、升级改造技术指标[/color][/size]对客户的CVD管式炉的真空控制系统进行升级改造，需要达到的技术指标如下：（1）真空度控制范围：1Pa~0.1MPa（绝对压力）。（2）真空度控制精度：±1%（全量程范围）。（3）控制形式：定点控制和曲线控制。（4）输入形式：编程或手动。（5）PID参数：自整定。[size=18px][color=#ff0000]三、升级改造技术方案[/color][/size]针对客户的4通道进气CVD管式炉，为实现真空控制系统的上述技术指标，所采用的技术方案如图2所示。[align=center][img=CVD和PECVD管式炉真空控制系统,690,360]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206281700285160_4408_3384_3.png!w690x360.jpg[/img][/align][align=center]图2 CVD管式炉真空度控制系统结构示意图[/align]如图2所示，升级改造的技术方案主要在以下几方面进行了改动：（1）还保留了皮拉尼真空计以对真空度进行粗略的测量，更主要的是采用皮拉尼计可以覆盖0.001Pa~1Pa的超高真空监控。但在1Pa~0.1MPa真空度范围内，增加了两只薄膜电容真空计分别覆盖1Pa~1kPa和10kPa~0.1MPa，以提高CVD工艺过程中的真空度测量精度。（2）对于1Pa~0.1MPa（绝对压力）范围内的真空度控制，分别采用上游和下游控制模式进行控制以实现更高的控制精度。例如，在1Pa~1kPa范围内采用上游控制模式，即固定真空泵抽速而只调节上游进气流量；在1kPa~0.1MPa范围内采用下游控制模式，即固定上游进气流量而只调节下游的排气流量。（3）对于多种比例混合工作气体的CVD工艺，继续保留4路气体质量流量控制器以实现比例准确的工作气体混合，但精密混合后的气体进入一个缓冲罐。缓冲罐内气体进入CVD管式炉的流量通过一个电动针阀进行调节，由此既能保证工作气体的准确混合比，又能实现上游进气流量的精密调节。（4）为实现下游控制模式，在CVD管式炉的排气口处增加一个电动针阀，此电动针阀的作用是调节排气流量。下游控制模式在CVD工艺中非常重要，这种模式可以保证1kPa~0.1MPa范围内真空度的精确控制。如果在1kPa~0.1MPa范围内采用上游控制模式，一方面是真空度控制波动太大，另一方面是会无效损耗大量工作气体。（5）真空度的控制精度，除了受到真空计测量精度和电动针阀调节精度的影响之外，还会受到PID控制精度的严重制约。为此，技术方案中选用了24位AD和16位DA的高精度PID控制器，且具有定点和可编程控制功能，同时PID参数可进行自整定以便于准确确定控制参数。（6）由于采用了两只高精度的电容真空计测量整个量程范围的真空度，在实际真空度控制过程中，就需要根据不同量程选择对应的电容真空计并进行真空度控制。由此，这就要求PID控制器需要具备两只真空计之间的自动切换功能。（7）在CVD和PECVD管式炉真空度控制系统升级改造方案中，使用了上下游两种控制模式，这就要求PID控制器同时具备正向和反向操作功能，也可以采用2通道可同时工作的PID控制器，一个通道对应一个电动针阀。[size=18px][color=#ff0000]四、总结[/color][/size]针对客户的4通道进气CVD管式炉存在的CVD工艺中真空度控制严重不稳定的问题，分析了造成真空度控制不稳定的主要原因是真空计测量精度不够、控制方法不正确、多种工作气体混合结构不正确。为解决上述问题，本文提出了相应的升级改造技术方案，更换了精度更高的薄膜电容真空计，采用了控制精度更高的上下游控制方法，在多种气体混合管路上增加了缓存罐，并使用了调节和控制精度较高的电动针阀和2通道PID控制器。升级改造后的真空控制系统，可在全量程的真空度范围（1Pa~0.1MPa）内实现±1%的控制精度和稳定性。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#990000]摘要：真空压力除泡机和除泡烤箱在电子行业的应用十分广泛，但现有除泡机存在的最大问题是选择了开关式阀门，无法实现真空和压力既准确又快速的控制。为此，本文提出了升级改造技术方案，即采用双向PID控制器和快速电动球阀开度大小的连续调节，可在各种规格尺寸的除泡机上实现真空压力的快速准确控制。[/color][/size][align=center] [img=,690,439]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304231446478656_8396_3221506_3.jpg!w690x439.jpg[/img][/align][size=16px][/size][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 真空压力除泡烤箱常用于半导体、5G通讯、新能源、汽车电子、消费电子、航天军工等领域的芯片黏结（DAF）、屏幕贴合（OCA）、底部填充胶（Underfill）、灌封胶（Potting）或印刷涂覆胶（Printing）等工艺制程中，可有效消除气泡，增加粘附力和密封性，提高产品良率、一致性和可靠性。真空处理是为了防止粘结剂受热氧化，加压充气是将粘结剂内的气泡压除，避免气泡的产生，使得半导体芯片与片材在后续的回焊过程中不会受到较大的应力而避免损坏。[/size][size=16px] 真空压力除泡的典型过程如图1所示，首先对载有半导体芯片以及片材的烤箱抽真空并充氮气的冲洗循环，尽可能减少腔室内的氧分子，然后将腔室内压力控制在微负压状态，使腔室内氮气体积为箱体体积的60％～70％。随后控制加热器加热使腔室内部环境温度升高到80℃，并将加热器周围的热气吹至半导体芯片上，防止将半导体芯片以及片材粘结剂固化。随后再次通入氮气在腔室内形成高压环境，高压氮气将粘结剂内的气泡压除清理，完成气泡的清除工作，同时将腔室内部环境加热至150℃并保持恒定，使得粘结更加稳定，半导体芯片的质量更好。最后停止加热和通过水冷机构将箱体内部的温度降低，泄压后完成工作。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=01.除泡过程中的真空压力和温度变化曲线示意图,550,294]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304241456550094_8341_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 除泡过程中真空压力和温度的典型变化曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图1所示过程可以看出，整个除泡过程需要包含以下几方面的内容：[/size][size=16px] （1）真空压力的变化过程需要准确的可编程程序控制，可使整个处理过程完全自动运行。[/size][size=16px] （2）所配置的真空压力装置能被来自控制器的电子信号精细调节和控制以满足精度要求，而且还需满足一定的变化速度要求。[/size][size=16px] （3）需要合适的控制方法和结构，控制真空和压力的连续变化。[/size][size=16px] 尽管目前大多除泡机都标称具有真空压力控制功能，但由于都是采用开关式阀门进行真空和压力的调节控制，这种开关式控制方法存在以下两个问题：[/size][size=16px] （1）如果阀门口径较大，则真空压力的控制稳定性较差，但好处是控制速度较快。[/size][size=16px] （2）如果阀门口径较小，尽管能改善控制精度，但劣势则是控制速度很慢。[/size][size=16px] 由此可见，现有真空压力除泡机存在的最大问题是选择了开关式阀门进行真空压力控制，无法对抽气和进气流量进行精细调节。为此，本文提出了升级改造技术方案，通过采用快速电动阀门的开度大小调节，可准确且快速实现除泡机的真空压力控制。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了在除泡机上实现快速准确的真空压力控制，本文提出的具体解决方案如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=02.除泡机真空压力控制系统结构示意图,690,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304241457199993_3223_3221506_3.jpg!w690x342.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 除泡机真空压力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 除泡机的新型真空压力控制系统主要包括高压气源、电动调节阀、真空压力传感器、双向控制器和真空泵等，其真空压力控制基于动态平衡法，即通过调节进入和流出除泡烤箱的气体流量实现真空和压力的准确控制。当进行真空控制时，自动减小进气调节阀开度但增大出气调节阀开度；当进行压力控制时，自动增大进气调节阀开度但减小出气调节阀开度。由此可实现真空压力的全量程自动平滑控制。[/size][size=16px] 此新型的除泡机真空压力控制系统主要有以下功能和特点：[/size][size=16px] （1）采用通径为10mm的快速电动球阀，工作压力1MPa以下，极小的真空漏率，开关速度小于7秒，0~10V模拟控制信号，这样既可以快速抽取真空和加载高压气体，又能进行快速调节实现真空压力的稳定控制。[/size][size=16px] （2）采用了真空和压力双传感器，可以覆盖真空压力的全量程测量和控制。[/size][size=16px] （3）采用具有分程控制功能的双向PID控制器实现进气和出气阀门的同时调节，可在真空压力全量程范围内进行自动控制。[/size][size=16px] （4）PID控制器具有双传感器自动切换功能，可根据控制要求自动选择相应的传感器。[/size][size=16px] （5）PID控制器具有可编程功能，可支持20条工艺曲线。控制器具有PID参数自整定功能，支持20组分组PID参数。[/size][size=16px] （6）PID控制器具有RS485通讯接口和标准的MODBUS协议，可与上位机连接。自带的控制软件可直接运行控制器，并设置、数字显示、曲线显示和存储控制器参数的变化过程。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文详细介绍了用于除泡机的新型真空压力控制系统，控制系统所采用的电动球阀和双向PID控制器，使得此系统可实现真空压力全范围内快速准确的可编程控制。[/size][size=16px] 另外，控制系统所用的PID控制器，是一种通用性PID调节器，也完全可以用于除泡机的温度控制。特别是具有两路独立的PID控制通道，可对两组发热体进行控制，更能保证除泡机内的温度均匀性。[/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align]

干式运输型液氮罐在现代物流中扮演着重要的角色。这种特殊的液氮罐能够安全、高效地储存和运输液体氮气，被广泛应用于医疗、化工、半导体等领域。　　然而，在使用过程中，液氮罐的温度和压力控制是至关重要的，这直接关系到液氮罐内液氮的稳定性和可靠性。为了提高效率和保障安全，智能控制系统成为必不可少的一部分。本文将探讨干式运输型液氮罐智能控制系统的设计与优化。　　首先，我们需要了解液氮罐的基本工作原理。干式运输型液氮罐主要由罐体、内胆、真空绝热层和控制系统组成。当液体氮气进入储罐后，通过真空绝热层的保护，减少了热量的传输，从而保持液态状态。而控制系统则对液氮罐的温度和压力进行监测和控制，以确保液氮罐内的环境始终稳定。[img=液氮罐,400,372]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311301123439518_1703_3312634_3.jpg!w400x372.jpg[/img]　　传统的液氮罐控制系统通常采用传感器和人工操作的方式来实现温度和压力的监测与调节。然而，这种方式存在着人工操作不准确、反应迟缓等问题，同时也增加了人工成本。因此，智能控制系统应运而生。　　智能控制系统通过集成传感器、执行器、控制算法和通信技术，能够实时监测和控制液氮罐的温度和压力。首先，通过温度传感器和压力传感器采集罐内环境的数据，并将其传输给控制器。控制器根据预设的参数和算法进行数据处理，判断罐内环境的状态，并根据需要发送控制信号给执行器。　　在控制信号的作用下，执行器可以自动调节液氮罐的温度和压力。例如，当温度过高时，控制系统可以启动冷却装置将温度降低 当压力过大时，控制系统可以通过排气阀门释放部分气体来降低压力。通过智能控制系统的优化和升级，液氮罐的温度和压力控制将更加准确和高效。　　此外，智能控制系统还具有远程监控和故障诊断的功能。通过通信技术，控制系统可以与上位机或云平台进行数据交换和传输，实现远程监控。操作人员可以随时查看液氮罐的运行状态和数据，并根据需要进行调整和控制。同时，智能控制系统可以对液氮罐进行故障诊断，及时发现并报警故障，提高维护效率和减少停机时间。　　总之，干式运输型液氮罐（www.cnpetjy.com）的智能控制系统在提高效率和保障安全方面具有重要作用。通过集成传感器、执行器、控制算法和通信技术，智能控制系统能够实时监测和控制液氮罐的温度和压力，实现自动化调节 同时，还能够实现远程监控和故障诊断，提高了运行效率和可靠性。未来，随着技术的不断进步，液氮罐智能控制系统的功能和性能还将进一步提升，为物流行业带来更多的便利和效益。

[align=center][b][img=显微镜探针冷热台的真空压力和气氛精密控制解决方案,600,484]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311021102101876_7960_3221506_3.jpg!w690x557.jpg[/img][/b][/align][size=16px][color=#333399][b]摘要：针对目前国内外显微镜探针冷热台普遍缺乏真空压力和气氛环境精密控制装置这一问题，本文提出了解决方案。解决方案采用了电动针阀快速调节进气和排气流量的动态平衡法实现0.1~1000Torr范围的真空压力精密控制，采用了气体质量流量计实现多路气体混合气氛的精密控制。此解决方案还具有很强的可拓展性，可用于电阻丝加热、TEC半导体加热制冷和液氮介质的高低温温度控制，也可以拓展到超高真空度的精密控制应用。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]====================[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#333399][b][/b][/color][/size][size=18px][color=#333399][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 探针冷热台允许同时进行样品的温控和透射光/反射光观察，支持腔内样品移动、气密/真空腔、红外/紫外/X光等波段观察、腔内电接线柱、温控联动拍摄、垂直/水平光路、倒置显微镜等，广泛应用于显微镜、倒置显微镜、红外光谱仪、拉曼仪、X射线等仪器，适用于高分子/液晶、材料、光谱学、生物、医药、地质、 食品、冷冻干燥、 X光衍射等领域。[/size][size=16px] 在上述这些材料结构、组织以及工艺过程等的微观测量和研究中，普遍需要给样品提供所需的温度、真空、压力、气氛、湿度和光照等复杂环境，而现有的各种探针冷热台往往只能提供所需的温度变化控制，尽管探针冷热台可以提供很好的密闭性，但还是缺乏对真空、压力、气氛和湿度的调节及控制能力，国内外还未曾见到相应的配套控制装置。为了实现探针冷热台的真空压力、气氛和湿度的准确控制，本文提出了相应的解决方案，解决方案主要侧重于真空压力和气氛控制问题，以解决配套装置缺乏现象。[/size][size=18px][color=#333399][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对显微镜探针冷热台的真空压力和气氛的精密控制，本解决方案可达到的技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真空压力：绝对压力范围0.1Torr~1000Torr，控制精度为读数的±1%。[/size][size=16px] （2）气氛：单一气体或多种气体混合，气体浓度控制精度优于±1%。[/size][size=16px] 本解决方案将分别采用以下两种独立的技术实现真空压力和气氛的精确控制：[/size][size=16px] （1）真空压力控制：采用动态平衡法技术，通过控制进入和排出测试腔体的气体流量，使进气和排气流量达到动态平衡从而实现宽域范围内任意设定真空压力的准确恒定控制。[/size][size=16px] （2）气氛控制：采用气体质量流量控制技术，分别控制多种工作气体的流量，由此来实现环境气体中的混合比。[/size][size=16px] 采用上述两种控制技术所设计的控制系统结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#333399][b][img=显微镜探针冷热台真空压力和气氛控制系统结构示意图,690,329]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311021103195907_6925_3221506_3.jpg!w690x329.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#333399][b]图1 真空压力和气氛控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，真空压力控制系统由进气电动针阀、高真空计、低真空计、排气电动针阀、高真空压力控制器、低真空压力控制器和真空泵组成，并通过以下两个高低真空压力控制回路来对全量程真空压力进行精密控制：[/size][size=16px] （1）高真空压力控制回路：真空压力控制范围为0.1Torr~10Torr（绝对压力），控制方法采用上游控制模式，控制回路由进气电动针阀（型号：NCNV-20）、高真空计（规格：10Torr电容真空计）和真空压力程序控制器（型号：VPC20201-1）组成。[/size][size=16px] （2）低真空压力控制回路：真空压力控制范围为10Torr~1000Torr（绝对压力），控制方法采用下游控制模式，控制回路由排气电动针阀（型号：NCNV-120）、低真空计（规格：1000Torr电容真空计）和真空压力程序控制器（型号：VPC20201-1）组成。[/size][size=16px] 由上可见，对于全量程真空压力的控制采用了两个不同量程的薄膜电容真空计进行覆盖，这种薄膜电容真空计可以很轻松的达到0.25%的读数精度。真空计所采集的真空度信号传输给真空压力控制器，控制器根据设定值与测量信号比较后，经PID算法计算后输出控制信号驱动电动针阀来改变进气或排气流量，由此来实现校准腔室内气压的精密控制。[/size][size=16px] 在全量程真空压力的具体控制过程中，需要分别采用上游和下游控制模式，具体如下：[/size][size=16px] （1）对于绝对压力0.1Torr~10Torr的高真空压力范围的控制，首先要设置排气电控针阀的开度为某一固定值，通过运行高真空度控制回路自动调节进气针阀开度来达到真空压力设定值。[/size][size=16px] （2）对于绝对压力10Torr~1000Torr的低真空压力范围的控制，首先要设置进气针阀的开度为某一固定值，通过运行低真空度控制回路自动调节排气针阀开度来达到真空压力设定值。[/size][size=16px] （3）全量程范围内的真空压力变化可按照设定曲线进行程序控制，控制采用真空压力控制器自带的计算机软件进行操作，同时显示和存储过程参数和随时间变化曲线。[/size][size=16px] 显微镜探针冷热台内的真空压力控制精度主要由真空计、电控针阀和真空压力控制器的精度决定。除了真空计采用了精度为±0.25%的薄膜电容真空计之外，所用的NCNV系列电控针阀具有全量程±0.1%的重复精度，所用的VPC2021系列真空压力控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，通过如此精度的配置，全量程的真空压力控制可以达到很高的精度，考核试验证明可以轻松达到±1%的控制精度，采用分段PID参数，控制精度可以达到±0.5%。[/size][size=16px] 对于探针冷热台内的气氛控制，如图1所示，采用了多个气体质量流量控制器来对进气进行精密的流量调节，以精确控制各种气体的浓度或所占比例。通过精密测量后的多种工作气体在混气罐内进行混合，然后再进入探针冷热台，由此可以准确控制各种气体比值。在气氛控制过程中，需要注意以下两点：[/size][size=16px] （1）对于某一种单独的工作气体，需要配备相应气体的气体质量流量控制器。[/size][size=16px] （2）混气罐压力要进行恒定控制或在混气罐的出口处增加一个减压阀，以保持混气罐的出口压力稳定，这对准确控制校准腔室内的真空压力非常重要。[/size][size=18px][color=#333399][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案可以彻底解决显微镜探针冷热台的真空压力控制问题，并具有很高的控制精度和自动控制能力。另外，此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，更可以通过在进气口增加微小流量可变泄漏阀，实现各级超高真空度的精密控制。[/size][size=16px] （2）本解决方案所采用的控制器也可以应用到冷热台的温度控制，如帕尔贴式TEC半导体加热制冷装置的温度控制、液氮温度的低温控制。[/size][size=16px] （3）解决方案中的控制器自带计算机软件，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，极大方便了微观分析和测试研究。[/size][size=16px] 在目前的显微镜探针冷热台环境控制方面，还存在微小空间内湿度环境的高精度控制难题，这将是我们后续研究和开发的内容之一。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[color=#990000]摘要：针对上一代探空仪检定用低压环境模拟舱压力控制系统控制精度和稳定性差、压力传感器和控制系统配置不合理等问题，用户提出升级改造要求。本文介绍了新一代低压环境模拟舱压力控制系统的实施方案，采用了双向控制模式，进行了方案验证试验，试验结果证明控制精度和稳定性都大幅提高。关键词：低压模拟舱,探空仪,压力控制,电动针阀,电动球阀,上游模式,下游模式,PID控制器[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]检定探空仪的重要手段之一是在地面进行低压环境模拟舱的测试，在用的低压环境模拟舱结构如图1所示。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,376]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061504557090_7216_3384_3.jpg!w690x472.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 低压环境模拟舱结构示意图[/color][/align]此低压环境模拟舱使用过程中存在压力控制波动较大的问题，越靠近1个大气压时波动越大，通过分析认为主要是以下几方面原因引起：（1）压力传感器选择不合理，在全量程压力范围内传感器误差所占比例并不相同，从而显示出靠近1个大气压时波动大和远离1个大气压时波动小的现象，但实际上整体都存在较大波动，只是压力传感器在1个大气压附近精度最高，而在远离1个大气压处压力传感器误差已经完全涵盖了压力波动范围。（2）压力控制采用的是开关控制模式，真空泵和电磁阀根据压力设定值大小同时开启或关闭，尽管增加了储气罐作为缓冲，但这种半自动控制模式很难实现压力的准确恒定。（3）控制器并没有采用PID自动控制方式，也是影响压力控制精度的主要原因。综上分析，针对上一代探空仪检定用低压环境模拟舱压力控制系统控制精度和稳定性差、压力传感器和控制系统配置不合理等问题，用户提出升级改造要求。本文将介绍新一代低压环境模拟舱压力控制系统的实施方案，拟采用双向控制模式，并进行方案验证试验，由此证明控制精度和稳定性能大幅提高。[size=18px][color=#990000]二、压力控制系统升级改造方案[/color][/size]探空仪检定用低压环境模拟舱工作的绝对压力范围为1torr~760torr，要求在此范围内模拟舱的压力可以在任意设定点上准确恒定，甚至要求可以按照设定变压速率进行控制。为此，具体的升级改造方案是在原压力控制系统的基础上，保留真空泵和真空电磁阀，更换压力传感器和控制器，去掉储能罐，增加数控的进气阀和排气阀，具体方案如下：（1）采用10torr和1000torr两个不同量程的电容压力计来覆盖整个低气压范围的测量，从而保证全量程的测量精度。（2）采用高精度PID真空压力控制器，以匹配电容压力计的测量精度和保证控制精度。（3）分别真空腔体的进气口和排气口安装电动针阀和电动球阀，电动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的电磁阀之间。（4）控制方式分别采用上游模式和下游模式，上游模式用来控制10torr以下气压，下游控制用来控制10~760torr范围气压。（5）如图2所示，上游模式是维持上游压力和出气口流量恒定，通过调节进气口流量控制仓室压力。（6）如图3所示，下游模式是维持上游压力和进气口流量恒定，通过调节排气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,400,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506055621_2789_3384_3.jpg!w400x421.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 低气压上游控制模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,450,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506206214_771_3384_3.jpg!w450x393.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 低气压下游控制模式[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、方案验证试验[/color][/size]针对上述两种控制模式，分别采用1torr和1000torr两只电容压力计、电动针阀、电动球阀和24位高精度压力控制器进行了考核试验，试验用的真空腔体内部空间为400×400×500mm，试验装置如图4和图5所示。[align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506318858_3696_3384_3.jpg!w690x464.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 低气压上游控制模式考核试验装置[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,339]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061506474377_3818_3384_3.jpg!w690x426.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 低气压下游控制模式考核试验装置[/color][/align]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，整个控制过程中的气压变化如图6所示。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，整个控制过程中的气压变化如图7所示。 [align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507110485_1025_3384_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,327]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507246957_2391_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]将上述不同低气压恒定点处的控制效果以波动率来表示，则得到图8和图9所示的整个范围内的波动率分布。从波动率分布图可以看出，在整个低气压的全量程范围内，波动率可以精确控制在±1%范围，在12Pa处出现的较大波动，是因为采用 68Pa处自整定获得的PID参数并不合理，需进行单独的PID参数自整定。 [align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507435250_4590_3384_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压环境模拟舱压力控制,550,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201061507565906_1701_3384_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图9 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]从上述考核试验结果可以看出，升级改造后的控制方法可以将压力控制精度和稳定性提高五倍以上，并大幅提高了低压环境模拟仓自动化水平和可靠性。[align=center]=======================================================================[/align]

[align=center][img=负压到正压之间的真空压力控制,550,322]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150930277204_2781_3384_3.png!w690x405.jpg[/img][/align][color=#000099]摘要：针对一些真空压力应用场合需要实现低压到高压（或负压到正压）之间的单向或交替连续精密控制，本文提出了相应的解决方案。并针对不同的真空压力范围，详细介绍了不同的调节阀配置和技术参数。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#000099]一、背景介绍[/color][/size]在一些真空压力应用场合，常需要气压在低压和高压（负压到正压）之间进行单向或交替变化，且整个变化过程需要精密控制。这方面的典型应用场合主要有：（1）压力传感器的校准装置：对于一些测量范围覆盖负压到正压的压力传感器，其校准就需要相应的校准腔室，校准腔室需要模拟出相应的负压到正压的真空压力环境。并且在校准过程中，需在低压到高压范围内设置多个校准点，并按照从高到低（或从低到高）连续控制和测量，并进行校准。（2）人体肺器官性能研究装置：通过正压和负压变化控制模拟呼吸过程以研究肺器官的动力学特性，由此来指导和改进呼吸机和相关仪器。（3）大气气压环境模拟装置：在各种航空飞行器、机动车辆和电器仪表等行业，都需要在大气气压模拟环境下进行考核测试，相应的大气气压模拟腔室也需要正负压范围内的连续控制，有时甚至要求在正负压之间快速变化以模拟飞行器高度快速变化的动态特性。（4）医院隔离房间的正负压转换：很多医院的手术室等多为正压房间，随着新型冠状病毒出现以后，需要将正压室改造为负压室，甚至要求可以按照需要在正压和负压之间进行转换。（5）闪蒸工艺：闪蒸工艺是使液体在正负压快速变化环境中形成过热并快速挥发成蒸汽而起到快速干燥作用，同时可用来增加液体对固体的渗透。（6）机械手用软气动致动器：大多数用于产生弯曲致动的软气动致动器都利用了正压或负压，正负压致动器的弯曲力组合成单个致动结构，并产生较大的阻挡力并仍然能够产生较大的弯曲变形，为软机器人夹具在需要细腻触感的应用中提高了有效的技术手段。本文将针对上述应用场合中需要实现低压到高压（或负压到正压）之间的单向或交替连续精密控制，提出相应的解决方案。并针对不同的真空压力范围，详细介绍不同的调节阀配置和技术参数。[size=18px][color=#000099]二、技术方案[/color][/size]正负压区间连续控制的基本原理如图1所示，其目的是精密控制真空压力容器内的气压从低压到高压（或从高压到低压）的连续单调变化（或往复交变）。以下为控制原理的具体内容：[align=center][img=负压到正压之间的真空压力控制,550,264]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150934002513_5809_3384_3.png!w690x332.jpg[/img][/align][align=center]图1 正负压区间真空压力连续控制原理图[/align]（1）控制原理基于真空压力容器进气和出去的动态平衡法，是一个典型的闭环控制回路。PID控制器采集压力传感器信号并与设定值进行比较并调节进气和抽气调节阀的开度，最终使传感器测量值与设定值相对而实现真空压力准确控制。（2）为了覆盖低压到高压的整个真空压力范围，至少配置两个真空压力传感器分别负责负压和正压。PID控制器为双通道同时控制以对应低压和高压区间的控制，并且PID控制器能根据不同的真空压力范围对传感器进行自动切换。（3）控制回路中分别配备了真空泵（负压源）和高压气源（正压源），以提供足够的低压和高压能力。（4）当控制是从低压到高压进行变化时，一开始的进气调节阀开度（进气流量）要远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流量达到不同的平衡状态来实现不同的真空压力控制，最终进气调节阀开度逐渐要远大于抽气调节阀开度，由此实现低压到高压范围内一系列设定点的连续精密控制。对于从高压到低压的变化控制，上述过程正好相反。[size=18px][color=#000099]三、方案具体配置[/color][/size]本文所提出的技术方案包括了两个部分，以覆盖以下两个不同的真空压力范围。（1）绝对压力最高7bar至最低0.01mbar（1Pa）。此真空压力范围内的控制系统结构如图2所示。[align=center][img=,550,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150934256923_4766_3384_3.png!w690x407.jpg[/img][/align][align=center]图2 绝对压力0.01mbar~7bar范围内的控制系统结构示意图[/align]在图2所示的控制系统中，由于对高真空进行精密控制而采用了电动针阀，电动针阀的正压耐压仅为7bar，因此决定了此种配置的控制系统高压控制范围不超过7bar。图2所示的控制系统中使用了通径较大电动球阀作为排气调节阀，主要是用于容积较大的密闭容器的真空压力控制。如果要在较小体积密闭容器内实现真空压力的连续控制，则排气调节阀可采用通径较小的电动针阀。另外，对于要求正负压快速交变控制的应用场合，要求进气和排气调节阀具有很高的响应速度，这时就需要采用响应速度更快的电动针阀。（2）绝对压力最高15bar至最低15mbar（1.5kPa）为满足更高压力的需要，就需要解决图2方案中的高压瓶颈，因此将图2中的高压耐压差的电动针阀更换为真空型气控背压阀，由此可大幅度拓宽高压区间，但相应地要在低压范围内做出牺牲。此高压型的控制系统结构如图3所示。[align=center][img=负压到正压之间的真空压力控制,557,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206150934440387_9047_3384_3.png!w690x401.jpg[/img][/align][align=center]图3 绝对压力15mbar~15bar范围内的控制系统结构示意图[/align]图3所示的负压至正压的控制系统中，采用了真空型背压阀来对进出气流量进行调节，对背压阀的驱动则使用了气控先导阀。由于采用了气控式真空型背压阀，可将高压控制范围提升到了15bar，但相应的负压同样也被提升到了15mbar。如果需要，还可以进一步抬高高压上限，但低压下限也会随之提升。在图3所示的这种先导阀驱动背压阀控制方法中，除了将整个控制区间向高压端平移之外，还具有两个特点，一是背压阀可制作成较大通径而适用于较大容器的真空压力控制，二是背压阀的响应速度很快可满足正负压往复交变的快速控制。[size=18px][color=#000099]四、总结[/color][/size]通过上述技术方案，完全可以实现正负压范围内真空压力的连续控制和往复交变控制，并且可以达到很高的控制精度和速度。本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀、电动球阀、背压阀和PID控制器，都是目前上海依阳实业有限公司特有的标准产品，其他的真空计、压力计、先导阀、真空泵和高压起源等也是目前市场上的标准产品。本文技术方案仅是对技术路线的详细内容进行了介绍，在具体实施过程中，还需根据具体应用中的技术指标要求来进行搭配和细化，如采用PLC控制和增加防护用的截止阀等。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/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]

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

[size=16px][color=#6666cc][b]摘要：针对工作范围在5×10[font='times new roman'][sup]-7[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]6[/sup][/font]Pa，控制精度在0.1%~0.5%读数的全量程真空压力综合测量系统技术要求，本文提出了稳压室真空压力精密控制的技术方案。为保证控制精度，基于动态平衡法，技术方案在高真空、低真空和正压三个区间内分别采用了独立的控制方法和不同技术，所涉及的关键部件是微小进气流量调节装置、中等进气流量调节电动针阀、排气流量调节电动球阀、正压压力电子调节器和真空压力PID控制器。配合相应的高精度真空压力传感器，此技术方案可以达到控制精度要求，并已得到过试验验证。[/b][/color][/size][align=center][img=全量程真空压力综合测量系统的高精度控制解决方案,690,384]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121052314254_1235_3221506_3.jpg!w690x384.jpg[/img][/align][size=16px][/size][b][size=18px][color=#6666cc]1. 项目概述[/color][/size][/b][size=16px] 真空压力综合测量系统是一个用于多规格真空传感器测量校准的高精度动态真空压力测量系统，主要由一套真空稳压室、一套电容薄膜真空测量模块、一套冷阻复合真空测量模块、一套高精度真空测量模块，其技术要求如下：[/size][size=16px] （1）真空稳压室体积为1L；[/size][size=16px] （2）真空稳压室含有10路VCR转接接头；[/size][size=16px] （3）真空稳压室加热烘烤温度范围：室温到200℃；[/size][size=16px] （4）冷阻复合真空测量模块量程为（5×10[font='times new roman'][sup]-7[/sup][/font]~1×10[font='times new roman'][sup]5[/sup][/font]）Pa；[/size][size=16px] （5）冷阻复合真空测量模块含有通讯接口，提供0~10V电压信号；[/size][size=16px] （6）电容薄膜真空测量模块量程为10Torr，测量精度为0.5%；[/size][size=16px] （7）电容薄膜真空测量模块接口为8VCR接口；[/size][size=16px] （8）电容薄膜真空测量模块含有通讯接口，提供0~10V电压信号；[/size][size=16px] （9）高精度真空测量模块量程为0.1~10000Torr；[/size][size=16px] （10）高精度真空测量模块测量精度为读数的0.1%；[/size][size=16px] （11）配备高精度真空测量模块的控制器，满足真空测量模块的使用要求，包含通讯接口。[/size][size=16px] 从上述技术要求可以看出，整个系统的真空压力范围覆盖了负压和正压，具体的全量程覆盖范围用绝对压力表示为5×10-7~1.3×106Pa，其中包含了高真空（5×10[font='times new roman'][sup]-7[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]-1[/sup][/font]Pa）、低真空（1.3×10[font='times new roman'][sup]-1[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]5[/sup][/font]Pa)和正压（1.3×10[font='times new roman'][sup]5[/sup][/font]~1.3×10[font='times new roman'][sup]6[/sup][/font]Pa）的精密测量和控制，更具体的是要在一个稳压室内实现三个真空压力范围的不同测量和控制精度。以下将对这些技术要求的实现，特别是对真空压力的精密控制技术方案和相关关键配套装置给出详细说明，其他通用性的装置，如机械泵和分子泵则不进行详细描述。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]2. 高精度宽量程真空压力控制技术方案[/b][/color][/size][size=16px] 真空压力控制系统的技术方案基于动态平衡法控制原理，即在一个密闭容器内，通过调节进气和出气流量并达到相应的平衡状态来实现真空压力设定点的快速控制。在动态平衡法实际应用中，只要配备相应精度的传感器、执行器和控制器，可以顺利实现设计精度的控制。为此，针对本项目提出的技术指标，基于动态平衡法，本文所提出的具体技术方案如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=01.真空压力综合测量控制系统结构示意图,690,410]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121043350021_6971_3221506_3.jpg!w690x410.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图1 高精度全量程真空压力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对应于项目技术指标中的高真空、低真空和正压压力控制要求，图1所示的真空压力控制系统由三个相对独立的控制系统来实现项目技术要求，具体内容如下：[/size][size=16px][color=#6666cc][b]2.1 高真空度控制系统[/b][/color][/size][size=16px] 基于动态平衡法原理，对于高真空控制，需要采用上游控制模式，在分子泵全速抽气条件下，需要在上游（进气端）通过精密调节微小进气流量，来实现高真空范围内任意真空度设定点的恒定控制。如图1所示，高真空控制系统主要包括了冷阻真空计、微量进气调节装置和真空压力控制器，这三个装置构成一个闭环控制系统，它们的精度决定了高真空度的最终控制精度。[/size][size=16px] 需要说明的是高真空和低真空控制系统公用了一套机械泵和分子泵，高真空控制时需要分别使用机械泵和分子泵，而在低真空控制时仅使用机械泵。[/size][size=16px] 对于高真空传感器而言，可根据设计要求选择相应量程和测量精度的真空计，其测量精度最终决定了控制精度，一般而言，控制精度会差于测量精度。[/size][size=16px] 在高真空控制中，关键技术是精密调节微小进气流量。如图1所示，微量进气调节装置有电动针阀、泄漏阀和压力调节器组成，可实现0.005mL/min或更低的微小进气流量调节。[/size][size=16px] 微量气体调节时，首先通过压力调节器来改变泄漏阀的进气压力，使泄漏阀流出相应的微小流量气体，然后通过调节电动针阀来改变进入真空稳压室的气体流量。压力调节器和电动针阀的控制则采用的是24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比的双通道真空压力PID控制器。[/size][size=16px][color=#6666cc][b]2.2 低真空度控制系统[/b][/color][/size][size=16px] 基于动态平衡法原理，对于低真空控制，则需要分别采用上游（进气端）和下游（排气端）两种控制模式。如图1所示，两种控制模式的具体内容如下：[/size][size=16px] 在低真空的0.01~10Torr范围内，需要采用10Torr量程的电容真空计，并在机械泵全速抽气的条件下（电动球阀全开），通过动态改变电动针阀的开度来调节进气流量以实现设定真空度的精密控制。同时在电动针阀的进气端增加一个压力调节器以保证电动针阀进气压力的稳定。[/size][size=16px] 在低真空的10~760Torr范围内，需要采用1000Torr量程的电容真空计，并在固定电动针阀开度和机械泵全速抽气的条件下，通过动态改变电动球阀的开度来调节排气流量以实现设定真空度的精密控制。[/size][size=16px] 同样，在低真空控制系统中也同样采用了高精度的双通道真空压力控制器，两路输入通道分别接10Torr和1000Torr的薄膜电容真空计，两路输出控制通道分别接电动针阀和电动球阀，由此可实现两个低真空范围内的真空度精密控制。[/size][size=16px] 尽管电容真空计可以达到0.2%的测量精度，但要实现项目0.5%的控制精度，需要电动针阀和电动球阀具有很快的响应速度，电动针阀要求小于1s，而电动球阀要求小于3s，另外还要求真空压力控制器也同样具有很高的测量和调节精度，这些要求同样适用于高真空度控制。[/size][size=16px][color=#6666cc][b]2.3 正压压力控制系统[/b][/color][/size][size=16px] 对于正压压力控制采用了集成式动态平衡法压力调节器，并采用了串级控制方法。如图1所示，正压控制系统由压力调节器、压力传感器和真空压力控制器构成的双闭环控制回路构成。采用相应精度和量程的压力传感器和压力调节器可实现0.1%以内的控制精度。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]3. 低真空控制解决方案考核试验和结果[/b][/color][/size][size=16px] 对于低真空精密控制解决方案，我们进行过相应的考核试验。低真空上游和下游控制考核试验装置如图2和图3所示，其中分别采用了10Torr和1000Torr薄膜电容真空计。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=02.上游控制模式考核试验装置,550,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121044011178_1432_3221506_3.jpg!w690x466.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图2 上游控制模式考核试验装置[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=03.下游控制模式考核试验装置,550,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121044250558_2395_3221506_3.jpg!w690x425.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图3 下游控制模式考核试验装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 上游和下游不同真空度设定点的控制结果如图4和图5所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=04.上游低真空度考核试验曲线,550,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121044433769_7471_3221506_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图4 低真空上游考核试验曲线[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=05.下游低真空度考核试验曲线,550,327]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121045002696_1848_3221506_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图5 低真空下游考核试验曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 上游和下游不同真空度设定点的恒定控制波动率如图6和图7所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=06.上游模式低真空度恒定控制波动度,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121045233797_3751_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图6 上游模式低真空恒定控制波动度[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=07.下游模式低真空度恒定控制波动度,550,340]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121045436717_8569_3221506_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图7 下游模式低真空恒定控制波动度[/b][/color][/size][/align][size=16px] 通过上下游两种控制模式的考核试验，可得出以下结论：[/size][size=16px] （1）配备有目前型号电动针阀、电动球阀和 PID 控制器的低真空控制系统，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±0.5%以内。[/size][size=16px] （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 组或2组以上的 PID 参数。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]4. 正压压力控制解决方案考核试验和结果[/b][/color][/size][size=16px] 对于正压压力控制解决方案，同样进行过相应的考核试验。正压压力精密控制考核试验装置如图8所示，其中采用了测量精度为0.05%的压力传感器。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=08.正压压力考核试验装置,600,336]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121046014855_1011_3221506_3.jpg!w690x387.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图8 正压压力考核试验装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 考核试验的压力范围为表压0.1~0.6MPa，选择不同的设定点进行恒定控制并检测其控制的稳定性。全量程的正压压力控制结果如图9所示。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=09.正压压力考核试验曲线,600,337]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121046261180_1880_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图9 正压压力考核试验曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 为了更直观的演示正压压力控制精度，将每个压力设定点时的控制过程进行单独显示，以检测测定正压压力的稳定性，图10显示了不同正压设定点恒定控制时的正压压力和控制电压信号的变化曲线。[/size][align=center][size=16px][color=#6666cc][b][img=10.不同正压设定点恒定控制时的压力和控制电压试验曲线,690,555]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306121046471416_4804_3221506_3.jpg!w690x555.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#6666cc][b]图10 不同正压设定点恒定控制时的压力和控制电压试验曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px] 通过所用的正压压力精密控制解决方案和考核试验结果，证明了此解决方案完全能够实现0.1%高精度的正压压力控制，具体结论如下：[/size][size=16px] （1）采用串级控制和模式，并结合后外置超高精度（0.05%）的压力传感器和真空压力控制器，完全可以有效提高压力调节器的压力控制精度，可实现0.1%超高精度的压力控制。[/size][size=16px] （2）如果选择更合适和狭窄的压力控制范围，还可以达到0.05%的更高控制精度。[/size][size=16px] （3）高精度0.1%的压力控制过程中，真空压力控制器的测量精度、控制精度和浮点运算是决定整体控制精度的关键技术指标，解决方案中采用的24位ADC、16位DAC和高精度浮点运算0.01%的输出百分比，证明完全可以满足这种高精度的控制需要。[/size][size=18px][color=#6666cc][b]5. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 针对真空压力综合测量系统对高真空、低真空和正压精密控制的技术要求，解决方案可以很好的实现精度为0.1%~0.5%读数的精密控制，考试验证试验也证实此控制精度。[/size][size=16px] 更重要的是，解决方案提出了高真空度的精密控制方法和控制系统配置，这将解决在高真空度范围内的任意设定点下的恒定控制难题，为高真空度范围的计量校准测试提供准确的标准源。[/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=16px][/size]

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

[align=center][font='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量控制原理与维护[/font] [font=Times New Roman]—— [/font][/font][font=宋体]手工流量控制系统和电子流量控制系统[/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]概述[/font][/font][/align][font=宋体]稳定可靠、精确度良好的气体流量（压力）控制对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]分析结果的准确性和可靠性而言至关重要。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]工作时需要稳定可靠、精确度良好的气体流量（压力）控制，包括载气、检测器气体和其他辅助气体流量控制，以获得良好的保留时间和峰面积的重现性。[/font][font=宋体]目前实验室常见的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量系统，分为手工流量控制和电子流量控制两种形式，在实际使用场合下各有其优劣。电子流量控制因其高精度、高重复性、易用性、可编程等特性，在现代的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]气体控制系统中的使用日益广泛。[/font][align=center][font=宋体]手工流量（压力）控制系统优势和缺点[/font][/align][font=宋体]手工流量控制系统一般由恒压阀、恒流阀、针型阀、背压阀、压力表、流量计和阻尼器等部件组成。需要通过色谱工作者手工操作，调节各种阀针旋钮，读取压力表数值和使用流量计辅助工作，以实现系统气体流量的控制。[/font][font=宋体]手工流量控制系统的优势：制造成本较低，工作可靠性较好，对[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]实验室环境要求不高、维护和维修成本较低、系统抗污染能力较强，可以在无电源状态下工作。[/font][font=宋体]手工流量控制系统使用的各种阀，机械结构较为坚固，色谱工作者只需要保证气源清洁干净，阀本身不容易损坏。装备有手工流量控制系统的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量部分的常见故障往往与气源不良有关，例如气源中含有水、固体颗粒物或油污等。[/font][font=宋体]实验室空[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]量较差、灰尘严重或者存在一定腐蚀性气体时，对于手工流量控制系统的影响不大。[/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]分流出口连接的针型阀或者背压阀，可能有样品流过内部，如果维护不足，可能会造成污染。采用手工流量控制方式的仪器，针型阀或背压阀的清洗维护方法较为简单，如果需要更换，维修成本也比较低。[/font][font=宋体][font=宋体]某些意外情况下例如实验室意外断电时，装备有手工流量控制系统的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]载气并不会停止工作，可以保护色谱柱和检测器，例如[/font][font=Times New Roman]ECD[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]TCD[/font][font=宋体]、强极性色谱柱。但是需要注意[/font][font=Times New Roman]FID[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]FPD[/font][font=宋体]火焰的问题，如果意外断电情况下，检测器容易发生积水问题，会造成检测器内部发生锈蚀或者损坏喷嘴等后果。[/font][/font][font=宋体]手工流量控制系统的缺陷：[/font][font=宋体][font=宋体]一、[/font] [font=宋体]重现性差，调控精度低[/font][/font][font=宋体] [font=宋体]手工流量控制系统使用的机械部件控制精度较低，并且由于螺杆调节存在间隙、机械磨损、弹性元件疲劳等问题，该系统难以获得良好的重复性，面临复杂样品或复杂分析系统，手工流量控制系统往往难以应对。机械阀调节联合压力表指示的调控方式也难以实现较高的调节精度。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]例如精密多阀多柱分析系统、反吹系统、中心切割分析系统、[/font][font=Times New Roman]PONA[/font][font=宋体]分析等，这些系统要求保留时间的重复性较高，往往要求[/font][font=Times New Roman]0.01min[/font][font=宋体]范围的偏差，这些情况下手工流量控制器难以达到要求。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]1.1 [/font][font=宋体]螺纹间隙造成调节问题。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]机械阀一般采用螺杆的方式实现阀调节，但是由于螺纹存在间隙将会造成调节问题，如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示，螺杆顺时针旋转和逆时针旋转到相同角度时，螺杆在左右方向上移动距离存在一定程度的偏差。[/font][/font][font=宋体]色谱工作者旋转阀旋钮时需要注意操作手法，尽量减弱此现象造成的调节偏差。以带有刻度盘的稳流阀为例，建议规定阀旋钮的操作方向，例如逆时针。如果当前刻度低于设定值，可以直接逆时针旋转至设定刻度；如果当前刻度高于设定值，需要顺时针旋转至旋钮刻度低于设定值，然后再逆时针旋转旋钮。[/font][align=center][img=,424,165]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211161434357590_9342_1604036_3.jpg!w690x269.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]螺杆转动存在间隙问题[/font][/font][/align][font=宋体][font=Times New Roman]1.2 [/font][font=宋体]机械部件磨损[/font][/font][font=宋体]阀部件由于机械运动，总是不可避免的存在磨损问题，造成调节偏差。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]1.3 [/font][font=宋体]弹性元件的机械变形或疲劳[/font][/font][font=宋体]压力表和机械阀中存在弹簧管或弹性膜之类的弹性元件，长期受压使用后会发生机械变形，造成弹性变化，最终造成偏差。[/font][align=center][img=,268,190]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211161434421573_5012_1604036_3.jpg!w615x435.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][font=宋体]一般情况下，仪器停机之后，需要将机械阀调节至关机状态，有些气路中安装有泄压阀以保护压力表和调节阀。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]配套的气源钢瓶，分析结束关闭[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]系统之后，建议将所有压力表泄压为零，并关闭减压阀。[/font][font=宋体]二、 [/font][font=宋体]调节不方便、调节速度慢。[/font][font=宋体]流量或压力的修改，靠色谱工作者手工操作完成，最终的精度和稳定性与操作习惯相关。如果某台[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]需要开展多个分析项目，需要修改不同分析条件时，流量的调节比较费时费力。[/font][font=宋体]机械阀旋钮的调节位置一般不能与输出压力或流量直接相关，某些机械阀设计有刻度盘，但是不能彻底解决问题，调节螺杆注意手法。[/font][font=宋体]恒流阀的调节惯性较大，调节速度较慢。[/font][font=宋体]三、体积笨重[/font][font=宋体]各种阀一般不能单独工作，稳压阀和背压阀一般需要压力表协助工作，稳流阀、针型阀一般需要流量计辅助工作，才可以保证调节的准确性。调节和显示部件较多，手工流量控制系统体积较大，系统较笨重。[/font][font=宋体]三、 [/font][font=宋体]无法编程工作[/font][font=宋体]手工流量控制系统难以实现程序升压（程序升流）或程序降压（程序降流）功能。[/font][font=宋体] [/font][align=center][font=宋体]电子流量控制系统的优势的缺陷[/font][/align][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]电子流量控制系统一般由比例电磁阀，电子压力传感器、电子流量传感器，控制线路和阻尼器等部件组成，基于传感器和计算机技术，在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]中央处理器（[/font][font=Times New Roman]CPU[/font][font=宋体]）的程序控制下协同工作，实现高精度的流量（压力）控制，现代[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]装备有高精度电子流量控制器是总体发展趋势。[/font][/font][font=宋体]电子流量控制系统的优势：可以编程控制，调节方便快速，精度和重现性好。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]重现性好[/font][/font][font=宋体][font=宋体]随着现代电子技术和计算机技术的发展，采用电子流量控制器的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]可以达到较高的保留时间和峰面积重复性性能，高端的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]保留时间重复性指标一般[/font][font=Times New Roman]RSD[/font][font=宋体]小于[/font][font=Times New Roman]0.01%[/font][font=宋体]，峰面积相对标准偏差一般小于[/font][font=Times New Roman]1%[/font][font=宋体]，并且可以长期稳定运行。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统重新开关机，无需校准和调节也可以达到开关机之前的稳定状态。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]调节精度高[/font][/font][font=宋体][font=宋体]以进样口为例，现代的高端[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]可以实现[/font][font=Times New Roman]0.01kPa[/font][font=宋体]的压力或[/font][font=Times New Roman]0.01ml/min[/font][font=宋体]的流量控制精度。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]调节方便、速度快[/font][/font][font=宋体]色谱工作者可以简单的在色谱数据工作站输入目标流量和压力，电子流量控制器可以在数秒的时间范围内完成调节。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]4 [/font][font=宋体]体积小，重量轻[/font][/font][font=宋体][font=宋体]电子流量控制器（[/font][font=Times New Roman]EPC[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]AFC[/font][font=宋体]或者[/font][font=Times New Roman]EFC[/font][font=宋体]）是现代机械、电子计算机技术的结晶，所有的流量控制部件可以集成在在几十[/font][font=Times New Roman]cm[/font][font=宋体]见方，重量不超过[/font][font=Times New Roman]1kg[/font][font=宋体]的模块中。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]5 [/font][font=宋体]可以编程[/font][/font][font=宋体]安装有电子流量控制器的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，可以方便的实现程序升压（程序升流）、程序降压（程序降流）或者定时开关等复杂气流控制功能。[/font][font=宋体]电子流量控制器的缺陷：制造成本高，实验室环境要求高，维护和维修成本高，必须在有电源的状态下工作，需要经常校准。[/font][font=宋体]装备有电子流量控制器的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]对气源要求较高。一旦发生气源不良问题，例如气源含水、固体颗粒物或油污，会造成电子流量控制器输出流量发生错误，甚至造成流量控制器损坏。实验室湿度较大，存在较多灰尘、有机蒸汽或者腐蚀性气体都可能会对电子流量控制器造成不良影响。[/font][font=宋体]安装于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]分流出口的电子流量控制器对[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]的维护有更高的要求，如果样品沸点较高并且浓度较大，分流出口捕集阱需要加强维护，否则可能造成电子流量控制器的污染或者损坏。该类型的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]总体维护和维修的成本较高。[/font][font=宋体]由于电子元器件的特性，某些压力或流量传感器会发生电气性能变化，造成输出流量或压力的不正确，需要经常进行校准。[/font][align=center][font=宋体]小结[/font][/align][font=宋体]综述手工流量控制系统和电子流量控制系统的优势和缺陷。[/font]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：本文针对真空型热离子能量转换器（发电装置）中真空压力和温度的关联性复杂控制，提出一个简便的控制方式和控制系统的解决方案，控制系统仅采用一个双通道高精度PID调节器。方案的核心技术思路是将一个可调参量转换为两个，即将阴极加热电源替换为两个串联形式的小功率电源，分别调节这两个电源的功率即可实现真空室气压和阴极温度的同时控制，由此可大幅减小设备造价且无需使用任何软件。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000][b]一、问题的提出[/b][/color][/size][size=14px] 热离子能量转换器（TEC）是一种将热能直接转化为电能的静态装置，是一种基于热离子发射的转换方法。TEC可分为真空、带有正离子的铯离子和由辅助放电产生的惰性气体（如氩气）等形式。[/size][size=14px] 真空型TEC的简化示意图如图1所示，电极被放置在高真空环境中。阴极与热源热连接，阳极与热沉连接。电极颜色反映了它们温度之间的关系。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=01.真空热离子能量转换器结构示意图,500,373]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230931128921_2824_3221506_3.jpg!w690x515.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图1 真空热离子能量转换器结构示意图[/color][/align][size=14px] 一般情况下，最常见的商用温度控制器都能控制TEC阴极的温度，但如果使用了钡钨分压器阴极，因其氧化性问题则对加热过程有特殊的要求并不可忽视。在使用前，阴极必须烘烤并激活。为了保护阴极免受来自周围结构或焙烤过程中产品的氧化和污染，在真空室中必须保持必要的超高真空水平。此外，为了防止阴极可能被水分永久性污染而造成发射能力降低和钨阴极表面损伤，阴极必须允许浸泡在200~400℃足够长的时间，以允许完全的水蒸气出气。[/size][size=14px] 为了防止上述情况出现，最佳控制指标就是真空压力，即真空室中的压力必须始终小于1.33E-04Pa。因此，在TEC运行过程中，当给阴极加热器通电时，由于出气，温度会升高，真空室压力会增加。如果压力超过1.33E-04Pa，则需要关闭加热器电源，直到压力降到这个水平以下。真空室排气和焙烧后的活化是通过将钨基体中的氧化钡转化为阴极表面的游离钡来实现的。活化速率是真空室清洁度、阴极污染、时间和温度的函数。一般来说，阴极在工作温度或略高于工作温度时被激活。阴极温度不应超过1473K。[/size][size=14px][/size][size=14px] 由此可见，在TEC运行过程中，一个重要前提条件是供电加热和温度控制应确保整个过程的真空压力水平不应超过设定的超高真空度，即在运行过程中，除了温度控制之外，还需控制真空室内的真空度始终不超过额定值，但只有加热功率一个可调装置。[/size][size=14px] 从上述真空型TEC的运行要求可以看出，阴极的加热过程是通过调节一个可控变量（加热功率）来实现两个参数（气压和温度）的同时控制。[/size][size=14px] 为了实现这个特殊的控制过程，文献1采用一种复杂的控制机构，此控制机构基于类似的串级控制方法，使用了一个典型的PID控制器结合一个PXI单元，并编制了专用程序进行整体控制，其控制框图如图2所示。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=02.文献1中使用的控制框图,600,356]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230931510435_9811_3221506_3.jpg!w690x410.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图2 文献1中使用的控制框图[/color][/align][size=14px] 从图2所示的控制框图可以看出，整个控制装置结构较复杂，还需编制控制软件，整体造价也高。为了实现更简便的控制，本文提出一个更简便的控制方式和控制系统的解决方案，控制系统中仅采用一个双通道高精度PID调节器。方案的核心技术思路是将一个调节参量转换为两个，即将阴极加热电源替换为两个串联形式的小功率电源，分别调节这两个调节小功率电源来实现真空室气压和阴极温度的控制。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]二、解决方案[/b][/color][/size][size=14px] 由于在真空型TEC运行过程中只能调节阴极加热温度而同时不能使真空室内的气压超过设定值，这使得整个工作过程只有阴极加热功率一个可调节变量。为了实现阴极温度和腔室真空度的同时控制，解决方案采用了两个串联电源的新型结构，如图3所示。[/size][align=center][size=14px][color=#ff0000][img=03.新型真空压力和温度同时控制系统结构示意图,600,276]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230932179007_2110_3221506_3.jpg!w690x318.jpg[/img][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图3 新型真空压力和温度同时控制系统结构示意图[/color][/align][size=14px] 如图3所示，解决方案中采用了一个高精度的两通道PID控制器，此控制器具有两个独立的PID控制通道。第一通道与真空计和电源1组成第一闭环控制回路，第二通道与安装在阴极上的热电偶温度传感器（TC）和电源2组成第二闭环控制回路。这里的第一控制回路提供阴极的基础温度，其主要用于较低温度段的烘烤，并同时起到控制腔室真空度的作用。第二控制回路是在阴极温度达到一定温度后（如600℃）才开始起作用，其主要作用是将阴极温度最终恒定控制在设定的高温温度上。整个过程的真空压力和温度的控制效果基本与文献1所述的图4和图5所示相同。[/size][align=center][color=#ff0000][size=14px][img=04.全温域的真空压力和阴极温度的变化,690,449]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230932441901_8566_3221506_3.jpg!w690x449.jpg[/img][/size][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center]图4 全温域的真空压力和阴极温度的变化[/align][align=center][size=14px][/size][/align][align=center][size=14px][img=05.加热初期的真空压力和阴极温度的变化,690,449]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211230933014212_1816_3221506_3.jpg!w690x449.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#ff0000]图5 加热初期的真空压力和阴极温度的变化[/color][/align][size=14px] 在实际运行过程中的控制步骤如下：[/size][size=14px] （1）首先抽取腔室真空，使其达到2E-06Pa的超高真空水平。然后运行第一控制回路，真空计采集腔室压力，然后自动调节电源1的加热功率使得阴极温度从室温逐渐升高，其中的压力控制设定值为5E-06Pa。在此控制期间腔室压力始终不会超过设定值，但温度则会逐渐快速升高，且电源1始终有一定的输出功率。[/size][size=14px] （2）当第一控制回路控制中阴极温度达到初级设定温度（如600℃）后，第二控制回路自动开始运行，这使得电源2开始输出加热功率，此时电源1和电源2同时输出，使得阴极温度进一步升高，最终恒定在第二控制回路的温度设定值上。[/size][size=14px] （3）在第二回路工作期间，阴极温度进一步上升，势必会造成腔室气压升高而超出设定值5E-06Pa水平，此时第一回路会自动减小电源1的输出功率，使得阴极温度变化速度放缓。在第二回路运行过程中，第二回路相当于一个正向调节作用，第一回路实际上则是一个反向调节作用，这样既能保证腔室气压不会超出设定值，又能保证阴极温度逐步升高而达到设定的高温温度。[/size][size=14px] 总之，通过上述解决方案及其自动控制，可很便捷的实现热离子能量转换器中真空压力和温度的同时控制，压力水平和阴极恒定温度可根据阴极材料要求任意设定。而且整个控制装置得到了大幅度的简化，且无需进行采用任何软件。[/size][size=18px][b][color=#ff0000][/color][color=#ff0000]三、参考文献[/color][/b][/size][size=14px][1] Kania B, Ku? D, Warda P, et al. Intelligent Temperature and Vacuum Pressure Control System for a Thermionic Energy Converter[M]//Advanced, Contemporary Control. Springer, Cham, 2020： 253-263.[/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size][size=14px][/size]

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

[color=#ff0000]摘要：本文针对高温高压流变仪中的压力控制，特别是针对美国艾默生公司的全套压力控制系统TESCOM ER5000，提出相应的国产化解决方案。解决方案采用的也是电气比例阀驱动背压阀实现高压精密控制，整个压力控制系统为分体式结构，但采用了独立的精度更高的双通道PID控制器作为外部控制器，与电气比例阀一起构成双环控制模式。此方案除了实现国产替代之外，最大特点是可以驱动两个背压阀实现高压全量程的精密控制，且控制精度更高。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size]高温高压流变仪是在特殊的高温高压条件下测量流体材料流变特性（如粘度等）的精密分析仪器，模拟材料的使用工况条件，研究流体材料的黏度与温度、压力的关系，对石油开采（如钻井液、压裂液、酸化液、原油）、石化生产（如润滑油）、煤化工（如油煤浆）、食品加工（如淀粉糊化）等行业有重要指导意义。国内外都非常重视流变仪的研发和使用，但是其核心技术以前一直由西方国家掌握，我国的流变仪一直依赖进口，迫切需要中国自主研发的设备。为此，科技部设立了重大科学仪器设备开发专项“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”（项目编号：2012YQ050242）以期彻底解决核心技术卡脖子问题。此开发专项由北京探矿工程研究所牵头承担，于2018年取得了重大技术突破，开发完成了Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪，并编制了相应的企业标准“Q/HDTGS0006-2018 超高温高压流变仪”，可用于测试钻井液、压裂液等样品在高温高压（最高320℃、220MPa）及低温高压（最低-20℃、220MPa）条件下的流变性。尽管Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪在关键技术上取得了突破，但根据文献“王琪, 赵建刚, 韩天夫,等. 超高温高压流变仪中高精度压力控制系统的实现[J]. 地质装备, 2018, 19(2):3.”报道，高压流变仪中的压力控制采用的是美国艾默生公司的全套压力控制系统，其中包含了TESCOM ER5000压力控制器和相应的背压阀。本文将针对高温高压流变仪中的压力控制，特别是针对美国艾默生公司的全套压力控制系统，提出相应的国产化解决方案。本文将详细介绍国产化替代方案的具体内容和相应配套产品。[b][size=18px]二、国产化替代解决方案[/size][/b]在高温高压流变仪中使用的TESCOM ER5000压力控制系统是一种典型的双回路串级PID控制方式（双环模式），如图1所示，其工作原理是采用0.7MPa量程的低压电气比例阀来驱动200MPa量程的背压阀实现精密高压调节。[align=center][img=01.TESCOM压力控制系统结构示意图,690,301]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210200941118441_5182_3221506_3.png!w690x301.jpg[/img][/align][align=center]图1 TESCOM ER5000压力控制系统结构示意图（内置和外置双压力传感器，双环模式控制）[/align]根据我们对高压压力控制的使用经验和具体实际应用的了解，特别是针对高温高压流变仪中的高压压力精密控制，应用TESCOM ER5000压力控制系统特别需要注意以下几方面的问题：（1）尽管TESCOM ER5000压力控制系统采用的是双回路PID串级控制模式，但由于采用的是16位AD转换器，所以在控制精度上还有潜力可挖，如采用更高精度的AD转换器。（2）在整个200MPa的高压范围内，采用一个艾默生TESCOM背压阀并不能准确覆盖整个高压范围的压力精密控制，在某些压力区间会出现失调现象。这也是所有背压阀都会出现的问题，解决方法是采用至少2个背压阀来覆盖整个高压范围的精密控制。由此，如果采用2个背压阀进行全量程的高压控制，这势必要采用两套ER5000压力控制器，会明显提升成本。目前国产的背压阀已经非常成熟，技术难度主要在于ER5000压力调节器的国产化替代。针对高精度的压力控制，我们分析了ER5000压力调节器的技术思路，特别基于ER5000压力调节器所采用的这种非常有效的双环模式高精度压力控制方法，我们提出了精度更高和更经济国产化替代方案。如图2所示，方案的技术核心为：[align=center][img=02.双阀高压压力精密控制系统结构示意图,690,497]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210200941243661_3252_3221506_3.png!w690x497.jpg[/img][/align][align=center]图2 双阀结构高压压力精密控制系统结构示意图[/align]（1）采用分体结构形式，与TESCOM ER5000系统的工作方式相同，同样采用电气比例阀驱动背压阀。根据高压压力控制范围，选择2个不同工作压力范围的背压阀来覆盖整个量程。（2）采用国产电气比例阀作为背压阀的驱动，自带PID控制功能的电气比例阀组成内部闭环控制回路，实现背压阀压力输出的精密调节。（3）外置压力传感器和双通道PID控制器构成外部闭环回路，控制器输出作为电气比例阀设定值，由此可实现ER5000压力控制器的双环工作模式。（4）国产化替代的技术核心是双通道PID控制器，每个通道都具有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RS 485通讯和标准的MODBUS协议，并配备了测控软件，可遥控操作和存储显示测试曲线。此PID控制器性能指标远优于ER5000控制器。我们经过大量试验，已经验证了这种国产比例阀和高精度PID控制器组成的串级控制模式可有效的实现和改善高压压力控制精度，完全可以实现对ER5000压力控制系统的国产化替代。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#cc0000]摘要：等离子熔融工艺是目前国际上生产高纯度熔融石英玻璃圆筒最先进的工艺之一，在产品的低羟基浓度、低缺陷浓度、成品率、生产效率和节能环保等方面具有非常突出的优势。本文针对石英玻璃等离子熔融工艺成型设备，设计并提出了一种真空过程实现方案，可进行等离子加热过程中的炉内真空度（气压）实时控制和监测，以满足高纯度熔融石英等离子工艺过程中的不同需要。[/color][hr/][size=18px][color=#cc0000]1.简介[/color][/size] 等离子熔融工艺是目前生产透明和不透明熔融石英空心圆筒坯件最先进的工艺技术，通过此工艺可以一次完成高纯度熔融石英圆筒胚件的制造，在成品率、生产效率和节能环保等方面具有独到的优势。 在等离子熔融工艺过程中，将高纯石英砂注入到旋转炉中，依靠离心力控制成品尺寸。在熔融工艺过程中，旋转炉中的高纯保护气体使得电极间能够激发等离子电弧，所产生的等离子电弧使晶态石英砂熔化为熔融石英。 目前全球唯一采用此独特工艺生产熔融石英空心圆筒的厂家是德国昆希（Qsil）公司，如图 1所示，昆希公司使用这种独有的“一步法”等离子加热熔融工艺生产透明和不透明熔融石英空心圆筒（坯）。[align=center][img=,690,]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/10/202010262149468212_8828_3384_3.png!w690x438.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图1. 德国昆希（Qsil）公司等离子熔融工艺石英玻璃成型设备[/color][/align] 熔融石英玻璃在生产过程中，熔融态的石英玻璃将发生极其复杂的气体交换现象，此时气体的平衡状态与加热温度、炉内气压、气体在各相中的分压及其在玻璃中的溶解、扩散速度有关。因此，为获得羟基浓度小于50ppm且总缺陷（直径小于20um的气泡和夹杂物）浓度小于50个/立方厘米的高纯度熔融石英玻璃锭，需要根据加热温度选择不同的气体和真空工艺。本文提出了一种真空工艺实现方案，可进行等离子加热过程中的炉内气压实时控制和监测，以满足高纯度熔融石英等离子熔融工艺过程中的各种不同需要。[size=18px][color=#cc0000]2.真空度（气压）控制和监测方案[/color][/size] 与等离子熔融工艺石英玻璃成型设备配套的真空系统框图如图 2所示，可实现成型设备加热桶内的真空度（气压）在0.1~700Torr范围内的精确控制，控制精度可达到±1%以内。 如图2所示，真空系统的设计采用了下游控制模式，也可根据具体工艺情况设计为上游和下游同时控制模式。整个真空系统主要包括气源、进气流量控制装置、真空度探测器、出气流量控制和真空泵等部分。[align=center][color=#cc0000][img=,690,]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/10/202010262150259848_5706_3384_3.png!w690x345.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2. 真空系统框图[/color][/align] 来自不同气源的气体通过可控阀门形成单独或混合气体进入歧管，然后通过一组质量流量控制器和针阀来控制进入成型设备的气体流量，由此既能实现设备中的真空度快速控制和避免较大的过冲，又能有效节省某些较昂贵的惰性气体。 成型设备内真空度的形成主要靠真空泵抽取实现，抽取的工艺气体需要先经过滤装置进行处理后再经真空泵排出。 工艺气体的真空度（气压）通过两个不同量程的真空计来进行监测，由此来覆盖整个工艺过程中的真空度控制和测量。 真空度的精确控制采用了一组质量流量控制器、调节阀控制器和阀门，可以实现整个工艺过程中任意真空度设定点和变化斜率的准确控制。 整个真空系统内的传感器、装置以及阀门，采用计算机结合PLC进行数据采集并按照程序设定进行自动控制。[size=18px][color=#cc0000]3.说明[/color][/size] 上述真空系统方案仅为初步的设计框架，并不是一个成熟的技术实施方案，还需要结合实际工艺过程和参数的调试来对真空系统方案进行修改完善。 真空度控制与其他工程参数（如温度、流量等）控制一样，尽管普遍都采用PID控制技术，但对真空度控制而言，则对控制器的测量精度和PID控制算法有很高的要求，而进口配套的控制器往往无法达到满意要求。 另外，如在真空度控制过程中，真空容器中的真空度会发生改变，系统的时间常数 也随之改变，这意味着具有固定控制参数的控制器只能最佳地控制一个压力设定值。如果压力设定值改变，控制器的优化功能将不再得到保证。必须对控制参数进行新的调整，通常是手动进行。

[color=#cc0000]摘要：本文详细介绍了真空系统中压力和真空度测量和控制的基本概念已经常用的技术指标，详细介绍了模/数转换精度应压力和真空度测量分辨率的匹配，介绍了采用不同量程电容压力计进行真空度控制的最小建议范围。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#cc0000]1. 问题的提出[/color][/size]　　在各种真空工艺和测试系统的真空容器中，容器内部的气体压力或真空度的准确测量控制对于保证产品品质和仪器测量精度至关重要。由此在气压或真空度控制过程中，需要根据容器内的真空度稳定性要求来确定控制方式和真空度采集精度，据此来选择合理的控制仪表，因此需要充分理解与真空度相关的基本概念，并深入了解压力和真空的测量方式以及控制器的特性和局限性。[color=#cc0000][size=18px]2. 真空和压力的度量[/size]2.1. 真空和压力的各种度量单位[/color]　　在各种真空和压力测量系统中，需要清晰的了解不同压力指标的含义。　　通常用于真空测量的度量单位是托（Torr），等于1mmHg，它表示将汞的沉没柱高度提高1.0mm所需的大气压力，一个标准大气压力等于760Torr。在一些真空系统的真空测量中使用Torr的衍生单位毫托或1/1000Torr。大于1.0毫托的真空度通常用科学计数法表示（例如5.0E-06 Torr），在欧洲和亚洲常用的真空系统中的真空和气象测量通常将条形图分为1/1000，以产生毫巴（mbar）。　　在美国常用的压力度量标准是psi或“磅/平方英寸”，使用此度量标准，海平面上的大气压力测量值为14.69psi。为了进行比较，欧洲和亚洲的压力测量将大气压力定义为1.0bar。另一个指标是“水的英寸高度”，该指标通常用于报告美国天气预报中的气压，单位是指由大气压支撑的水下水柱的高度。使用此度量标准，大气压为406.8英寸水柱（在4°C时），有时此度量单位用于工业过程中的真空测量。　　压力的国际单位制量度为Pascal（缩写为Pa），以法国数学家和物理学家Blaise Pascal命名，它被定义为单位面积上的力的度量，等于每平方米一牛顿。SI单位的大气压为1.01325E+05 Pa。有些气压测量通常也会以千帕斯卡（kPa）为单位进行报告。表2-1列出了最常见的压力表和真空表。[align=center][color=#cc0000]表2-1 压力和真空的度量[/color][/align][align=center][img=,690,302]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/01/202101131045122503_3567_3384_3.png!w690x302.jpg[/img][/align][color=#ff0000]2.2. 压力和真空传感器[/color]　　压力和真空的测量一般采用传感器，这些传感器所组成的压力表和真空表根据测量原理的不同分为多种形式，这些仪表的主要类型包括：　　（1）机械规：这类仪表使用某种形式的机械联动装置或膜片装置，无需任何电子器件，仅依靠机械式的移动来指示压力或真空度。因为无需带电运行，所以这类仪表常用于压力和真空系统的安全性指示，即使在系统断电情况下也能大致了解腔体内的情况。　　（2）热导规：通常称为皮拉尼、热偶和对流表，其作用原理是气体的导热系数随压力而变化，电热丝是平衡电子电路中的传感元件。由于热丝的热损失率随气体的导热系数而变化，因此也会随着腔体内气体压力和真空度而发生改变，这种变化要求改变电路的电气特性之一（电流、电压或功率）以保持电路平衡。　　（3）应变规：这是一类基于应变的压力测量仪表，常用于正压测量。它们采用了一个薄隔膜，其背面装有应变感应电子电路。压力的变化会引起膜片偏转，从而产生应变，该应变被传感器检测到。　　（4）电容规：常用于压力/真空测量，它们依赖于隔膜和通电电极之间电容的变化。　　（5）柱规：它们使用液体，其在封闭柱中的高度会随压力而变化。　　（6）电离规：取决于周围气体分子的电离和相应离子电流的测量。离子电流与腔室内的真空压力直接相关。　　表2-2显示了不同类型的压力/真空表的比较，从中可以看出没有一类仪表可以满足每个过程中的所有测量要求。[align=center][color=#cc0000]表2-2 主要类型压力表的性能比较[/color][/align][align=center][color=#cc0000][img=,690,167]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/01/202101131045550873_8034_3384_3.png!w690x167.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][/align][size=18px][color=#cc0000]3. 压力和真空仪表常用技术指标[/color][/size]　　与其他物理量测量中存在的现象类似，很多用户对如何评价压力和真空仪表存在模糊的概念，因此这里简要说明压力和真空仪表的常用技术指标。　　（1）参考标准：一种非常准确的压力或真空测量仪器，用于校准其他此类仪器。　　（2）精确度：压力或真空仪表和用于校准的参考标准之间的绝对测量差。常用是以读数的百分比或满量程的百分比为单位来表达。　　（3）线性度：与大多数其他传感器类似，压力和真空仪表（无论是数字还是模拟形式）都以设计为线性化输出作为达到理想状况的标准。线性度是衡量电子设备完成这项任务的程度——通常指定为满量程的百分比。　　（4）重复性：衡量压力和真空仪表在多个不同过程运行期间，在相同压力下能达到相同输出的接近程度。一些仪表制造商在技术指标中包括了重复性，但并非全部都如此。如果没有特别注明，用户应要求供应商提高该指标。　　（5）分辨率：压力和真空仪表可以实际测量的最小压力和真空度。如果仪表是模拟信号输出的型号，并且需要数字输入，则几乎总是需要高分辨率的模/数转换（至少14位），否则A/D分辨率将决定压力和真空测量的分辨率，而不是压力计和真空计的分辨率。　　（6）零位和零位偏移：零位是指将压力计的输出调整为在（a）系统中可获得的最低压力或（b）低于电容式压力计分辨率的压力下读取零时发生的情况。经过一段使用时间后，零位置可能会发生变化，从而改变压力表的位置并在压力计的整体输出中产生偏移，因此必须除去这种偏移以获得可接受的精度。如果系统达到的基本压力低于压力计的分辨率，则可以将压力计的输出调整为最小输出。但是，如果最小系统压力高于压力计的分辨率，则必须使用永久零偏移量来确定正确的系统压力。零偏移或零漂移的存在并不总是表明设备需要重新校准，因为零位置的变化仅很少影响实际的压力计校准。　　从表2-2可以看出，电容式压力/真空计的测量准确性最高，因此电容式真空计通常作为其他类型压力计的参考设备（即用来校准其他产品）。如对于无加热功能的的1000Torr电容压力计的准确度指标（包括重复性）约为读数的0.25%，相比之下，相同量程的皮拉尼或热偶压力计的读数精度为5~25％，电容式真空计的准确度是它们的100倍。[size=18px][color=#cc0000]4. 高精度压力和真空度控制的实现[/color][/size]　　对于与真空相关的各种系统中，在指定的压力和真空度区间内进行精确测量和控制至关重要。例如，如果过程设定值介于5.0~6.0mTorr之间，并且所需的压力读数精度为0.5mTorr，则所需的测量精度为读数的10%，或者，对于100mTorr的电容压力计，为满量程的0.5%。如果选定的压力计或真空计不能达到这一精度水平，则无法将真空过程控制在所需的过程区间内。　　用作闭环压力和真空度控制的压力计或真空计输入信号必须具有足够的分辨率，以辨别过程中非常小的压力变化。同时，回路中的压力和真空度控制器和控制阀也必须具有必要的分辨率，以便有效地利用这些数据来控制压力的微小变化。很多用户往往只重视了压力或真空计的选择和相应的技术指标，而忽视了控制器以及控制阀的分辨率指标，这基本是造成控制精度达不到要求或波动度较大的主要原因。[color=#cc0000]4.1. 压力计和真空计的选择[/color]　　选择压力计和真空计的第一个考虑因素是满量程压力和真空度范围。为了获得良好的测量精度，真空计范围应与待测量的预期压力或真空范围相匹配。理想情况下，压力计范围应包含最高预期压力，这将最大化输出信号（模拟）并提高信噪比。如考虑在5mTorr和80mTorr之间操作的真空过程，该过程的最佳压力计（如电容压力计）的满量程范围为100mTorr。如果采用电容压力计，则该传感器在最小预期压力下的模拟输出为满量程的5%，在低压下提供良好的精度和高信噪比，同时保持足够的范围来测量高系统压力。虽然满量程为1Torr的电容压力计也适用于这种应用，但在5mTorr时的模拟输出将减少10倍，信号强度的这种变化将大大降低信噪比，降低读数精度。　　许多商品化的压力计将其输出作为模拟信号发送给主机、过程控制器或数据记录设备，输出信号有多种形式，如0~10V直流电、0~5V直流电、0~1V直流电和4~20mA是最常见形式。在大多数格式中，输出与压力成线性关系，使得压力计的输出易于在软件中缩放。[color=#cc0000]4.2. 压力计和真空计信号的输出和采集[/color]　　各种测量原理的压力计和真空计，其信号输出一般为模拟量，大多为连续的直流电压信号。为了将这些模拟信号直接以数字信号输出，或在控制过程中用控制器和数据记录仪采集这些模拟信号，都需要根据要求对这些模拟信号有足够高的采集精度，也就是说目标压力信号的模拟/数字（A/D）转换必须具有足够的分辨率，以将信号与压力计的正常背景噪声区分开来。例如，压力计信号的12位模数转换将区分压力计满量程模拟输出0.02%的最小信号。对于1Torr全刻度压力计，这意味着不能检测到小于0.2mTorr的压力或压力变化。在假设压力计和真空计的模拟输出为0~10V直流时，表4-1显示了各种压力计的最小可分辨压力与模数转换精度的关系。[align=center][color=#cc0000]表4-1 常见（A/D）模数分辨率下的最小可分辨压力（满量程测量范围为0~10V直流）[/color][/align][align=center][img=,690,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/01/202101131047065875_9748_3384_3.png!w690x309.jpg[/img][/align]　　从上表可以看出，将压力计输出和所需过程测量精度与主机、数据记录器或控制器的分辨率相匹配非常重要。例如，如果过程在满量程范围的1.0%下运行，压力计的满量程输出为10.000V直流信号，主机必须能够可靠地辨别100mV模拟信号。因此，A/D数据采集系统需要至少12位分辨率才能在其大部分测量范围内使用压力计。更高位的分辨率允许在最低压力下提高压力计测量的分辨率。表4-1显示了不同A/D分辨率下的最小可分辨模拟信号。上海依阳实业有限公司的压力和真空度控制器都提供至少16位的模数转换，能够解析低至0.4mV的信号，也可以根据需要提供更高位数的模式转换及相应的控制器。[color=#cc0000]4.3. 压力和真空度的闭环控制[/color]　　在微小变化的压力和真空度闭环工作过程中，需要将压力计的量程选择至少要限制少整整十倍。如考虑在5mTorr下使用压力计控制过程的情况，100mTorr满量程压力计是可以使用的最大压力范围。事实上，较低的满量程范围设备将是一个更好的选择，因为它们提供更高的输出信号，更容易检测和解决，这将提高压力控制的精度。表4-2给出了一些常见电容压力计真空范围的最小建议控制压力。[align=center][color=#cc0000]表4-2 满量程压力计范围的最低控制压力[/color][/align][align=center][img=,690,230]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/01/202101131047445188_687_3384_3.png!w690x230.jpg[/img][/align][size=18px][color=#cc0000]5. 结论[/color][/size]　　压力计和真空计是许多工艺过程和测试系统应用中压力/真空测量的常用传感器，为了在准确性和精确性方面实现最大性能，必须考虑并正确选择压力计特性。这些包括压力计固有的电子特性，如量程和灵敏度。另外，使用这些压力计信号的任何系统，必须匹配合理的模/数（A/D）测量精度。当然，一般而言，模数精度越高，造价越高，体积越大。[align=center]=======================================================================[/align]

[align=center][b][img=防热烧蚀复合材料高温气体渗透率测试技术,690,458]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311090939039664_4444_3221506_3.jpg!w690x458.jpg[/img][/b][/align][size=16px][color=#333399][b]摘要：气体渗透率是树脂基纤维防热和烧蚀复合材料的关键性能参数，基于现有的稳态法渗透率测试技术相关研究报道，本文提出了更详细和切实可行的渗透率测试中的真空压力差精密控制解决方案。解决方案采用了两个真空度可精密控制的缓冲罐布置在被测样品的气流上下游，从而在样品上实现真空压力差可调且精密恒定控制。解决方案具有很强的可拓展性，为后续的高温氧化性能测试和质谱仪气体分析留有相应的连接接口。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]=====================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#333399][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 树脂基纤维复合材料在工业炉、防火、棉絮材料和高速航天器的隔热罩等应用中被用作高性能隔热材料，这类高孔隙率材料通过在高温下提供气体缓冲，有效保护下层结构免受周围热源的影响，其低密度特性同时最小程度地增加了高速航天器的有效载荷质量。[/size][size=16px] 由于树脂基纤维复合材料的高孔隙率，气体可以很容易地在烧蚀材料中流动，例如酚醛树脂分解产生的热解气体在离开材料之前会穿过烧焦的结构，可能会与纤维发生反应。类似地，来自边界层的反应物可以进入材料微结构并在孔内流动，这种气体传输对整体材料响应具有显著的影响。这种通过多孔结构的流动行为常以渗透率为特征，因为渗透率控制着介质内的动量传输，因此在模拟多孔介质流动时，渗透率是一个关键的材料性能参数。[/size][size=16px] 材料渗透率的测量，特别是测试高温下的材料渗透率普遍采用稳态法，即在样品的上、下游端施加稳定的压力差，通过测量流经样品的流量气体，依据达西定律计算获得渗透率。在参考文献[1,2]中对纤维复合材料的高温渗透率稳态法测量进行了报道，并给出了测试系统结构示意图，但在如何形成稳定的高精度压力差方面并未给出说明，而这恰恰是稳态法渗透率测试的关键。[/size][size=16px] 为了真正实施稳态法高温渗透率测试方法，特别是模拟星际环境在被测样品两侧建立宽域可调且精确稳定控制的真空压力差，本文提出了如下真空压力控制解决方案。[/size][size=18px][color=#333399][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 对于高温渗透率测试中的真空压力控制，解决方案拟达到如下技术指标：[/size][size=16px] （1）样品上下游的真空压力控制范围气压（绝对压力）：0.1Torr~750Torr。[/size][size=16px] （2）控制精度：读数的±1%。[/size][size=16px] 可实现上述技术指标的真空压力差控制系统结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#333399][b][img=高温渗透率测量装置真空压力差控制系统结构示意图,690,439]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311090940235059_6758_3221506_3.jpg!w690x439.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#333399][b]图1 高温渗透率测量装置真空压力差控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，本解决方案对文献[1,2]中所报道的真空压力差控制系统进行了细化，即系统中增加了上游和下游真空压力缓冲腔及其控制装置，分别将上下游缓冲腔按照所需的真空度设定值P1和P2（P1P2）进行精密恒定控制，由此可在高温样品的上下游形成宽域可调且精确稳定控制的真空压力差，然后通过布置在上游管路中的气体流量计测量压力差稳定后的气体渗透流量，由此最终根据样品尺寸数据计算得到不同温度和压差下的不同气体渗透率。[/size][size=16px] 对于上下游缓冲腔的真空度控制，配备了两套相同的真空度控制系统，每套控制系统主要由两只薄膜电容真空计、两只电控针阀和一个双通道真空压力控制器，具体型号和指标如下：[/size][size=16px] （1）薄膜电容真空计：量程1Torr和1000Torr，测量精度为读数的±0.25%。[/size][size=16px] （2）电控针阀：型号NCNV-20和-120，线性度0.1~2%，重复精度1%，响应时间1秒。[/size][size=16px] （3）双通道真空压力控制器：独立双通道，24位AD、16位DA和0.01%最小输出功率百分比，带PID参数自整体和MODBUS标准协议的RS485通讯接口，并配有计算机软件。[/size][size=16px] 在每个缓冲腔的真空度控制过程中，具体操作步骤需要注意以下内容：[/size][size=16px] （1）对于10~1000Torr的低真空范围内控制，采用排气调节模式，即将负责进气流量调节的电控针阀控制为固定开度使得进气流量恒定，然后再自动控制负责排气流量调节的电控针阀。[/size][size=16px] （2）对于0.1~10Torr的高真空范围内控制，采用进气调节模式，即将负责排气流量调节的电控针阀控制为100%固定开度使得全速排气，然后再自动控制负责进气流量调节的电控针阀。[/size][size=16px] （3）双通道真空压力控制器具有两路独立的PID自动控制通道，其中在第一输入通道上连接10Torr量程真空计，在第二输入通道上连接1000Torr量程真空计，第一输出通道上连接负责进气的电控针阀，第二输出通道上连接负责排气的电控针阀。[/size][size=16px] 还需说明的是本解决方案将气体流量计布置在样品的上游端，这样做的好处是流经流量计的气体温度为常温，常温气体对流量计不会带来损害。[/size][size=16px] 另外，红外测温仪也布置在石英管的上游端外，这是因为石英管上游端的密封法兰相对比较简单，而石英管下游端的密封法兰则相对比较复杂，这是因为下游端还需为今后的测试功能拓展留有余地。[/size][size=18px][color=#333399][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案对文献[1,2]所报道的高温渗透率测试装置中的真空压差控制系统进行了细化，比较而言，本文所提出的解决方案具有以下优势和特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案更具有实用性，可实现样品上下游压力的恒定控制，这是文献[1,2]报道中所欠缺的关键技术，由此可任意设定和调节样品两端的压力差，更符合稳态法渗透率测试模型。[/size][size=16px] （2）本解决方案具有很强的适用性和可拓展性，如通过改变其中的相关部件参数指标就可适用于不同范围的真空压力，实现不同压力差的精密控制及其对应渗透率测试。[/size][size=16px] （3）本解决方案可以通过高压气源的改变来实现不同工作气体下的渗透率测量，也可进行多种气体混合后的真空压力差控制和氧化性能测试，具有很大的灵活性。[/size][size=16px] （4）更重要的是，本解决方案为后续的残余气体取样分析留有接口通道，可方便的与质谱仪和微流量可变泄漏阀连接，使得质谱仪分析流经被测样品的气体。[/size][size=16px] （5）解决方案中的真空压力控制自带计算机软件，可直接通过计算机的软件界面操作进行整个控制系统的调试和运行，且控制过程中的各种过程参数变化曲线自动存储，这样就无需再进行任何的控制软件编写即可很快搭建起控制系统，极大方便了试验装置的搭建和测试研究。[/size][size=18px][color=#333399][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px] [1] Panerai F， White J D， Cochell T J，et al. Experimental measurements of the permeability of fibrous carbon at high-temperature[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2016， 101： 267-273.[/size][size=16px] [2] Panerai F， Cochell T， Martin A， et al. Experimental measurements of the high-temperature oxidation of carbon fibers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 136： 972-986.[/size][align=center][size=16px][color=#333399][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#333399][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：针对微间隙气体放电特性分析中需要对不同真空压力进行精密控制的要求，本文提出了相应的解决方案。解决方案采用了双路调节技术，由真空计、电控针阀和真空压力控制器组成进气和排气控制回路，可实现真空度1Pa~101kPa全量程范围内优于±1%的控制精度。同时，此解决方案适用于多种气体混合后的真空压力控制，还可进行更高真空度、更高正压压力和增加湿度等环境变量控制的拓展，更广泛适用于各种气体放电特性研究。[/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] 微间隙气体放电是一种电极距离在微米或纳米量级的放电形式，由于电极距离极小，微间隙放电通常表现出不同于传统规模放电的击穿特性，从而导致低电压击穿的风险。此外，微间隙放电过程中所产生的微等离子体具有高压稳定性、非热平衡、高电子密度、高激发效率等优点，在工业和生活中有着广泛的应用。总之，微间隙气体放电特性的研究引起了的极大关注。[/size][size=16px] 在微间隙气体放电特性研究中，微间隙中气体的种类和真空压力是重要的环境条件。最近有客户对这种微间隙中的气体种类，特别是对真空压力的精密控制提出了明确要求，其目的是研究不同气体和不同真空压力下微间隙的气体放电特性。为此本文提出了微间隙气体压力的精密控制解决方案，以实现微间隙气体放电特性分析过程中的全量程的真空压力高精度自动控制。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案是在原有的微间隙气体放电特性测试设备上增加高精度真空控制系统，以实现在绝对压力1Pa~101kPa范围内的精密控制，全量程真空度控制精度小于±1%。整个装置的结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=微间隙气体放电试验装置及其真空压力控制系统,650,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309221532063298_6848_3221506_3.jpg!w690x437.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 微间隙气体放电试验装置及其真空压力控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，真空压力控制系统主要由气源、混气罐、电控针阀、真空计、真空压力控制器和真空泵组成，其功能和性能指标如下：[/size][size=16px] （1）气源：气源主要由高压气瓶提供，可采用不同气体的气瓶实现气体混合，以实现混合气体环境下的微间隙气体放电性能研究。混合气体中的各种气体比例可以通过相应的气体质量流量控制器进行调节。当然，也可以采用单一气体，如果是气体是空气可采用气泵作为气源。[/size][size=16px] （2）混气罐：提供气体的充分混合，混气罐内的压力要高于一个大气压。[/size][size=16px] （3）电控针阀：解决方案中采用了两个NCNV系列的电控针阀，电控针阀采用步进电机高速调节并具有极好的调节精度和线性度，全开和全闭动作时间小于1秒。一个电控针阀用于调节进气流量，以进行低压高真空范围内的控制；另一个针阀用于调节排气流量，以进行高压低真空范围内的控制。在实际应用中可根据真空腔体尺寸大小选择不同孔径的电控针阀，更大的真空腔体排气时可将排气用电控针阀更换为电控球阀，以提高排气流量和真空度调节控制速度。[/size][size=16px] （4）真空计：解决方案中采用了两个电容真空计，一个真空计的最大量程为10Torr，另一个真空计的最大量程为1000Torr，由此两真空计可覆盖整个真空度范围。选择电容真空计是因为这种真空计具有较高的测量精度和信号的线性输出，在全量程任意真空度点上的测量精度都可以保证小于0.25%。当然，真空计也可以选择全量程型的皮拉尼计，但其测量精度只能达到15%，且信号输出呈现严重的非线性，会严重影响真空度控制精度。[/size][size=16px] （5）真空压力控制器：为了保证全量程范围的真空度控制精度，选择了VPC2021-2型号的双通道真空压力控制器，每个通道与对应的真空计和针阀组成独立的闭环控制回路，其中一个通道用于控制高真空，另一个通道用于控制低真空。此双通道真空压力控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，结合电容真空计和电控针阀可实现全真空度范围优于±1%的控制精度。另外，此控制器具有PID自整定功能和自带计算机软件，便于进行过程参数的设置、运行、显示和存储。[/size][size=16px] （6）真空泵：由于需要采用微机械装置进行精密位移调节，真空泵选用干泵以避免对真空腔室内部件的污染。在具体应用中需根据真空腔体的大小和真空度范围选择相应抽速的干泵。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文针对微间隙气体放电特性分析中所需的真空压力精密控制要求，提出了全量程真空压力高精度的解决方案，可完全满足客户在微间隙气体放电特性研究中需要。另外，此解决方案还具有很强的可拓展性和适用性，主要有：[/size][size=16px] （1）还可进行多种气体混合气氛条件下的真空度精密控制。[/size][size=16px] （2）除了上述低压真空度范围内的精密控制之外，还可进行量程的扩展，如向高真空和超高真空方向拓展，如向高压一个大气压的正压方向拓展。[/size][size=16px] （3）除了气体气氛环境的精密控制之外，还可增加湿度等环境变量的精密控制。[/size][size=16px] 总之，本解决方案可推广应用到多种环境变量的自动控制中，以满足各种形式和规格的气体放电特性的研究和分析。[/size][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]