倍尓控制仪

[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]背压阀与电子背压控制[/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]背压阀一般情况下安装于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]分流[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]不分流进样口或者进样阀的输出端，为进样口或者进样阀的定量环提供合适的工作压力。背压阀调节迟滞现象较弱，调节速度快。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]背压阀简介[/font][/align][font=宋体][font=宋体]背压阀可以在一定输出端流量变化范围内保持阀输入端的压力恒定，其经常安装于某些[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的分流不分流进样口或者进样阀的输出端，以保证进样口或进样阀的定量环工作于合适的压力之下，其常见的安装位置如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的分流[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]不分流进样口中，背压阀一般安装于进样口的分流出口端，通过旋转阀控制旋钮调节进样口压力。[/font][/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]使用气体进样阀进样时，如果进样阀定量环压力与进样口压力差异较大，进样之后可能会在色谱图上产生明显的进样干扰信号，进样口压力和流量控制也比较容易发生震荡的现象，从而造成基线的扰动。在进样阀定量环的输出端安装背压阀，调节定量环压力与进样口压力相同，可以改善阀进样产生的基线扰动。此外，通过背压阀的工作，可以保证每次进样时定量环压力的一致性，从而改善定量重复性。[/font][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]在使用高压液体进样阀时，例如分析丁烯丙烯类样品，需要保持系统定量环的压力，不至于产生样品减压造成部分或者全部气化，最终影响定量重复性和准确性。[/font][img=,553,408]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210241301270100_9686_1604036_3.jpg!w690x508.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]背压阀的安装位置[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]背压阀原理基于压力平衡，其结构如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示，由调节膜、旋钮、弹簧组成。弹簧和旋钮施加的压力[/font][font=Times New Roman]F[/font][font=宋体]与阀腔体内压力[/font][font=Times New Roman]P1[/font][font=宋体]达到平衡，即：[/font][/font][align=center][font=宋体][font=Times New Roman]F = P1*A[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]式中[/font][font=Times New Roman]A[/font][font=宋体]为调节膜表面积。[/font][/font][align=center][img=,137,224]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210241301346664_1685_1604036_3.jpg!w388x636.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]背压阀的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]结构图[/font][/font][/align][align=center][font=宋体]背压阀稳定输入压力的工作原理[/font][/align][font=宋体][font=宋体]阀开启时，当输入端压力[/font][font=Times New Roman]P1[/font][font=宋体]与弹簧压力相同时，调节膜位置上升，阀进入开启状态，气体由输出端流出。如果输出端由于某种原因发生阻尼变化，造成腔体压力[/font][font=Times New Roman]P1[/font][font=宋体]上升，此时调节膜位置上升，阀输出流量增大，从而降低腔体压力，使其恢复原状，从而保证输入压力不变；当输出端由于某种原因发生阻尼变化造成腔体压力[/font][font=Times New Roman]P1[/font][font=宋体]下降，此时调节膜位置下降，阀输出流量降低，从而提高腔体压力，使其恢复原状，从而保证输入压力不变。[/font][/font][align=center][font=宋体]背压阀的特点和使用注意事项[/font][/align][font=宋体]背压阀内部反馈回路较短，阀响应速度快，系统迟滞现象较弱，调节比较方便。这一点在进样口的压力控制方面较为理想，由样品气化或者阀切换带来的压力扰动，可以迅速得到恢复。[/font][font=宋体]背压阀不论连接于进样口的分流出口，还是连接于六通阀的定量环输出端口，含有大量样品的气体将通过阀释放，那么阀的维护比较重要，一般情况下需要在阀的入口端之前安装净化器，避免由于样品冷凝造成阀内部污染或者造成阀损坏。[/font][align=center][font=宋体]电子背压控制[/font][/align][font=宋体][font=宋体]电子式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的分流[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]不分流进样口，一般采用压力传感器和比例电磁阀组成的负反馈系统实现进样口的压力控制。进样口压力传感器一般安装于隔垫吹扫出口以减轻污染，比例电磁阀一般安装于分流出口，通过调节阀开度的方法，调节分流出口的气体流出流量从而控制进样口压力，如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示：[/font][/font][align=center][img=,462,280]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210241301491986_2628_1604036_3.jpg!w690x417.jpg[/img][font=Calibri] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Calibri]3 [/font][font=宋体]电子式分流不分流进样口结构[/font][/font][/align][font=宋体]分流不分流进样口在工作时，不断比较实际压力与设定压力之前的差值，如果发生较大负偏差（即实际压力低于设定压力），[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]控制系统主动降低分流出口的比例电磁阀开度，分流出口的流量降低，从而使进样口压力升高恢复设定值，反之亦然。[/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]小结[/font][/align][font=宋体]简单介绍背压阀的基本用途、原理、结构和使用注意事项。[/font]

[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]