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Un didacticiel détaillé sur le degré de vide et la méthode de contrôle de la température dans la boîte à gants
Résumé : Afin d'atteindre des fonctions puissantes de la boîte à gants pour deux variables environnementales que sont le vide et la température dans la boîte à gants. Cet article se concentre sur une solution intégrée pour une mesure et un contrôle précis du vide et de la température, et décrit les méthodes bidirectionnelles en amont et en aval. Présente également l'application spécifique du mode de contrôle de commutation dans différentes plages de degrés de vide et démontre la nouvelle vanne de contrôle de débit proportionnel et le contrôleur PID 24 bits ultra haute précision utilisés dans le contrôle.
1.Questions
Les boîtes à gants sous vide sont souvent utilisées pour les substances facilement oxydables et déliquescentes. Les réactions chimiques, le traitement des matériaux et les tests de performances qui nécessitent des opérations manuelles dans un environnement anaérobie et anhydre sont très utiles. La fonction principale de la boîte à gants est de fournir un environnement sous vide et facile à utiliser, mais dans les applications pratiques actuelles, la plupart des boîtes à gants utilisent uniquement un environnement anaérobie et des fonctions de fonctionnement manuel de la boîte à gants, et ne donnent pas toute la capacité au rôle de boîte à gants. L’application plus puissante de la boîte à gants se reflète également dans les deux aspects suivants :
(1) La boîte à gants sous vide est une boîte environnementale hermétique et le degré de vide ultime peut généralement atteindre environ 10 Pa, de sorte que le degré de vide dans la boîte à gants peut être contrôlé à n'importe quel point de consigne entre 10 Pa et la pression atmosphérique, selon les besoins. Diverses réactions chimiques, expériences et tests sensibles au vide peuvent être réalisés ; diverses opérations manuelles peuvent également être effectuées sans modifier ni détruire l'environnement sous vide.
(2) Outre le vide, la température est une autre variable environnementale importante pour de nombreuses réactions, expériences et tests. En plaçant le dispositif de chauffage correspondant dans la boîte à gants, diverses études expérimentales dans un environnement combiné de température et de degré de vide peuvent être réalisées. Et ainsi de suite, d'autres conditions environnementales de quantités physiques peuvent également être configurées pour former des conditions de test de couplage de quantités multi-physiques dans diverses conditions limites. Afin d’obtenir toutes les performances d’une boîte à gants sous vide, elle se concentre sur deux variables environnementales : le degré de vide et la température dans la boîte à gants.
Cet article présente en détail la solution intégrée pour une mesure et un contrôle précis du degré de vide et de la température, et présente les différentes plages de degrés de vide des modes de contrôle en amont, en aval et bidirectionnel dans le processus de contrôle du vide.
2. Contrôle du vide dans boite à gants
La boîte à gants appartient à une cavité à faible vide. Le degré de vide de la boîte à gants utilisant une pompe mécanique peut généralement atteindre une pression absolue d'environ 10 Pa. En aspirant et en remplissant de gaz inerte, le degré de vide de la boîte à gants peut être contrôlé de 10 Pa à une atmosphère (pression absolue 0,1 MPa). Pour le contrôle dans une telle plage de vide couvrant quatre ordres de grandeur, des capteurs de vide avec différentes précisions seront utilisés en fonction des besoins réels, et il y aura différents modes de contrôle en conséquence. Voici le contenu spécifique de chaque mode de contrôle.
2.1 Mode de contrôle en amont
Comme le montre la figure 1, à condition que les vitesses de pompage de la pompe à vide en aval restent constantes. Le mode de contrôle en amont consiste à ajuster l'ouverture de la vanne de régulation de débit proportionnelle de l'orifice d'admission d'air en amont via le contrôleur de pression à vide PID en fonction du signal de mesure du vacuomètre, c'est-à-dire en contrôlant le débit d'admission pour maintenir la pression dans la boîte à gants au point de consigne. . Le mode amont est souvent utilisé pour le contrôle du vide poussé.
2.2 Mode de contrôle en aval
Comme le montre la figure 2, à condition que la vitesse de pompage de la pompe à vide en aval soit maintenue constante, le mode de contrôle en aval consiste à ajuster l'ouverture de la vanne de régulation de débit proportionnelle de la sortie d'air en aval via le contrôleur de pression à vide PID en fonction du signal de mesure de vacuomètre, c'est-à-dire qu'en contrôlant le débit d'air, la pression dans le réservoir à gants est contrôlée à la valeur définie. Nous pouvons voir que le mode aval est souvent utilisé pour le contrôle du faible vide.
2.3 Bidirectionnel Mode de contrôle
Les modes de contrôle en amont et en aval ci-dessus ont leurs propres avantages et sont rarement utilisés seuls dans des applications pratiques. Généralement, les modes amont et aval sont intégrés ensemble, ce qu'on appelle le mode de contrôle bidirectionnel, comme le montre la figure 3. En mode de contrôle bidirectionnel, le contrôleur de pression à vide doit avoir des fonctions de contrôle avant et arrière, c'est-à-dire une commande inverse pour la vanne de régulation de débit proportionnelle en amont et une commande inverse pour la vanne de régulation de débit proportionnelle en aval.
2.4 Mode de commutation automatique à double capteur
Comme mentionné ci-dessus, si la mesure et le contrôle précis du degré de vide sont effectués dans la plage complète de 10 Pa ~ 0,1 MPa, il est généralement nécessaire de configurer automatiquement deux manomètres à membrane de haute précision de 1 000 Torr et 10 Torr. Comme le montre la figure 4, le point de commutation haut (2-3) est le point haut où fonctionne le capteur de vide poussé, et le point de commutation bas (1-2) est le point bas où fonctionne le capteur de vide poussé. Le contrôleur effectue un calcul de lissage entre ces deux points. Lorsque l'échantillonnage continu de la mesure de vide faible PV1 et de la mesure de vide poussé PV2 est inférieur au point de commutation inférieur, passage au capteur de vide approximatif. Lorsque l'échantillonnage continu de la valeur mesurée sous vide poussé PV1 et de la valeur mesurée sous vide poussé PV2 est supérieur au point de commutation supérieur, le passage au capteur de vide poussé est effectué.
3. Sélection du vacuomètre, de la vanne et du contrôleur
3.1 Sélection du capteur de vide
Comme les autres capteurs, divers capteurs de vide ont également une certaine plage de mesure et une certaine précision. La règle de base est qu'un capteur avec une large plage de mesure a une faible précision ; un capteur avec une précision de mesure élevée a une plage de mesure plus étroite. Pour la boîte à gants, comme le montre la figure 5, les capteurs de vide utilisés appartiennent généralement aux trois catégories suivantes :
(1) Jauge à vide conventionnelle : jauge à vide Pirani, la précision est de ± (15 ~ 50) % de la pleine échelle, mais une jauge à vide peut couvrir la pleine échelle.
(2) Jauge à vide de haute précision : manomètre à membrane, la précision est de ± 2,5 % de la pleine échelle, si elle couvre la plage de 10 Pa ~ 0,1 MPa, deux jauges à vide de 1 000 Torr et 10 Torr sont généralement nécessaires.
(3) Jauge à vide de très haute précision : jauge à vide à semi-conducteur, la précision est de ± 0,05 % de la pleine échelle et la plage efficace est de 50 Pa ~ 0,1 MPa, ce qui ne peut pas couvrir un vide plus élevé.
3.2 Sélection de l'électrovanne
Dans la boîte à gants de contrôle du vide, deux types de soupapes sont généralement impliqués : l'une est une soupape d'admission d'air qui ajuste le débit à l'admission d'air, et l'autre est une soupape d'échappement qui ajuste le débit d'échappement. Les soupapes d'admission d'air sont principalement utilisées pour la régulation de petits débits, c'est pourquoi les soupapes à pointeau sont généralement sélectionnées. Les soupapes d'échappement sont principalement utilisées pour l'aspiration, c'est pourquoi des soupapes à bille de plus grand diamètre sont généralement nécessaires.
En raison du contrôle automatique, les vannes à pointeau et les vannes à bille doivent être pilotées par une tension continue, un courant continu ou un signal numérique (RS485), ce qu'on appelle la vanne de régulation de débit proportionnelle. La vanne de régulation de débit proportionnelle sélectionne une vanne de régulation de débit proportionnelle entraînée par un moteur pas à pas de petite taille, comme le montre la figure 6. Cette vanne de régulation de débit proportionnelle a une vitesse de réponse élevée (dans les 1 s) et une linéarité (dans les 1 %). Pour la vanne de régulation de débit proportionnelle de la série FC, veuillez visiter https://www.genndih.com/fr/valve-de-contrôle-de-débit-proportionnel.htm
3.2 Sélection du contrôleur
À partir des différents modes de contrôle du degré de vide ci-dessus dans la boîte à gants, il ressort que le processus de contrôle du degré de vide impose des exigences élevées au contrôleur. Comme le montre la figure 7, le contrôleur sélectionné doit répondre aux critères suivants :
(1) Au moins, il s'agit d'un contrôleur PID et a la fonction d'auto-réglage des paramètres PID.
(2) La précision du vacuomètre lui-même est élevée. Afin de tirer pleinement parti de la précision de mesure de la jauge à vide, le contrôleur PID qui nécessite l'acquisition et le contrôle de données doit avoir une grande précision. Il est recommandé que le contrôleur soit une acquisition A/D 24 bits et une sortie D/A 16 bits. (3) Au moins 2 canaux sont nécessaires pour réaliser une mesure et un contrôle simultanés de la température et du degré de vide, également pour réduire l'espace d'installation.
(4) Plusieurs fonctions d'accès aux signaux d'entrée, qui peuvent connecter directement les signaux d'entrée de différents types de capteurs tels que le thermocouple, la résistance thermique, la tension continue, etc., pour réaliser des tests, un affichage et un contrôle simultanés de différents paramètres.
(5) Fonction de contrôle avant et arrière pour atteindre le mode de contrôle bidirectionnel.
(6) Avec la fonction de commutation à double capteur, chaque canal peut prendre en charge la commutation à double capteur de température haute et basse et de vide élevé et faible. Deux canaux peuvent former une combinaison de commande avec un total de quatre capteurs connectés.
(7) Fonction de contrôle de programme, vous pouvez créer et enregistrer plusieurs programmes de contrôle par vous-même, et il vous suffit de sélectionner et d'appeler pour démarrer (mode de contrôle de programme).
(8) Il dispose d'une interface de communication pour se connecter à l'ordinateur, telle que l'interface RS485 du protocole MODBUS standard.
4. Contrôle de la température de la boîte à gants
En plus de fournir un environnement sous vide, la boîte à gants peut également placer un dispositif de chauffage dans la boîte à gants pour effectuer diverses expériences et tests à différentes températures. Il est donc nécessaire d'introduire une fonction de contrôle de la température dans l'application de la boîte à gants. Le contrôle de la température est une technologie très mature et classique, généralement réalisée en utilisant un contrôleur PID en combinaison avec un capteur de température. Afin de réduire le coût et le volume d'installation, un contrôleur PID multicanal est généralement utilisé pour contrôler simultanément la température et le degré de vide. Le contrôleur communique avec un ordinateur pour afficher et stocker les données et les courbes de contrôle des mesures. Il n'est généralement pas nécessaire que la température de travail dans la boîte à gants soit trop élevée, mais si la protection thermique et le refroidissement sont bien effectués, la plage de température de travail supérieure à 1 000 °C peut également être atteinte. Le capteur de mesure de température choisit généralement un thermocouple. Si la précision de la mesure est élevée, la résistance thermique et le capteur de température à thermistance peuvent également être sélectionnés. Ces capteurs peuvent être directement connectés au contrôleur PID de haute précision mentionné ci-dessus.
5. Conclusion
Grâce à l'introduction du contenu ci-dessus, les différentes méthodes de contrôle du degré de vide et de la température dans la boîte à gants ainsi que les principaux capteurs, vannes de régulation de débit proportionnel et contrôleurs PID impliqués sont essentiellement expliqués. Dans des applications spécifiques, des améliorations partielles peuvent être apportées à la structure et à la fonction spécifiques de la boîte à gants, et la conception globale, l'installation et l'intégration de la boîte à gants peuvent également être réalisées en fonction des exigences réelles.
Bien que cet article présente uniquement la mesure et le contrôle du degré de vide et de la température dans la boîte à gants, ces méthodes et contenus spécifiques de mise en œuvre peuvent également être étendus et appliqués au contrôle des paramètres de test dans d'autres domaines plus sensibles à l'environnement atmosphérique, tels que basse température, grandeur géométrique, optique et acoustique.
Résumé : Afin d'atteindre des fonctions puissantes de la boîte à gants pour deux variables environnementales que sont le vide et la température dans la boîte à gants. Cet article se concentre sur une solution intégrée pour une mesure et un contrôle précis du vide et de la température, et décrit les méthodes bidirectionnelles en amont et en aval. Présente également l'application spécifique du mode de contrôle de commutation dans différentes plages de degrés de vide et démontre la nouvelle vanne de contrôle de débit proportionnel et le contrôleur PID 24 bits ultra haute précision utilisés dans le contrôle.
1.Questions
Les boîtes à gants sous vide sont souvent utilisées pour les substances facilement oxydables et déliquescentes. Les réactions chimiques, le traitement des matériaux et les tests de performances qui nécessitent des opérations manuelles dans un environnement anaérobie et anhydre sont très utiles. La fonction principale de la boîte à gants est de fournir un environnement sous vide et facile à utiliser, mais dans les applications pratiques actuelles, la plupart des boîtes à gants utilisent uniquement un environnement anaérobie et des fonctions de fonctionnement manuel de la boîte à gants, et ne donnent pas toute la capacité au rôle de boîte à gants. L’application plus puissante de la boîte à gants se reflète également dans les deux aspects suivants :
(1) La boîte à gants sous vide est une boîte environnementale hermétique et le degré de vide ultime peut généralement atteindre environ 10 Pa, de sorte que le degré de vide dans la boîte à gants peut être contrôlé à n'importe quel point de consigne entre 10 Pa et la pression atmosphérique, selon les besoins. Diverses réactions chimiques, expériences et tests sensibles au vide peuvent être réalisés ; diverses opérations manuelles peuvent également être effectuées sans modifier ni détruire l'environnement sous vide.
(2) Outre le vide, la température est une autre variable environnementale importante pour de nombreuses réactions, expériences et tests. En plaçant le dispositif de chauffage correspondant dans la boîte à gants, diverses études expérimentales dans un environnement combiné de température et de degré de vide peuvent être réalisées. Et ainsi de suite, d'autres conditions environnementales de quantités physiques peuvent également être configurées pour former des conditions de test de couplage de quantités multi-physiques dans diverses conditions limites. Afin d’obtenir toutes les performances d’une boîte à gants sous vide, elle se concentre sur deux variables environnementales : le degré de vide et la température dans la boîte à gants.
Cet article présente en détail la solution intégrée pour une mesure et un contrôle précis du degré de vide et de la température, et présente les différentes plages de degrés de vide des modes de contrôle en amont, en aval et bidirectionnel dans le processus de contrôle du vide.
2. Contrôle du vide dans boite à gants
La boîte à gants appartient à une cavité à faible vide. Le degré de vide de la boîte à gants utilisant une pompe mécanique peut généralement atteindre une pression absolue d'environ 10 Pa. En aspirant et en remplissant de gaz inerte, le degré de vide de la boîte à gants peut être contrôlé de 10 Pa à une atmosphère (pression absolue 0,1 MPa). Pour le contrôle dans une telle plage de vide couvrant quatre ordres de grandeur, des capteurs de vide avec différentes précisions seront utilisés en fonction des besoins réels, et il y aura différents modes de contrôle en conséquence. Voici le contenu spécifique de chaque mode de contrôle.
2.1 Mode de contrôle en amont
Comme le montre la figure 1, à condition que les vitesses de pompage de la pompe à vide en aval restent constantes. Le mode de contrôle en amont consiste à ajuster l'ouverture de la vanne de régulation de débit proportionnelle de l'orifice d'admission d'air en amont via le contrôleur de pression à vide PID en fonction du signal de mesure du vacuomètre, c'est-à-dire en contrôlant le débit d'admission pour maintenir la pression dans la boîte à gants au point de consigne. . Le mode amont est souvent utilisé pour le contrôle du vide poussé.
2.2 Mode de contrôle en aval
Comme le montre la figure 2, à condition que la vitesse de pompage de la pompe à vide en aval soit maintenue constante, le mode de contrôle en aval consiste à ajuster l'ouverture de la vanne de régulation de débit proportionnelle de la sortie d'air en aval via le contrôleur de pression à vide PID en fonction du signal de mesure de vacuomètre, c'est-à-dire qu'en contrôlant le débit d'air, la pression dans le réservoir à gants est contrôlée à la valeur définie. Nous pouvons voir que le mode aval est souvent utilisé pour le contrôle du faible vide.
2.3 Bidirectionnel Mode de contrôle
Les modes de contrôle en amont et en aval ci-dessus ont leurs propres avantages et sont rarement utilisés seuls dans des applications pratiques. Généralement, les modes amont et aval sont intégrés ensemble, ce qu'on appelle le mode de contrôle bidirectionnel, comme le montre la figure 3. En mode de contrôle bidirectionnel, le contrôleur de pression à vide doit avoir des fonctions de contrôle avant et arrière, c'est-à-dire une commande inverse pour la vanne de régulation de débit proportionnelle en amont et une commande inverse pour la vanne de régulation de débit proportionnelle en aval.
2.4 Mode de commutation automatique à double capteur
Comme mentionné ci-dessus, si la mesure et le contrôle précis du degré de vide sont effectués dans la plage complète de 10 Pa ~ 0,1 MPa, il est généralement nécessaire de configurer automatiquement deux manomètres à membrane de haute précision de 1 000 Torr et 10 Torr. Comme le montre la figure 4, le point de commutation haut (2-3) est le point haut où fonctionne le capteur de vide poussé, et le point de commutation bas (1-2) est le point bas où fonctionne le capteur de vide poussé. Le contrôleur effectue un calcul de lissage entre ces deux points. Lorsque l'échantillonnage continu de la mesure de vide faible PV1 et de la mesure de vide poussé PV2 est inférieur au point de commutation inférieur, passage au capteur de vide approximatif. Lorsque l'échantillonnage continu de la valeur mesurée sous vide poussé PV1 et de la valeur mesurée sous vide poussé PV2 est supérieur au point de commutation supérieur, le passage au capteur de vide poussé est effectué.
3. Sélection du vacuomètre, de la vanne et du contrôleur
3.1 Sélection du capteur de vide
Comme les autres capteurs, divers capteurs de vide ont également une certaine plage de mesure et une certaine précision. La règle de base est qu'un capteur avec une large plage de mesure a une faible précision ; un capteur avec une précision de mesure élevée a une plage de mesure plus étroite. Pour la boîte à gants, comme le montre la figure 5, les capteurs de vide utilisés appartiennent généralement aux trois catégories suivantes :
(1) Jauge à vide conventionnelle : jauge à vide Pirani, la précision est de ± (15 ~ 50) % de la pleine échelle, mais une jauge à vide peut couvrir la pleine échelle.
(2) Jauge à vide de haute précision : manomètre à membrane, la précision est de ± 2,5 % de la pleine échelle, si elle couvre la plage de 10 Pa ~ 0,1 MPa, deux jauges à vide de 1 000 Torr et 10 Torr sont généralement nécessaires.
(3) Jauge à vide de très haute précision : jauge à vide à semi-conducteur, la précision est de ± 0,05 % de la pleine échelle et la plage efficace est de 50 Pa ~ 0,1 MPa, ce qui ne peut pas couvrir un vide plus élevé.
3.2 Sélection de l'électrovanne
Dans la boîte à gants de contrôle du vide, deux types de soupapes sont généralement impliqués : l'une est une soupape d'admission d'air qui ajuste le débit à l'admission d'air, et l'autre est une soupape d'échappement qui ajuste le débit d'échappement. Les soupapes d'admission d'air sont principalement utilisées pour la régulation de petits débits, c'est pourquoi les soupapes à pointeau sont généralement sélectionnées. Les soupapes d'échappement sont principalement utilisées pour l'aspiration, c'est pourquoi des soupapes à bille de plus grand diamètre sont généralement nécessaires.
En raison du contrôle automatique, les vannes à pointeau et les vannes à bille doivent être pilotées par une tension continue, un courant continu ou un signal numérique (RS485), ce qu'on appelle la vanne de régulation de débit proportionnelle. La vanne de régulation de débit proportionnelle sélectionne une vanne de régulation de débit proportionnelle entraînée par un moteur pas à pas de petite taille, comme le montre la figure 6. Cette vanne de régulation de débit proportionnelle a une vitesse de réponse élevée (dans les 1 s) et une linéarité (dans les 1 %). Pour la vanne de régulation de débit proportionnelle de la série FC, veuillez visiter https://www.genndih.com/fr/valve-de-contrôle-de-débit-proportionnel.htm
3.2 Sélection du contrôleur
À partir des différents modes de contrôle du degré de vide ci-dessus dans la boîte à gants, il ressort que le processus de contrôle du degré de vide impose des exigences élevées au contrôleur. Comme le montre la figure 7, le contrôleur sélectionné doit répondre aux critères suivants :
(1) Au moins, il s'agit d'un contrôleur PID et a la fonction d'auto-réglage des paramètres PID.
(2) La précision du vacuomètre lui-même est élevée. Afin de tirer pleinement parti de la précision de mesure de la jauge à vide, le contrôleur PID qui nécessite l'acquisition et le contrôle de données doit avoir une grande précision. Il est recommandé que le contrôleur soit une acquisition A/D 24 bits et une sortie D/A 16 bits. (3) Au moins 2 canaux sont nécessaires pour réaliser une mesure et un contrôle simultanés de la température et du degré de vide, également pour réduire l'espace d'installation.
(4) Plusieurs fonctions d'accès aux signaux d'entrée, qui peuvent connecter directement les signaux d'entrée de différents types de capteurs tels que le thermocouple, la résistance thermique, la tension continue, etc., pour réaliser des tests, un affichage et un contrôle simultanés de différents paramètres.
(5) Fonction de contrôle avant et arrière pour atteindre le mode de contrôle bidirectionnel.
(6) Avec la fonction de commutation à double capteur, chaque canal peut prendre en charge la commutation à double capteur de température haute et basse et de vide élevé et faible. Deux canaux peuvent former une combinaison de commande avec un total de quatre capteurs connectés.
(7) Fonction de contrôle de programme, vous pouvez créer et enregistrer plusieurs programmes de contrôle par vous-même, et il vous suffit de sélectionner et d'appeler pour démarrer (mode de contrôle de programme).
(8) Il dispose d'une interface de communication pour se connecter à l'ordinateur, telle que l'interface RS485 du protocole MODBUS standard.
4. Contrôle de la température de la boîte à gants
En plus de fournir un environnement sous vide, la boîte à gants peut également placer un dispositif de chauffage dans la boîte à gants pour effectuer diverses expériences et tests à différentes températures. Il est donc nécessaire d'introduire une fonction de contrôle de la température dans l'application de la boîte à gants. Le contrôle de la température est une technologie très mature et classique, généralement réalisée en utilisant un contrôleur PID en combinaison avec un capteur de température. Afin de réduire le coût et le volume d'installation, un contrôleur PID multicanal est généralement utilisé pour contrôler simultanément la température et le degré de vide. Le contrôleur communique avec un ordinateur pour afficher et stocker les données et les courbes de contrôle des mesures. Il n'est généralement pas nécessaire que la température de travail dans la boîte à gants soit trop élevée, mais si la protection thermique et le refroidissement sont bien effectués, la plage de température de travail supérieure à 1 000 °C peut également être atteinte. Le capteur de mesure de température choisit généralement un thermocouple. Si la précision de la mesure est élevée, la résistance thermique et le capteur de température à thermistance peuvent également être sélectionnés. Ces capteurs peuvent être directement connectés au contrôleur PID de haute précision mentionné ci-dessus.
5. Conclusion
Grâce à l'introduction du contenu ci-dessus, les différentes méthodes de contrôle du degré de vide et de la température dans la boîte à gants ainsi que les principaux capteurs, vannes de régulation de débit proportionnel et contrôleurs PID impliqués sont essentiellement expliqués. Dans des applications spécifiques, des améliorations partielles peuvent être apportées à la structure et à la fonction spécifiques de la boîte à gants, et la conception globale, l'installation et l'intégration de la boîte à gants peuvent également être réalisées en fonction des exigences réelles.
Bien que cet article présente uniquement la mesure et le contrôle du degré de vide et de la température dans la boîte à gants, ces méthodes et contenus spécifiques de mise en œuvre peuvent également être étendus et appliqués au contrôle des paramètres de test dans d'autres domaines plus sensibles à l'environnement atmosphérique, tels que basse température, grandeur géométrique, optique et acoustique.