通用质量流量控制系统

[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]

http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/10/201110031120_320922_1622640_3.jpgP10气体控制系统的原理图，流量控制，密度稳定等。P10气体参数可否在TDS里面调整？这方面的资料好少啊，学习困难。

[font=&][color=#333333]咖啡机是我们日常生活中常见的家用电器之一，而流量控制和缺水检测是咖啡机正常运行的关键。在咖啡机中，霍尔流量计是一种常用的传感器，用于实现流量控制和缺水检测的功能。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]首先，让我们来了解一下霍尔流量计的工作原理。霍尔流量计是一种基于霍尔效应的传感器，它利用电磁场的变化来测量流体通过的体积或质量。当流体通过霍尔流量计时，流体中的导电粒子（如离子或电子）会改变磁场的分布，从而引起霍尔元件的输出电压变化。通过测量输出电压的变化，我们可以得到流体的流量信息。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]其次，咖啡机中的霍尔流量计主要用于流量控制。在制作咖啡的过程中，我们需要控制水的流量，以确保咖啡的浓度和口感。通过将霍尔流量计安装在咖啡机的水管中，可以实时监测水的流量，并根据设定的参数来控制水的流量大小。当流量达到设定值时，控制系统会自动停止水的供应，从而实现精确的流量控制。[/color][/font][align=center][img=流量计,633,195]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307061351561653_2952_4008598_3.jpg!w633x195.jpg[/img][/align][font=&][color=#333333]最后，[url=https://www.eptsz.com]霍尔流量计[/url]还可以用于缺水检测。在咖啡机中，缺水会导致咖啡机无法正常工作，甚至可能损坏设备。通过在水箱中安装一个霍尔流量计，可以实时监测水的流量情况。当水的流量低于设定的阈值时，控制系统会发出警报或停止咖啡机的运行，以提醒用户及时添加水。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]综上所述，霍尔流量计在咖啡机中起着重要的作用，实现了流量控制和缺水检测的功能。通过准确测量流体的流量，咖啡机可以制作出口感良好的咖啡，并保护设备免受缺水带来的损坏。随着技术的不断进步，我们相信霍尔流量计在咖啡机中的应用将会越来越广泛，为我们带来更好的咖啡体验。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font]

[size=13px][b][color=#339999]摘要：针对微流控技术中的压力和流量控制，本文介绍了目前常用的两类装置：注射泵和压力泵，重点介绍了这两种装置的性能特点，并对这两种压力控制装置进行了简要的分析对比。分析结论是压力泵将逐渐替代注射泵的应用，特别是压力泵在结合各种传感器和切换阀等配件后，在实现超高的响应性、稳定性和可重复性等前提下，更能涵盖几乎所有的微流体应用，并拓展进入相关新兴领域。[/color][/b][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 引言[/color][/size][/b][size=13px] 微流控（[/size][size=13px]Microfluidics[/size][size=13px]）是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，又称其为芯片实验室（[/size][size=13px]Lab on a Chip[/size][size=13px]）或微流控芯片技术。通过微流控技术可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块芯片上并自动完成分析的全过程。[/size][size=13px][size=13px] [/size]一个典型的微流控系统主要由流量控制装置和微流控芯片两部分组成，其中流量控制装置由多个部件组成，包括泵，阀门，传感器、储液管，管线等，用于气体、液体或液体混合物的微流量精密控制，流量一般低于[/size][size=13px]50ml/min[/size][size=13px]。[/size][size=13px][size=13px] [/size]微流体技术中微流量控制的基本原理是通过外力把所需要的气体或液体推入微流控芯片内，这些外力可由外部的驱动泵或压力控制装置提供。目前，研究人员主要使用的两种类型微流量控制装置分别是微量注射泵和高精度压力控制器，本文将针对这两种微流量控制装置进行分析比较，为微流控技术的实际应用提供有效的技术支持。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 微量注射泵[/color][/size][/b][size=13px][size=13px] [/size]微量注射泵是以往微量蠕动泵和循环泵的升级替代产品，是微流控领域经常使用的一种流量控制系统。微量注射泵可分为两类：价格便宜但会产生流量振荡的普通注射泵和价格偏贵但可以提供更高流量稳定性的无脉动注射泵。几种典型的微流量注射泵如图[/size][size=13px]1[/size][size=13px]所示。[/size][align=center][b][color=#339999][img=微流控压力泵和注射泵性能的详细分析和比较,690,138]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306250932237145_4550_3221506_3.jpg!w690x138.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][size=13px]图[/size][size=13px]1 [/size][size=13px]几种典型的微流量注射泵[/size][/color][/b][/align][size=13px][size=13px] [/size]微量注射泵的主要优势是易于使用。无脉冲注射泵的主要弱点是时间响应性太慢，微流控芯片内的流量变化需要几秒到几个小时后才能达到稳定的流速，这种慢响应的弊端也是微量注射泵在数个应用领域如微液滴的制备内应用的主要限制因素。但随着采用能达到微米或纳米步长的步进电机技术，以及增加注射泵微机械部件接触的精密度，注射泵机械部件的生产质量，实验装置的流阻，实验用导管和芯片的弹性与高流阻特性等，可解决上述问题。注射泵的优缺点如下：[/size][size=13px][size=13px] [/size]优点：[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]1[/size][size=13px]）可以快速实现微流控实验装置的搭建。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]2[/size][size=13px]）新型无脉冲的注射泵可产生低于[/size][size=13px]1%[/size][size=13px]的流动稳定性。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]3[/size][size=13px]）注射液体量对于长时间的实验来讲是可知的。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]4[/size][size=13px]）微量注射泵产生的最大压力可达几百个[/size][size=13px]bar[/size][size=13px]左右。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]5[/size][size=13px]）器件内的平均流量不会因器件流阻的实际变化而发生变化（注射泵因高压而发生停止运动除外）。[/size][size=13px][size=13px] [/size]缺点：[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]1[/size][size=13px]）流量的响应时间在几秒到几小时内变化，这依赖于流体的阻力。响应时间的快慢可通过使用特定的微流体导管来进行调节。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]2[/size][size=13px]）因没有流量计，在暂态过程（几秒到几个小时）中，用户不知道实际的液体流量。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]3[/size][size=13px]）如果器件的流阻增加（如因通道堵塞或灰尘产生），微量注射泵产生的压力会无限制的增加。产生的压力增加到一定程度便会反过来损坏器件。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]4[/size][size=13px]）微量注射泵无法实现死端通道（类似集成微流控阀）内流体的流量控制。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]5[/size][size=13px]）注射泵驱动的液体体积总量是有限制的，而不是无限的。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]6[/size][size=13px]）如果需要知道流体系统内部的压力，需要配备压力传感器。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]7[/size][size=13px]）即使是使用无脉冲的微量注射泵，也需要根据具体的实验条件来仔细的选择注射器的大小，以此来避免注射泵的步进电机造成的液体流量的周期性脉动。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]8[/size][size=13px]）流量的脉冲振荡效应可以通过使用一致性较好的微流体导管来进行降低。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]9[/size][size=13px]）环境的温度变化会对引起管路材料收缩并改变管路的内径，而内径的微小变化会导致流速发生四次方的巨大变化。同时温度改变也会引起流体内气泡的体积变化而产生不希望的流体位移，这些最终都会对微流体注射泵性能带来严重影响。[/size][b][size=18px][color=#339999]3. 微量压力泵（压力控制器）[/color][/size][/b][size=13px][size=13px] [/size]微量压力泵是一种控制容器中样品流量的新型装置，即通过在压力下将样品平稳注入微流体芯片。目前多数微流控研究都是通过使用压力控制器来完成的，因为它们可以在微流控芯片中以快速响应时间（[/size][size=13px]80ms[/size][size=13px]）建立无脉冲流。压力驱动的流动装置无延迟地传播流体中的压力变化，允许快速流动切换。由于没有移动的机械部件，压力驱动流的平稳运行得到进一步增强。[/size][size=13px][size=13px] [/size]目前市场上有许多不同类型的精密压力调节器，各有特点。压力调节器类型的选择取决于特定需求和应用，然而，所有压力调节器都需具备一个特点，那就是能够高精度的控制液体的流动。下图是几种典型的国外微流体压力调节器产品。[/size][align=center][b][color=#339999][img=02.几种典型的微流量压力泵,690,141]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306250932511670_1765_3221506_3.jpg!w690x141.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][size=13px]图[/size][size=13px]2 [/size][size=13px]几种典型的国外微流量压力泵[/size][/color][/b][/align][size=13px][size=13px] [/size]压力和流量是一个对应关系，即通过控制施加在液体上的压力，也可以控制流体的流速，至于采用压力控制模式，还是采用流速控制模式，需要根据具体应用需要进行选择。下面是微流控装置中这两种控制模式的结构示意图。[/size][align=center][b][color=#339999][img=03.微流控装置中的压力和流量两种控制模式,690,289]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306250933358798_241_3221506_3.jpg!w690x289.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][size=13px]图[/size][size=13px]3 [/size][size=13px]微流控装置中的压力和流量两种控制模式[/size][/color][/b][/align][size=13px][size=13px] [/size]如图[/size][size=13px]3[/size][size=13px]所示，在压力控制模式中，压力控制器通过调节样品储液容器上方的气体压力，将样品流体注入到微流控芯片中。为了解微流控芯片中所注入样品流体的流量，需要在微流控芯片的进口端或出口端增加一个流量传感器。如果此流量传感器作为压力控制器的测量信号，则会形成一个反馈闭环控制回路，可实现样品流体的精密流量控制。[/size][size=13px][size=13px] [/size]由此可见，与高精度注射泵相比，如图[/size][size=13px]4[/size][size=13px]和图[/size][size=13px]5[/size][size=13px]所示，通过将压力控制器与流量传感器相结合，可以实现超精确和快速响应的流量控制。[/size][align=center][b][color=#339999][img=04.注射泵和压力泵的微流控流量控制时间响应效果对比图,350,294]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306250933539524_3049_3221506_3.jpg!w400x337.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][size=13px]图[/size][size=13px]4 [/size][size=13px]注射泵和压力泵的微流体流量控制时间响应性效果对比图[/size][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][img=05.注射泵和压力泵的微流控流量控制稳定性效果对比图,690,321]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306250934166653_4218_3221506_3.jpg!w690x321.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#339999][size=13px]图[/size][size=13px]5 [/size][size=13px]注射泵和压力泵的微流体流量控制稳定性效果对比图[/size][/color][/b][/align][size=13px][size=13px] [/size]压力控制泵的优缺点如下：[/size][size=13px][size=13px] [/size]优点：[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]1[/size][size=13px]）压力源允许无脉冲的流量流动。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]2[/size][size=13px]）驱动液体的体积量可达到几升的液体量。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]3[/size][size=13px]）响应时间最快可达到[/size][size=13px]9 ms[/size][size=13px]。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]4[/size][size=13px]）允许死端或者封闭通道内的液体控制。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]5[/size][size=13px]）当使用流量计时，允许同时控制液体的流量和压力。[/size][size=13px][size=13px] [/size]缺点：[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]1[/size][size=13px]）最高压力会受到限制，目前常用的压力控制器的最高输出压力仅能达到[/size][size=13px]8bar[/size][size=13px]，但采用新型的压力控制器，最高输出压力可达[/size][size=13px]50bar[/size][size=13px]。[/size][size=13px][size=13px] [/size]（[/size][size=13px]2[/size][size=13px]）当压力不平衡时，尤其是在多个输入口进行流量切换时，压力控制器可能会产生倒流（可使用开关阀门来解决这种倒流现象）。[/size][b][size=18px][color=#339999]4. 总结[/color][/size][/b][size=13px][size=13px] [/size]综上所述，每种微流体控制系统都有各自的缺点和优点。注射泵方便，并且已经使用了很长时间，然而当面临复杂或需要精细控制微流体时，性能会受到限制（响应时间，波动和温度等等），这在微流体实验中经常碰到这种情况。[/size][size=13px][size=13px] [/size]压力泵越来越多地被使用，因为它是为微流体开发的，它完全满足用户的期望（响应性、稳定性、可重复性等等）。压力控制技术几乎涵盖了所有的微流体应用（[/size][size=13px]97%[/size][size=13px]以上），并开始进入其它相关领域，如生物学和化学。同时，配套压力控制器的可选配件如传感器和切换阀等非常广泛，可以针对实验的需求而加以选择，同时这些选配件的价格下降使得其应用领域更加广泛。[/size][align=center][size=13px]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/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]

[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]

[size=14px][color=#990000]摘要：本文主要针对各种工业生产和仪器设备中的温度、流量、真空、压力和张力等参数的高精度自动控制，介绍了几种常用的复杂控制系统，如串级、分程、比值、前馈-反馈、选择性以及三冲量控制系统。本文主要目的是展示这些复杂控制技术基本概念和结构框图，为后续推出的各种复杂控制用PID调节器做基础技术讲解，以便在实际自动化控制中能充分发挥复杂控制用PID调节器的强大功能。[/color][/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000][b]一、概述[/b][/color][/size][size=14px]控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于简单而言的。凡是多参数，具有两个以上传感器、两个以上调节器或两个以上执行器组成多回路的自动控制系统，通称为复杂控制系统。[/size][size=14px]如图1所示，目前常用的复杂控制系统有串级、分程、比值、前馈-反馈、选择性以及三冲量等几种形式，并且随着生产发展的需要和科学技术进步，还会陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。[/size][align=center][size=14px][img=01.复杂控制器构成,690,187]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141044037509_6178_3221506_3.png!w690x187.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图1 常用的几种复杂控制系统[/align][size=14px][/size][size=14px]本文将针对上述几种复杂控制系统，重点介绍这些复杂控制系统中使用的超高精度PID控制器和典型应用案例，以期提高工程应用的设计效率、提高控制效果和降低成本造价。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]二、串级控制（Cascade Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统是应用最早和最广泛的一种复杂控制系统，它是根据系统结构命名。串级控制系统由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统的特点是将两个PID调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的设定，当被控对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。特别是需要进行超高精度控制，以及跨参数和跨量程控制时，串级控制系统则能重复发挥其优势。[/size][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统广泛应用于温度、真空、流量、压力和张力控制等方面，典型的串级控制系统结构如图1所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=02.串级控制系统结构示意图,550,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141044355064_2880_3221506_3.png!w690x276.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图2 串级控制系统结构示意图[/align][size=14px][/size][size=14px]如图2所示，串级控制系统包括副控回路（由副调节器、执行器和传感器1组成）和主控回路（由主调节器、副控回路和传感器2组成），主控回路和副控回路以串联形式与被控对象连接，其中副控回路相当于主控回路中的执行器。以下是串级控制系统中各部分的主要功能：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）主调节器（主控制器）：根据主参数（传感器2测量值）与设定值的偏差而进行PID调节，其输出作为副调节器的设定值。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）副调节器（副控制器）：其设定值由主调节器的输出决定，并根据副参数（传感器1测量值）与给定值（即主调节器输出）的偏差进行PID调节。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）副回路（内回路）：由副参数（传感器1）、副调节器及所包括的一部分被控对象所组成的闭环回路（随动回路)[/size][size=14px][/size][size=14px]（4）主回路（外回路）：将副回路看做是一个执行器，则主参数（传感器2）、主调节器、副回路及被控对象组成的闭环回路（主动回路）。[/size][size=14px][/size][size=14px]（5）主对象（被控对象、惰性区）：主参数（一般为传感器2）所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数（主变量）。[/size][size=14px][/size][size=14px]（6）副对象（导前区）：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为主调节量，其输出信号为副参数（副变量）。[/size][size=14px][/size][size=14px]串级控制系统是在单回路控制结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路控制相比有以下几个特点：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）对进入副回路的扰动具有较迅速和较强的克服能力。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）可以改善对象特性，特别是能提高控制精度和工作效率。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）可消除副回路的非线性特性的影响。[/size][size=14px][/size][size=14px]（4）可实现夸参数和夸量程的控制。[/size][size=14px][/size][size=14px]（5）串级控制系统具有一定的自适应能力。[/size][size=14px][/size][size=14px]二、分程控制（Split-Range Control）系统[/size][size=14px][/size][size=14px]简单控制系统就是一个调节器的输出驱动一个执行器动作，而分程控制系统的特点是一个调节器的输出同时驱动几个工作范围不同的执行器。[/size][size=14px][/size][size=14px]通常，在一个简单控制系统中，一个调节器的输出信号只控制一个执行器，其结构与特性如图3(a）所示。如果一个调节器的输出信号同时送给两个执行器，这就是一种分程控制系统。这里两个执行器并联使用，其工作特性如图3(b）所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=03.分程控制系统结构和特性示意图,690,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141045391335_1640_3221506_3.png!w690x310.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图3 简单（a）和分程（b）控制系统结构和特性示意图[/align][size=14px][/size][size=14px]分程控制已经广泛应用在温度、流量和压力控制等工业流程当中，也通常用来控制双模式的运行场合。例如，分程控制被用在保持一个既有加热控制又有冷却控制的容器内的温度。当其温度（单一测量值）低于目标温度设定值时，首先关闭冷却装置，然后开始打开加热装置。当温度上升到设定值以上时，首先关闭加热装置，然后开始打开冷却装置。另外一种分程控制方式是，采用分段量程控制来调整两个执行器从而实现更大范围内的操作。一个执行器控制低量程范围，另一个执行器控制高量程范围。以上两种应用场合都要求在每一个流程管线上配备一个执行器。[/size][size=14px][/size][size=14px]分程控制的典型应用是聚合反应工艺、冷热循环浴、TEC半导体温度控制、动态平衡法的真空和压力控制等。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]三、比值控制（Ratio Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]为保持两种或两种以上变量比值为恒定的控制叫比值控制。在炼油、化工、燃烧、制药、造纸和晶体生长等生产过程中，经常要求两种或两种以上的物料或工作气体按一定比例混合后进行工作。一旦比例失调，就会影响生产的正常运行，影响产品质量，甚至发生生产事故。[/size][size=14px][/size][size=14px]在比值控制系统中，一个变量需要跟随另一变量变化。前者称为从动量S，后者称为主动量M，比值K=M/S。通常选择的主动量应是系统中主要的物料或关键物料的相关变量，它们通常是可测不可控。常见的比值控制系统有单闭环比值、双闭环比值、串级比值（变比值）三种。[/size][size=14px][/size][size=14px][color=#990000][b]3.1 单闭环比值控制系统[/b][/color][/size][size=14px][/size][size=14px]单闭环比值控制系统结构如图4所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=单闭环比值控制系统结构框图,600,236]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141046030140_8657_3221506_3.png!w690x272.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图4 单闭环比值控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]单闭环比值控制系统的优点是不但能实现从动量跟踪主动量变化，而且能克服从动量干扰等。结构简单，能确保比值不变，是应用最多的方案。但缺点是主动量不受控。[/size][size=14px][/size][size=14px]如图2和图4所示，单闭环比值控制系统与串级控制非常相似，但它们的不同之处在于：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）单闭环比值控制系统无主对象，即主动量不受控，并且从动量不会影响主动量。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）串级控制系统中，副变量是操纵变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，该副变量是主对象的输入，通过改变副被控变量来调节主被控变量。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）串级控制的副控回路与比值控制系统的从动量控制子系统都是随动控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]（4）比值控制系统中，从动量控制系统是随动控制系统，其设定值由系统外部的主调节器提供，其任务就是使从动量尽可能地保持与设定值相等，随着主动量的变化，始终保持主动量与从动量的比值关系。[/size][size=14px][/size][size=14px]（5）在系统稳定时，该比值是比较精确的，在动态过程中，比值关系相对不够精确。[/size][size=14px][/size][size=14px]（6）当主动量处于不变状态时，从动量控制系统又相当于一个定值控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px][b][color=#990000]3.2 双闭环比值控制系统[/color][/b][/size][size=14px][/size][size=14px]在主动量也需要控制时，增加一个主动量闭环控制系统，单闭环比值控制系统成为双闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统结构如图5所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=双闭环比值控制系统结构框图,600,313]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141046526180_3146_3221506_3.png!w690x360.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图5 双闭环比值控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]双闭环比值控制系统的优点是：能克服主动量扰动，实现其定值控制。从动量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使从动量与主动量成比值关系。当扰动消除后，主动量和从动量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主动量和从动量都变化平稳。当系统需要改变时，只要改变主动量的设定值，主动量和从动量就会按比例同时增加或减小，从而克服了上述单闭环比值控制系统的缺点。[/size][size=14px][/size][size=14px]双闭环比值控制系统常用于主动量和从动量扰动频繁，工艺参数经常需要改变，同时要求系统总参数恒定的工艺过程，如无此要求，可采用两个单独的闭环控制系统来保持比值关系。[/size][size=14px][/size][size=14px]在采用双闭环比值控制方案时，对主动量控制器的参数整定应尽量保证其输出为非周期变化，以防止共振的产生。[/size][size=14px][/size][size=14px][b][color=#990000]3.3 变比值控制系统[/color][/b][/size][size=14px][/size][size=14px]当系统中存在着除主动量和从动量干扰外的其他干扰，为了保证产品质量，必须适当修正两变量的比值。因此，出现了按照一定工艺指标自动修正比值系数的变比值控制系统。变比值控制系统要求两个变量的比值能灵活低地随第三变量的需要而进行调整，由此可见，变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量、以其他两个变量比值为副变量的串级控制系统，有时变比值控制系统也成为串级比值控制系统。在变比值控制系统中，比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量往往是产品质量或工艺指标。[/size][size=14px][/size][size=14px]同样，变比值控制系统也可以有单闭环和双闭环形式，如图6所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=变比值控制系统结构示意图,650,717]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141048070661_493_3221506_3.png!w690x762.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图6 变比值控制系统结构框图：（a）单闭环结构；（b）双闭环结构[/align][align=center][size=14px][/size][/align][b][size=18px][color=#990000]四、前馈控制（Feedforward Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]简单控制系统一般都属于反馈控制（feedback control），是按被控变量与设定值的偏差进行控制，因此只有在偏差产生后，调节器才对操纵变量进行控制，以补偿扰动变量对被控变量的影响。若扰动已经产生，而被控量尚未发生变化，反馈控制作用是不会产生的，所以，这种控制作用总是落后于扰动作用的，是不及时的控制。[/size][size=14px][/size][size=14px]由此，依据预防控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈控制系统运用得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作用或给定值变化而产生偏差，它较之反馈控制能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。采用前馈控制系统的条件是：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）扰动可测但不可控。[/size][size=14px][/size][size=14px]（2）变化频繁且变化幅度大的扰动。[/size][size=14px][/size][size=14px]（3）扰动对被控变量的影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程控制精度要求又十分严格的情况。[/size][size=14px][/size][size=14px]前馈控制的好处是直接控制无滞后，可以提高系统的响应速率，但是需要比较准确地知道被控对象模型和系统特性。而反馈控制的优点是不需要知道被控对象的模型即可实现比较准确的控制，但是需要偏差发生之后才能进行调节，具有滞后性。所以，理论上把前馈和反馈结合起来，既能实现较高的控制精度，也能提高系统响应速度。需要注意的是：前馈控制属于开环控制，反馈控制属于闭环控制。[/size][size=14px][/size][size=14px]前馈反馈控制系统有两种结构形式，一种是前馈控制作用与反馈控制作用相乘；另一种是前馈控制作用与反馈控制作用相加，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构形式。典型的前馈-反馈控制系统结构如图7所示。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=前馈-反馈控制系统结构框图,550,251]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141048430650_3026_3221506_3.png!w690x315.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图7 前馈-反馈控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]在高精度控制中，前馈控制可用来提高系统的跟踪性能。经典控制理论中的前馈控制设计是基于复合控制思想，当闭环系统为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入。从图7中可以发现，前馈环节的传递函数是被控对象的倒数。那么就是在使用前馈控制前需要对被控对象的模型有了解，才能有针对性的设计出合适的前馈控制器。也就说，每个系统的前馈控制器都是不一样的，每个前馈控制器都是专用的。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]五、选择性控制（Selective Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px] 选择性控制系统也叫超驰控制系统，也可称为自保护系统或软保护系统。选择性控制是把生产过程中对某些工业参数的限制条件所构成的逻辑关系迭加到正常的自动控制系统上去的组合控制方案。系统由正常控制部分和取代控制部分组成，正常情况下正常控制部分工作，取代控制部分不工作；当生产过程某个参数趋于危险极限时但还未进人危险区域时，取代控制部分工作，而正常控制部分不工作，直到生产重新恢复正常，然后正常控制部分又重新工作。这种能自动切换使控制系统在正常和异常情况下均能工作的控制系统叫选择性控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]通常把控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制系统。选择器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两类。高选器输出是其输入信号中的高信号，低选器输出是其输入信号中的低信号。根据选择器在系统结构中的位置不同，选择性控制系统可分为两种：[/size][size=14px][/size][size=14px]（1）选择器位于两个调节器和一个执行器之间，选择器对两个调节器输出信号进行选择，如图8(a)所示。这种选择性控制系统的主要特点是：两个调节器共用一个执行器。在生产正常情况下，两个调节器的输出信号同时送至选择器，选出正常调节器输出的控制信号送给执行器，实现对生产过程的自动控制，此时取代调节器处于开路状态，对系统不起控制作用。当生产不正常时，通过选择器选出取代调节器代替正常调节器对系统进行控制。此时，正常调节器处于开路状态，对系统不起控制作用。当系统的生产情况恢复正常，通过选择器的自动切换，仍由原正常调节器来控制生产的正常进行。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=选择性控制系统结构框图,690,547]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141049190661_493_3221506_3.png!w690x547.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图8 选择性控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][size=14px]（2）选择器位于调节器之前，对传感器输出信号进行选择的系统，如图8(b)所示。该选择性系统的特点是几个传感器合用一个调节器。通常选择的目的有两个，其一是选出最高或最低测量值；其二是选出可靠测量值。[/size][size=14px][/size][size=14px]在图8(a)所示的选择性控制系统中，由于系统中总有一台控制器处于开环状态，因此易产生积分饱和。防积分饱和有限幅法、外反馈法、积分切除法三种。[/size][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]六、三冲量控制（Three Impulse Control）系统[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]三冲量控制系统是来自电厂锅炉给水自动调节系统的一个名词，是根据汽包液位、给水流量和蒸汽流量三冲量经PID计算来调节给水阀门开度，从而达到自动控制汽包液位的目的。[/size][size=14px][/size][size=14px]所谓冲量，实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指控制系统的测量信号。三冲量控制意味着对三个变量进行测量和控制从而使得其中一个变量达到稳定。[/size][size=14px][/size][size=14px]一般而言，如图9所示，三冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈控制的串级控制系统。以液位控制为例，主调节器（液位控制器）与副调节器（流量控制器）构成串级控制系统。汽包液位（传感器2）是主变量、给水流量（传感器1）是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量（传感器3）的波动是引起汽包液位变化的因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入前馈调节器，使给水流量（传感器1）作相应的变化，所以这是按干扰进行控制的，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。[/size][size=14px][/size][align=center][size=14px][img=三冲量控制系统结构框图,690,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210141049398083_4900_3221506_3.png!w690x371.jpg[/img][/size][/align][size=14px][/size][align=center]图9 三冲量控制系统结构框图[/align][size=14px][/size][b][size=18px][color=#990000]七、总结[/color][/size][/b][size=14px][/size][size=14px]综上所述，在复杂控制系统中可能有几个过程测量值、几个PID控制器以及不止一个执行器；或者尽管主控制回路中被控量、PID控制器和执行器各有一个，但还有其他的过程测量值、运算器或补偿器构成辅助控制系统，这样主、辅控制回路协同完成复杂控制功能。复杂控制系统中有几个闭环回路，因而也是多回路控制系统。[/size][size=14px][/size][size=14px]另外，随着技术的进步，越来越多的生产、工艺和设备仪器对自动化控制要求越来越高，对于被控对象比较特殊，被控量不止一个，生产工艺对控制品质的要求比较高或者被控对象特性并不复杂，但控制要求却比较特殊，如超高精度，这些都需要复杂控制系统予以解决。[/size][size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size]

[align=center][b][img=采用夹管阀实现无菌流体系统中的高精度压力和流量控制解决方案,690,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310181658154269_9598_3221506_3.jpg!w690x450.jpg[/img][/b][/align][size=16px][b][color=#000066][/color][color=#339999]摘要：针对卫生和无菌流体系统中柔性管路内的压力和流量控制，本文介绍了采用电控夹管阀的高精度控制解决方案。解决方案基于反馈控制原理，采用压力传感器或流量传感器进行测量并反馈给程序控制器，控制器驱动夹管阀来改变柔性管路的内径从而实现高精度控制。尽管解决方案只介绍了最基本的夹管阀闭环控制回路，但这种简单控制可以进行多种组合以适用于多种流体介质的压力流量控制。本文同时也介绍了夹管阀应用的局限性和改进方法。[/color][/b][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]=======================[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 夹管阀是一种打开或关闭流体路径，而阀体不会与流动介质接触的阀门，也就是流体管路内径的控制依赖于弹性管路外部的挤压压力。夹管阀主体内部不会接触到流体，仅有管路内部会接触流经的液体或气体，可确保流体不会受到污染，且能保持夹管阀的清洁，因此适合做为生物加工、食品工业、饮料工业、剂量系统、自动贩卖机、血液处理/分析、实验室分析、冲洗程序需无菌的生物制药等设备的阀门。与其他闸阀或活塞阀相比，使用夹管阀的主要优点是让阀体不会与腐蚀性流动介质接触，因此无论在使用寿命或卫生方面都更持久、干净。[/size][size=16px] 在夹管阀的实际应用中，往往是通过改变夹管阀挤压压力来调节软管的开度，以控制管路内[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]和[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]介质的输送流量与流速，同时也相应的改变了软管内部的背压压力。夹管阀只是作为一个调节流量和压力的执行器件，还无法进行管路内部压力和流量的闭环自动控制。[/size][size=16px] 为了采用夹管阀实现无菌流体系统中的压力和流量控制，特别是实现高精度的自动控制，本文将介绍一种闭环控制解决方案及其一些具体应用案例。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了高精度的控制流体介质管路中的压力和流量，本解决方案提出的控制系统如图1所示。解决方案设计的控制系统是一种最基本的控制结构，可以根据实际应用情况进行各种组合。[/size][size=16px] 图1所示的控制系统主要由泵、压力传感器、流量传感器、夹管阀、程序控制器和柔性管材组成，其各组件的功能如下：[/size][size=16px] （1）泵：主要用来驱动流体在柔性管路内流动，相当于一个进液源。[/size][size=16px] （2）压力传感器：测量柔性管路内流动液体的压力，并输出相应的压力测量信号。[/size][size=16px] （3）流量传感器：测量柔性管路内流动液体的流量，并输出相应的流量测量信号。[/size][size=16px] （4）夹管阀：夹管阀采用的是电控式夹管阀，可灵活调节挤压压力，对应最大可夹软管外径7mm，软管壁厚范围0.5~2mm，夹紧留隙调节为0.5~2mm。夹管阀可方便地调节运动滑块的初始位置，灵活适用不同壁厚尺寸的软管。24V直流供电，控制信号为0~5V或0-20mA。[/size][size=16px] （5）程序控制器：程序控制器采用的是VPC2021系列多功能超高精度PID真空压力程序调节器，可接入真空、压力、流量、温度和张力等47种传感器信号，具有串级控制、分程控制、比值控制等高级控制功能，具有控制程序功能和外部设定点功能，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。控制器自动计算机软件，可由计算机进行远程参数设置和运行操作。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=夹管阀流体压力和流量闭环控制系统结构示意图,600,296]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310181700229428_1520_3221506_3.jpg!w690x341.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 夹管阀流体压力和流量精密控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案中的压力和流量控制系统的工作过程是进液通过泵的驱动使流体介质在柔性管道内流动，压力或流量传感器采集相应的压力或流量信号并传输给程序控制器，控制器根据设定值进行比较后输出控制信号驱动夹管阀动作，使管路内的压力或流量准确达到设定值。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 尽管上述夹管阀具有高精度的压力和流量的控制能力和响应速度快的特点，但由于夹管阀会改变柔性管路的内径大小，使得管路内部的背压增大，而这种压力的增大必须要在软管的可承受范围之内，否则很容易造成软管的爆裂或接口爆开。因此，更安全可靠的压力和流量控制方式是不使用夹管阀，而是直接控制进液压力，通过改变进液压力来调节管路内的介质压力和流量。这种进液压力调节有以下三种控制方式：[/size][size=16px] （1）采用转速可调节式泵来改变进液压压力。[/size][size=16px] （2）采用注射泵来改变进液压力和流速。[/size][size=16px] （3）采用进液容器顶部气压控制方式的压力控制器，同时连接外部压力或流量传感器形成闭环控制回路，以改变液池顶部加载压力实现压力和流量的自动控制。[/size][size=16px] 上述的三种控制方式中，顶部气压控制方式的技术优势最为明显，同样可以实现高精度的压力和流量控制，特别是可以应用到微小流量的快速和超高精度控制。[/size][size=16px] 另外，对于微流控芯片技术中所用的微小流量控制，往往会使用到小于1mm的很细软管，这些微细软管内的压力和流量控制则可能不太适合采用夹管阀，这时更适合采用注射泵或压力控制器形式。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/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=宋体]电子流量控制器[/font][/font][font=宋体]中的比例电磁阀[/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]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]，执行流量控制时的常用核心部件是比例电磁阀，其原理类似于气体流路中的可调节阻尼。工作过程中，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统通过改变比例电磁阀的开度来调节其阻尼，进而控制气体流量。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量的调控方式[/font][/align][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]一、机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量控制方式[/font][align=center][img=,388,253]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209021647096104_6103_1604036_3.jpg!w690x450.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]机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量控制方式[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]传统的机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]调控气体流量的方法主要有三种，如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]方式[/font][font=Times New Roman]a[/font][font=宋体]，气体流路中按顺序安装稳压阀和针型阀，稳压阀提供恒定压力，通过调节针型阀的阀针，改变其阻尼，实现流量的调节。实际情况下，由于针型阀本身阻尼范围有限，针型阀并不单独使用，一般需要在针型阀之后再串联阻尼器，使流量调节更加容易。[/font][/font][font=宋体]此种方式仪器硬件结构较为简单，针型阀惯性小，流量调节速度快。[/font][font=宋体][font=宋体]方式[/font][font=Times New Roman]b[/font][font=宋体]，气体流路中按顺序安装稳压阀和稳流阀，稳压阀提供恒定压力，通过调节恒流阀的阀针，改变其输出流量。[/font][/font][font=宋体]此种方式仪器硬件成本略高，由于恒流阀一般具有较大的惯性，流量调节速度相对较慢，一般常见于填充柱进样口的流量控制器，实现色谱柱的恒流量控制。[/font][font=宋体][font=宋体]方式[/font][font=Times New Roman]c[/font][font=宋体]，气体通道中安装稳压阀和阻尼器，通过调节稳压阀的不同输出压力实现流量的调节。[/font][/font][font=宋体]此种方式结构更加简单，硬件成本低，调节速度快，对稳压阀要求较高。[/font][font=宋体] [/font][font=宋体]二、[/font][font=宋体]电子流量控制器流量控制方式[/font][font=宋体][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]，一般采用比例电磁阀为核心的流量控制系统来控制气体流量和压力，其结构原理如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。控制系统的输入端气源压力需要保持恒定。[/font][/font][font=宋体] [/font][align=center][img=,392,75]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209021647174276_6168_1604036_3.jpg!w690x132.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]比例电磁阀控制系统原理[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]比例电磁阀与普通电磁阀不同，可以通过调节其输入电压或者电流，获得阀不同的开度，改变电磁阀阻尼[/font][font=宋体]——类似图[/font][font=Times New Roman]1-a[/font][font=宋体]中的针型阀，从而实现气体流量的调节。[/font][/font][font=宋体]流量控制系统在负反馈方式下工作，如果输出气体流量（或压力）小于设定值，流量计（或压力计）检测到此异常反馈给控制器，系统发出命令增大阀的开度，使气体流量重新稳定于设定值。反之，如果输出气体流量（或压力）大于设定值，系统发出命令较小阀开度，使气体流量稳定。[/font][font=宋体][font=宋体]三、阀开度的控制[/font][font=宋体]——占空比[/font][/font][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]系统一般通过调节比例电磁阀的供电方波电压的占空比来调节阀开度，方波电压占空比的意义如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示，。[/font][/font][align=center][img=,260,135]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209021647241020_6000_1604036_3.jpg!w500x260.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]占空比原理图示[/font][/font][/align][font=宋体]一般情况下色谱系统采用较高的恒频率方波电压控制比例阀，方波的高电平状态下电磁阀开启，低电平状态下电磁阀关闭。[/font][font=宋体][font=宋体]高电平工作的时间与方波周期的比例为方波电压的占空比（[/font][font=Times New Roman]T[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]1[/font][/font][/sub][font=宋体][font=Times New Roman]/T[/font][font=宋体]），方波电压的占空比越高，电磁阀在工作过程中开启的比例越高——即开度越大，比例电磁阀的阻尼越小。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]当系统输出气体流量大于设定值时，色谱系统减小比例电磁阀供电方波电压的占空比，此时比例电磁阀开度减小，阀阻尼增大，系统输出气体流量降低恢复到设定值。如图[/font][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体]所示：[/font][/font][align=center][img=,313,64]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209021647306013_696_1604036_3.jpg!w690x141.jpg[/img][font=宋体] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]4 [/font][font=宋体]占空比减小[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]当系统输出气体流量小于设定值时，色谱系统增大比例电磁阀供电方波电压的占空比，此时比例电磁阀开度增大，阀阻尼减小，系统输出气体流量升高恢复到设定值。如图[/font][font=Times New Roman]5[/font][font=宋体]所示：[/font][/font][align=center][img=,319,76]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209021647379254_2500_1604036_3.jpg!w690x164.jpg[/img][font=宋体] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]5 [/font][font=宋体]占空比增加[/font][/font][/align][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][font=宋体]附：[/font][font='Times New Roman'][color=#666666]KOFLOC[/color][/font][font=宋体][font=宋体]公司的电磁阀外观照片，可以在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的[/font][font=宋体]EPC/AFC/EFC部件中看到。[/font][/font][font=宋体] [/font][align=center][img=,114,114]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209021647431813_8832_1604036_3.jpg!w420x420.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]本文简单[/font][/font][font=宋体]介绍[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]电子流量控制器中比例电磁阀的基本原理[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font]

[align=center][img=高温石英管式炉及其真空控制系统,600,391]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281102414320_6035_3221506_3.jpg!w690x450.jpg[/img][/align][size=16px][color=#990000][b]摘要：针对用户提出的高温石英管加热炉真空度控制系统的升级改造，以及10~100Torr的真空度控制范围，本文在分析现有真空控制系统造成无法准确控制所存在问题的前提下，提出了切实可行的解决方案。解决方案对原有的无PID控制功能的压强自动控制仪和慢速大口径电动蝶阀进行了更换，采用了高精度可编程PID真空压力控制器，采用了口径较小响应速度更快的电动球阀。此解决方案已在多个真空领域得到应用，并可以达到±1%的高精度控制。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 高温石英管式炉广泛用于陶瓷、冶金、电子、玻璃、化工、机械、耐火材料、新材料开发、特种材料和材等领域。石英管式炉的加热元件一般为NiCrAl电阻丝，并采用双层壳体结构，并带有风冷，使得壳体表面的温度小于70℃。保温材料采用高纯氧化铝纤维，环保节能，可以最大程度的减少热量的损失。为了进行各种气氛环境下的高温反应和研究，并避免高温产出物对加热丝的腐蚀影响，石英管式炉中普遍安装了一根高纯石英管用来作为炉膛，且石英管两端可固定金属密封法兰，从而可在石英管内形成密闭真空环境。[/size][size=16px] 最近有用户提出了对在用的石英管式炉进行技术改造，此卧式高温石英管式炉如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=需进行升级改造的高温石英管式炉及其真空控制系统,690,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281105026257_5413_3221506_3.jpg!w690x286.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 需进行改造的真空石英管式炉及其真空控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 用户对现有石英管式炉进行技术改造的内容是要实现管式炉真空度的精密控制，如图1所示，现有的真空度控制系统采用了电容薄膜真空规作为真空度传感器，传感器配套有真空显示仪进行真空度测试值显示并输出信号，压强自动控制仪接收传感器信号，然后驱动电动蝶阀进行开度变化，以实现真空度的自动控制。但此真空度控制系统在调试过程中，完全无法实现真空度的自动控制，这主要是现有真空度控制系统存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）现有真空控制系统所采用的压强自动控制仪并不具备PID控制功能，所以有时候会出现某些真空度区间无法准确控制的现象。[/size][size=16px] （2）所采用的电动蝶阀响应速度太慢，而且口径太大，很难对压强自动控制仪输出的控制信号做出快速响应，对如此小内径的石英管腔体很难进行真空度的准确控制。[/size][size=16px] 为了彻底解决现有真空度控制系统存在的上述问题，本文提出了如下技术升级改造方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 首先，按照用户要求，解决方案拟达到的技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真空度控制范围：10~100Torr（绝对压力）。[/size][size=16px] （2）真空度控制精度：读数的±%。[/size][size=16px] （3）控制功能：PID自动控制，多个设定点可编程自动控制。[/size][size=16px] 为了实现上述技改指标，本解决方案所设计的高精度真空度控制系统如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=改造升级后的真空控制系统结构示意图,690,292]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281105266047_8320_3221506_3.jpg!w690x292.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 改造升级后的真空控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 改造升级后的真空控制系统还是沿用下游控制模式，即对排气流量进行调节，同时还继续使用原有的电容真空计，但在以下几方面做出了改进：[/size][size=16px] （1）真空度测量和控制仪表的改进：解决方案中采用了超高精度VPC2021-1型真空压力控制器，其具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可直接用来接收电容真空计输出的真空度电压信号并按照真空度单位进行显示，无需再使用原有的真空显示仪。此真空压力控制器是一款超高精度的PID控制器，充分发挥了PID自动控制的强大功能，且PID参数可进行自整定，是实现真空度高精度控制的重要保证。另外，此真空压力控制器具有多个设定点编程控制功能，可按照设定折线和真空度变化速率对石英管内的真空度进行自动程序控制。[/size][size=16px] （2）排气阀门的改进：解决方案中将原有的慢速和大口径电动蝶阀更换为响应速度更快和口径更小的电动球阀，在减小排气调节口径提高阀门开度调节效率的同时，能更快的响应真空压力控制器给出的控制信号，极大减小了控制的滞后性，保证了控制的准确性。[/size][size=16px] 图3给出解决方案中真空度控制系统的接线图。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=真空控制系统接线图,600,191]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311281105446783_3371_3221506_3.jpg!w690x220.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 真空度控制系统接线图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案中所配置的VPC2021-1真空压力控制器具有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，并配置了计算机软件，可通过在计算机上运行软件完成控制器的参数设置、远程控制操作、控制过程参数和曲线的显示和存储。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本解决方案将彻底解决了管式炉真空度的高精度控制问题，并具有以下特点：[/size][size=16px] （1）解决方案的下游真空度控制不受上游进气流量大小的影响，在调节的恒定进气流量下，石英管内的真空度可以自动控制在设定值上。[/size][size=16px] （2）本解决方案具有很强的灵活性，目前本解决方案所控制的是10~100Torr真空度范围，如果要进行0.1~10Torr范围的真空度控制，则通过在进气端口增加一个电动针阀，通过恒定排气流量的同时调节针阀开度，则可实现高真空度精密控制。同样，更换更大量程的真空计，还可以在石英管内实现微正压控制。[/size][size=16px] （3）本解决方案具有很强的适用性，在排气端增加真空进样装置，可将石英管加热炉内高温下产生的气体导入到质谱仪或与其他仪器联用进行产物分析。[/size][size=16px] （4）本解决方案中的真空压力控制器是一款通用性PID控制器，除了具有高精度真空压力控制功能之外，更换温度传感器和流量计后也可以用于温度和流量控制。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对现有技术在印刷或喷绘设备中油墨流量控制不准确，使得油墨粘稠度产生异常造成批量性质量方面的问题，本文提出了相应的串级控制解决方案，即通过双回路形式同时控制油墨的流量和压力。本解决方案不仅可以保证油墨最终流量的控制精度和避免出现质量问题，同时还采用了专门的PID串级控制器，代替传统的PLC控制器且无需再进行编程工作。[/b][/color][/size][align=center][size=16px] [img=高精度级联控制器在印刷和喷绘设备油墨流量控制中的应用,550,300]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305161500376435_5330_3221506_3.jpg!w690x377.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 油墨是用于印刷的重要材料，它通过印刷或喷绘将图案、文字呈现在承印物上。油墨中的主要成分和辅助成分主要由连结料(树脂)、颜料、填料、助剂和溶剂等组成，它们均匀地混合并经反复轧制而成一种黏性胶状流体。油墨具有一定的粘稠度，当油墨在管道内输送时，如果流量发生改变或发生其他意外情况，就会导致油墨的粘稠度发生改变，很容易造成批量性的不良品发生。由此可见，油墨流量的精密和稳定控制是印刷和喷绘设备中的核心技术之一。[/size][size=16px] 针对油墨流量精密控制需求，特别是根据客户的要求以及现有技术的不足，希望可以进行技术升级以预防因油路，气路，或者油墨粘度异常造成批量性的问题。为此，为了具体解决油墨流量控制不准确使得油墨粘稠度产生异常造成批量性质量问题，本文提出了相应的解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案基于流量和压力串级控制原理，即对油墨流量和油墨压力同时进行调整，由此实现高精度的油墨流量控制。解决方案的结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.油墨流量和压力精密控制系统结构示意图,690,312]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305161502292249_6607_3221506_3.jpg!w690x312.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 油墨流量串级控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，解决方案的油墨流量控制系统由压力控制和流量控制两个闭环控制回路构成，这两个控制回路详述如下：[/size][size=16px] （1）压力控制回路：压力控制回路由电气比例阀独立构成，其内部包括压力传感器、调节阀和控制器。压力控制回路的作用是对高压气源压力进行自动减压，并快速恒定控制在压力设定值上。压力控制回路作为串级控制（或双闭环控制）的辅助控制回路（内部闭环回路），主要用来控制加载在油墨桶上的压力，以便快速调节和控制油墨桶的油墨输出流量。[/size][size=16px] （2）流量控制回路：流量控制回路由流量计、串级控制器和压力控制回路构成。在控制过程中，串级控制器检测流量计输出信号并与设定值比较，然后驱动压力控制回路使油墨输出流量稳定在设定流量值上。流量控制回路作为串级控制（或双闭环控制）的主控制回路（外部闭环回路），主要用来检测油墨桶的输出流量并给压力控制回路输出控制设定值。[/size][size=16px] 通过上述两个控制回路的串联最终构成串级控制（级联控制或双闭环）回路，即流量控制回路的输出作为压力控制回路的输入，压力控制回路作为最终流量控制回路的执行机构。[/size][size=16px] 另外需要说明的是，图1只是给出了双闭环控制回路的结构示意图，在具体实施过程中还需根据流量控制精度、耐压范围和油墨喷嘴孔径等工艺参数进行相应的配套器件选择，在此方案中使用了超高精度的PID串级控制器，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，这样基本就可以满足绝大多数油墨流量控制精度的要求。[/size][size=16px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文所述的串级控制系统，通过PID串级控制器、电气比例阀、压力传感器和高精密流量计等元件，通过流量控制和压力控制的双闭环控制形式，实现了设定流量和实际流量自动精密控制。由此可预防因油路、气路或者油墨粘度异常造成批量性的不良发生。[/size][size=16px] 本解决方案的特色之一是采用专门的PID串级控制器来代替一般控制中所用的PLC控制装置，通过串级控制器的配套软件可方便进行流量控制，无需再对PLC控制装置进行编程的繁复操作。[/size][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/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=宋体]电子流量控制器中的流量传感器 [/font][font=Times New Roman]—— [/font][font=宋体]质量流量计[/font][/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='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的电子流量控制单元的流量测量原理和常见流量传感器（质量流量计）的原理[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]质量流量计[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]工业监控中常见的容积式、叶轮式、涡街式流量计都被用来直接测定流体的体积流量（压差式流量计可以通过流体参数的转化计算获得质量流量），质量流量计与其不同，可以用来直接测定流体的质量流量，而不受流体密度、温度或者压力的影响。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]质量流量计的压力损失较低、流量测量范围较大。内部无可动部件，可靠性和精度较好，可以用于较低气体流量的测量和控制。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]质量流量计可以分成科里奥利质量流量计和热式质量流量计两类，可以用于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url][/font][/font][font=宋体]的电子流量控制器[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]中气体流量测定的是热式流量计（[/font]Thermal Mass Flowmeters[font=宋体]，[/font][font=Times New Roman]TMF[/font][font=宋体]）。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]热式质量流量计利用流体流过外热源加热的管路时产生的温度场变化来测量流体的质量流量；或者利用加热流体时流体温度上升某一数值所需能量与流体质量之间的关系来测定流体质量流量。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]热式[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]质量流量[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]计利用[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]热[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]传导原理测定气体的质量流量，即气体的放热量或者吸热量与该气体的质量成正比[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]被测定[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体流过[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]对称排布的两个或者多个温度传感器[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]表面[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]，[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]在不同的质量流速下，温度传感器表面温度会发生不同变化。在一定的流量范围之内，温度变化与气体质量流量存在确定的对应关系，可以利用此原理来进行流量测定，其基本结构如图[/font]1[font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,352,249]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513235212_6069_1604036_3.jpg!w624x442.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]1 [font=宋体]质量流量计结构示意图[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]如图[/font]1-a[font=宋体]所示，在气体流经的管路中安装有加热器[/font][font=Times New Roman]Heater[/font][font=宋体]，在其前后对称的位置，各安装一个温度传感器[/font][font=Times New Roman]TS[/font][/font][sub][font='Times New Roman']1[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]和[/font]TS[/font][sub][font='Times New Roman']2[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]当气体流速为[/font]0[font=宋体]时，由于温度场分布是对称于加热器[/font][font=Times New Roman]Heater[/font][font=宋体]，那么两个传感器的[/font][/font][font=宋体]测定[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]温度相同，均为[/font]T[/font][sub][font='Times New Roman']0[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体]当[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体质量流量[/font][/font][font=宋体]逐渐增加时[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]，[/font][/font][font=宋体]气体将逐渐[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]携带[/font][/font][font=宋体][font=宋体]加热器[/font][font=Times New Roman]Heater[/font][font=宋体]表面的[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]部分热量，[/font][/font][font=宋体]流量计内部[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]温度场[/font][/font][font=宋体]的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]对称性被破坏，温度传感器[/font]TS[/font][sub][font='Times New Roman']1[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]表面温度下降[/font][/font][font=宋体][font=宋体]，由[/font][font=Times New Roman]T[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]0[/font][/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]变成[/font]T[/font][sub][font='Times New Roman']1[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]，[/font][/font][font=宋体]温度传感器[/font][font='Times New Roman']TS[/font][sub][font='Times New Roman']2[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]表面温度上升[/font][/font][font=宋体][font=宋体]，由[/font][font=Times New Roman]T[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]0[/font][/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]变为[/font]T[/font][sub][font='Times New Roman']2[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]在一定的[/font][/font][font=宋体]气体[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量范围内，两个温度传感器的温度差[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']T[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]（[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']T[/font][font=宋体] [font=Times New Roman]= [/font][/font][font='Times New Roman']T2[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']-[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']T1[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman'][font=宋体]）[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]与流体的质量流量有确定定量关系[/font][/font][font=宋体]。[/font][font=宋体]两个温度传感器温度差[/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']T[/font][font=宋体]会随着质量流量的增加而增加，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]当气体的质量流量趋向于无穷大时，两个温度传感器接触到的几乎都是未被加热的气体，温差[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']T[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]也趋向于[/font]0[font=宋体]，如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,372,166]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513338640_4809_1604036_3.jpg!w690x307.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]温差与质量流量的关系特性[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]由温差[/font][font=宋体]——质量流量关系特性曲线可知，[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]热式[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]质量流量[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]计[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]不适合分析[/font][/font][font=宋体]过高[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的气体流速。[/font][/font][font=宋体]测量微小气体流量由于信号微弱，也存在测量精度较低的问题。[/font][font=宋体]质量流量计测定的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体的质量流量[/font]F[/font][sub][font='Times New Roman']m[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]与两个温度传感器的温度差[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']T[/font][font=宋体]的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]关系式为：[/font][/font][align=center][img=,143,52]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513409949_3356_1604036_3.jpg!w690x138.jpg[/img][font='Times New Roman'] [font=宋体]（[/font]1-1[font=宋体]）[/font][/font][/align][font='Times New Roman'] [font=宋体]公式[/font]1-1[font=宋体]中：[/font][/font][font='Times New Roman'] F[/font][sub][font='Times New Roman']m[/font][/sub][font='Times New Roman'] [font=Times New Roman]—— [/font][font=宋体]气体的质量流量[/font][/font][font='Times New Roman'] E —— [font=宋体]加热器的功率值[/font][/font][font='Times New Roman'] Cp —— [font=宋体]气体的比热容[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']T[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman'] [font=Times New Roman]—— [/font][font=宋体]温度差[/font][/font][font=宋体][font=宋体]随着现代微电子[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]微机械技术的发展，出现了微型热分布式质量流量计，外观尺寸可以缩小到[/font][font=Times New Roman]cm[/font][font=宋体]级别，可以作为一个单独的电子元件，方便的安装在色谱仪电子流量控制器的线路板上，并且可以成功解决测定微小气体流量的问题。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]其基本原理与热式质量流量计相同，但是加热部件和温度传感器部件的排布方式有所不同，其结构原理如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示[/font][/font][align=center][img=,338,104]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513483717_5810_1604036_3.jpg!w690x213.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]热分布式质量流量计结构图[/font][/font][/align][font=宋体]流量计的温度传感器在内部电气线路设计方面被连接成电桥方式，可以感知极微弱的温度差异，并且由于总体部件尺寸的缩小，微型热分布式质量流量计可以测定微小的气体流量。与热式流量计相似，热分布式质量流量计不太适合直接测定过高的气体流量。当需要测定较大流量时，需要配备有分流部件，可以较大范围扩展其测量范围。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]质量流量计的特点和[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]使用注意事项[/font][/font][/align][font=宋体]质量流量计具有较高的流量测定精度，比较适合测定微小的气体流量，测量灵敏度较高，使用性能稳定可靠。可以安装在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的进样口载气电子流量控制器中。[/font][font=宋体][font=宋体]比较差压式流量计，质量流量计的惯性较大，不容易实现迅速的流量控制；[/font][font=宋体]’气体的温度和压力变化对流量计的测量准确性影响较小。[/font][/font][font=宋体]质量流量计的使用注意事项：[/font][font='Times New Roman']1 [font=宋体]气体[/font][/font][font=宋体]的类型设置[/font][font=宋体][font=宋体]对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，不同的载气具有不同的比热容，会对流量计的温度[/font][font=宋体]——流量响应关系带来一定的影响[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体]在设定[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]分析方法时，需要在色谱仪硬件和色谱数据工作站软件中设置正确的载气类型。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman']2 [/font][font=宋体]质量[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量[/font][/font][font=宋体]——压力[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]校准[/font][/font][font=宋体][font=宋体]与差压式流量计相同，配置有质量流量计的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]随着运行时间的增长，电气部件性能会发生逐渐变化，流量计内的管路散热情况也会因为堵塞、污染等问题产生差异，都会影响流量计的温度[/font][font=宋体]——质量流量关系，从而影响流量测定的准确性。[/font][/font][font='Times New Roman']3 [font=宋体]气源的要求[/font][/font][font=宋体]气源要求洁净、不含有油污、水分或者固体颗粒物，尽量避免气源压力和流量的瞬间剧烈变化造成流量计的损坏。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]本文简单[/font][/font][font=宋体]介绍[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]电子流量控制器内置质量流量计的基本原理和使用[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]注意事项。[/font][/font]

[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][font=宋体]流量[/font][font=宋体]——压力转换单元[/font][/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][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]系统在较多情况下用控制压力的方式实现气体流量的控制，例如供给检测器的辅助气体流量，供给色谱阀系统的气源控制单元流量，毛细管色谱柱的柱流量等。实现此功能的色谱仪部件，可以称之为压力[/font][font=宋体]——流量控制单元。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]工作于压力控制模式下，通常具有较低的硬件成本和较快的响应速度。压力控制方式的场合下，阀动作对色谱基线产生的干扰比较小，不易干扰检测器火焰状态或者造成检测器火焰的熄灭，色谱柱系统恢复切换之前流量的时间间隔也较短。压力[/font][font=宋体]——流量控制单元在机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]和电子流量式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]中压力控制模式时得到了较为广泛的应用。[/font][/font][align=center][font=宋体]一、[/font][font=宋体][font=宋体]机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的压力[/font][font=宋体]——流量转换单元[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]传统的机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]中的压力[/font][font=宋体]——流量转换单元按照其硬件结构主要分为两种，如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][img=,388,178]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209062143598722_3198_1604036_3.jpg!w690x316.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]机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]场合下压力[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]流量转换单元[/font][/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][font=宋体][font=宋体]方式[/font][font=Times New Roman]a[/font][font=宋体]，气体流路顺序安装稳压阀和针型阀，稳压阀提供恒定压力，通过调节针型阀的阀针，改变针型阀单元的阻尼，实现对气路流量的调节。[/font][/font][font=宋体]实际情况下，由于针型阀本身阻尼范围有限，针型阀并不单独使用，一般需要在针型阀之后再串联阻尼器，使流量调节更加容易。[/font][font=宋体]此种方式仪器硬件结构较为简单，针型阀惯性小，流量调节速度快。[/font][font=宋体][font=宋体]方式[/font][font=Times New Roman]b[/font][font=宋体]，气体通道中安装稳压阀和阻尼器，通过调节稳压阀的不同输出压力实现流量的调节。[/font][/font][font=宋体]此种方式结构更加简单，硬件成本低，调节速度快，对稳压阀要求较高。[/font][font=宋体][font=宋体]两种方式下阻尼的前端均安装有压力计，当阻尼器确定、通过阻尼器的气体类型确定、温度确定的情况下，阻尼两端的压力[/font][font=宋体]——流量响应关系也是确定的。一般情况下，机械方式的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的说明书中会配备有该阻尼的压力——流量响应关系曲线，如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,243,142]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209062144132310_5286_1604036_3.jpg!w413x242.jpg[/img][font=Calibri] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Calibri]2 [/font][font=宋体]阻尼器的压力——流量响应关系曲线[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]严格意义上讲，阻尼器的压力[/font][font=宋体]——流量关系会受到阻尼器所处环境温度的影响。但阻尼器的安装环境一般处于室温，而室温的变化范围较为有限，室温对阻尼器的压力——流量响应关系影响不大。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]的常见检测器[/font][font=宋体]——例如[/font][font=Times New Roman]FID[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]ECD[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]FPD[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]NPD[/font][font=宋体]——的氢气、空气、尾吹气的流量控制经常会采用此两种方式。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]某些型号的机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]，控制毛细管柱流量时，也采用了压力控制的模式，此意义上也可以视为一种压力[/font][font=宋体]——流量转换单元。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]二、[/font][font=宋体][font=宋体]电子流量式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的压力[/font][font=宋体]——流量转换单元[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]配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]，压力[/font][font=宋体]——流量控制单元一般由比例电磁阀、阻尼器和压力计构成。[/font][/font][font=宋体] [/font][align=center][img=,338,72]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209062144227918_2898_1604036_3.jpg!w690x145.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]比例电磁阀控制系统原理[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]该系统的输入端一般直接连接气源（氢气、空气或者尾吹气），色谱系统调节比例电磁阀的开度，以调整比例电磁阀的整体阻尼，使得阻尼器分配到正确的压力。与机械式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]原理上相同，根据阻尼器确定的压力[/font][font=宋体]——流量关系，色谱图系统通过调节的压力，实现通过阻尼流量的调节。[/font][/font][font=宋体]当毛细管色谱柱的尺寸规格确定、载气气体类型确定、色谱柱工作温度确定的情况下，色谱柱的阻尼也是确定的。电子流量式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]控制毛细管色谱柱的柱流量时，本质上通过控制色谱柱的柱前压力来控制毛细管柱流量。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]三、[/font][font=宋体][font=宋体]压力[/font][font=宋体]——流量转换单元的特点[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]压力[/font][font=宋体]——流量控制单元一般具有较为简单的硬件结构，成本较低、可靠性较高、使用方便、调节速度快。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]但是压力[/font][font=宋体]——流量转换单元本质上属于开环控制系统，色谱系统并不能感知真实输出的气体流量，如果阻尼器发生堵塞、断裂等问题，阻尼器的压力——流量关系会发生变化，系统的输出流量会发生错误。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]压力[/font][font=宋体]——流量转换单元的输出端一般只适合连接无阻尼的检测器或者固定阻尼的部件——例如确定的其他阻尼器或者色谱柱。阻尼器前端的压力传感器建议定期进行校准，否则也可能导致系统输出流量不准确。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]四、[/font][font=宋体]与差压式流量计的区别[/font][/align][font=宋体][font=宋体]压力[/font][font=宋体]——流量转换单元与差压式流量控制器结构较为近似，核心均为阻尼器。差压式流量计通过测定阻尼两端的压力差确定系统输出流量，系统输出端可以连接不同的阻尼，例如色谱柱等。通过色谱系统的控制，实现恒流量或者程序流量。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]压力[/font][font=宋体]——流量转换单元的输出一般情况下为常压，不可以连接阻尼，否则会造成流量显示错误。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][img=,248,62]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209062144354098_6251_1604036_3.jpg!w690x174.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]4 [/font][font=宋体]差压式流量计[/font][/font][/align][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]本文简单[/font][/font][font=宋体][font=宋体]压力[/font][font=宋体]——流量转换单元的基本原理和使用注意事项。[/font][/font]