Contrôle de la température et de la pression par spectromètre

Résumé : La mesure spectrale et le spectromètre sont des mesures techniques importantes dans la détection et la surveillance. Afin d'obtenir une précision de mesure satisfaisante, le spectromètre nécessite des transducteurs de pression et de température de haute précision, des actionneurs et des contrôleurs PID, et doit avoir les caractéristiques d'une large gamme d'applications, une haute précision, une intégration facile et un faible coût. Cet article se concentrera sur les caractéristiques du contrôle de la pression et de la température du spectromètre, combinées aux produits innovants de la vanne à pointeau électronique de la série KAOLU FC. Fournit également un programme de mesure et de contrôle du spectre haute performance, de haute précision et à faible coût, de la température et de la pression du spectromètre.

1. La formulation de la question

En tant que méthode d'analyse scientifique qualitative et quantitative, la mesure spectrale est devenue une mesure technique importante dans diverses recherches sur la détection et la surveillance en raison de ses avantages en termes de précision de mesure élevée et de vitesse de réponse rapide. Cependant, dans les applications pratiques, les changements de pression et de température du gaz échantillon affecteront les résultats de mesure. Voici quelques-uns des travaux de recherche effectués au pays et à l'étranger sur le contrôle de la température et de la pression dans la mesure spectrale et les caractéristiques de l'impact :

1. ①. Plage de contrôle de pression

Différents spectromètres et spectromètres ont des exigences différentes pour la plage de contrôle de pression. Par exemple, dans la spectroscopie infrarouge qui utilise une curette à gaz, l'intensité du pic d'absorption peut être obtenue en ajustant la pression du gaz échantillon. La plage de pression générale est de 0,5 à 60 kPa. Lors de l'utilisation de la technologie de spectroscopie d'absorption laser à diode accordable (TDLAS) pour mesurer la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, une pression stable comprise entre 6 et 101 kPa est requise. Lors du contrôle précis de la pression à l'intérieur du détecteur du spectromètre à rayons X, la densité du gaz de travail doit être stabilisée pour garantir la précision de mesure du détecteur. Généralement, la pression doit être contrôlée à environ une pression atmosphérique ou plus, tandis que la pression de fonctionnement du spectromètre à claquage induit par laser doit atteindre 275 kPa. On peut voir que la plage de contrôle de la pression du gaz de travail dans le spectromètre est relativement large, généralement comprise entre 0,1 et 300 kPa, ce qui couvre essentiellement la plage de pression de 4 ordres de grandeur allant de la pression négative du vide à 3 fois la pression atmosphérique.

1. ②. Précision du contrôle de la pression

Dans le test spectral, la relation entre l'intensité de la raie spectrale observée et la densité réelle du gaz dépend de la pression de l'échantillon de gaz, de sorte que la précision du contrôle de la pression détermine directement la précision de la mesure spectrale. Par exemple, la précision du contrôle de pression dans l'analyseur de spectre de la société Picarro est de ±0,0005 atmosphère (taux de fluctuation de ±0,05 % à 1 atmosphère de pression). La littérature [1] rapporte que le réservoir d'absorption était contrôlé lorsque la pression de réglage était de 6,67 kPa. Après quatre heures de contrôle continu, la fluctuation de pression était de ± 3,2 Pa et le taux de fluctuation était de ± 0,047 %. La littérature [2] a rapporté que lorsque la pression du gaz dans une cellule d'échantillon était également contrôlée à 6,67 kPa, la plage de fluctuation à long terme de la pression était de 7 Pa et le taux de fluctuation était de ± 0,047 %. La littérature [3] a rapporté la mesure de la stabilité du système de contrôle de la pression des cellules à plusieurs passes laser infrarouge. La pression cible a été fixée à 60 Torr, la fluctuation maximale était de ±0,04 Torr en 150 à 200 s et le taux de fluctuation était de ±0,067 %. La littérature [4] a spécialement rapporté la conception et la recherche du système de contrôle de température et de pression de haute précision de l'instrument de mesure spectroscopique. La valeur de pression cible est de 18,665 kPa, le contrôle de pression constante pendant 42 heures, l'écart maximal est de 5,33 Pa et le taux de fluctuation est de ± 0,014 %. La littérature [5] a présenté les résultats du contrôle de pression constante du détecteur dans le spectromètre à rayons X. Pendant la pression constante du gaz de travail à 940 hPa, la fluctuation était inférieure à ± 2 hPa et le taux de fluctuation était de ± 2 %. La littérature [6] a introduit la technologie de contrôle de pression constante du spectromètre photoélectrique à rayons X dans la plage de pression de 0,05 à 30 mbar. Lorsque la valeur définie est de 0,1 mbar, la précision constante peut atteindre ± 0,001 mbar et le taux de fluctuation est de ± 1 %.

1. ③. Précision du contrôle de la température

Dans le test du spectre, la relation entre l'intensité des raies spectrales et la densité réelle du gaz dépend également de la stabilité de la température de l'échantillon de gaz. La stabilité de la température affecterait également la stabilité de la pression. La littérature [2] a rapporté que la température du gaz dans la cellule d'échantillon était contrôlée à température ambiante (24 °C), la fluctuation de température à court terme est de ±0,01 °C, la dérive de température à long terme est de ±0,025 °C et la le taux de fluctuation est de ±0,1 %. La littérature [4] a rapporté que le système de contrôle de température de haute précision du spectromètre, la température est contrôlée à 45°C, et la fluctuation de température dans les 42 heures est de ±0,0015°C, et le taux de fluctuation est inférieur à ±0,004 %.

En résumé, les changements de pression et de température du gaz échantillon sont les principaux facteurs affectant les résultats de mesure. De sorte que dans la mesure spectrale et divers spectromètres, le réglage de la pression, de la température et le contrôle du gaz échantillon répondent aux exigences suivantes :
(1) La plage de contrôle de pression est très large (0,1 ~ 300 kPa), mais la précision de mesure et de contrôle correspondante est très élevée, ce qui impose des exigences élevées aux capteurs de mesure de pression, aux vannes de régulation, aux pompes à vide et aux contrôleurs correspondants. Ces quatre composants de ce système de contrôle en boucle fermée doivent correspondre les uns aux autres ; sinon il est difficile d'obtenir des résultats satisfaisants.
(2) De même, dans le processus de contrôle de température de haute précision, de capteurs de température appropriés, de dispositifs de chauffage, d'alimentation électrique et de contrôleur. Ces quatre composants du système de régulation de température en boucle fermée doivent également correspondre les uns aux autres.
(3) Des contrôleurs de haute précision seraient utilisés dans les deux systèmes de contrôle en boucle fermée de la pression et de la température. Afin de réduire le coût expérimental et le coût du spectromètre, nous souhaitons utiliser un contrôleur de haute précision avec 2 fonctions de contrôle automatique PID simultanées.
(4) En se concentrant sur différentes mesures spectrales et spectromètres, leurs structures de test ne sont pas les mêmes, ce qui nécessite l'indépendance de chaque composant du système de contrôle de la température et de la pression. De cette façon, l’intégration du dispositif de test et du spectromètre est bénéfique.  
Dans l'ensemble, afin d'obtenir la précision satisfaisante de la mesure spectrale, des capteurs et des actionneurs de pression et de température de haute précision sont nécessaires. Ils présentent les caractéristiques d'une large gamme d'applications, d'une haute précision, d'une intégration facile et d'un faible coût.
Cet article se concentrera sur ces fonctionnalités, les combinera avec les produits innovants de KAOLU et fournira une mesure spectrale de haute précision et rentable ainsi qu'un plan de mesure et de contrôle de la température et de la pression du spectromètre.

2. Méthode de mesure et de contrôle intégrée de pression et de température par spectromètre

2.1 Conception du mode de contrôle

(1) Mode de contrôle de pression
Comme mentionné précédemment, pour la plage de contrôle du spectromètre (0,1 ~ 300 kPa), la meilleure solution consiste à sélectionner le mode de mesure et de contrôle correspondant en fonction de la plage de pression spécifique utilisée. Comme le montre la figure 2-1, il est recommandé d'utiliser le mode de contrôle en amont pour la plage basse pression. Pour la plage haute pression, le mode de mesure et de contrôle en aval est adopté ; il peut également adopter le mode de contrôle bidirectionnel de contrôle simultané en amont et en aval.

Figure 2-1 Trois modes de contrôle de la pression

Le mode de contrôle en amont est adopté pour la basse pression, qui peut exercer à plusieurs reprises la vitesse de pompage de la pompe à vide, de sorte que la pression dans la chambre à vide puisse être contrôlée rapidement et avec précision. Pour les hautes pressions (telles qu'une pression d'environ 1 atmosphère), le mode de contrôle en aval peut contrôler efficacement la vitesse de pompage de la pompe à vide, de sorte que la pression dans la chambre à vide puisse être contrôlée rapidement et avec précision. Dans le même temps, le gaz de mesure et d'autres travaux à l'entrée d'air peuvent être évités. Grâce à la vanne à pointeau électronique de la série FC, le niveau de vide à l'intérieur de la chambre peut être modulé avec une haute résolution.

S'il existe des réglementations strictes sur le débit d'air d'admission et la pression dans la cavité, elles doivent être contrôlées avec précision et un mode de contrôle bidirectionnel doit être adopté. Le mode de contrôle bidirectionnel peut contrôler différents flux d'air d'admission sous une pression constante, mais le mode de contrôle bidirectionnel nécessite que le contrôleur ait une fonction de contrôle bidirectionnel, ce qui impose des exigences de capacité plus élevées pour le contrôleur. Les caractéristiques des trois modes de contrôle ci-dessus sont présentées en détail.

(2) Mode de contrôle de la température
En outre, le mode de mesure et de contrôle de la température doit être sélectionné en fonction des différentes plages de température et des exigences de précision du contrôle de la température. Par exemple, lorsque la température est proche de la température ambiante et que la précision du contrôle de la température est élevée. Cela nécessitait un mode de contrôle bidirectionnel avec des fonctions de chauffage et de refroidissement. Seul ce mode garantit une précision de contrôle de température suffisamment élevée. S'il s'agit d'une plage de température élevée, il est également recommandé d'utiliser une méthode de contrôle bidirectionnel, c'est-à-dire de se concentrer sur le chauffage et de fournir une certaine compensation de refroidissement pour améliorer la précision du contrôle de la température et la stabilité rapide de la température.

2.2 Comment choisir le capteur

La précision du capteur est la clé pour garantir la précision de la mesure et du contrôle de la pression et de la température. La sélection du capteur est donc particulièrement importante.
Pour le contrôle de la pression dans la plage ci-dessus, il est fortement recommandé d'utiliser la jauge à vide à condensateur à couche mince avec la plus grande précision. La précision de mesure de cette jauge à vide peut atteindre 0,2 % de sa lecture, et elle présente une bonne linéarité sur toute la plage, ce qui est très facile à connecter. Le contrôleur effectue un contrôle linéaire avec une haute résolution et une faible dérive de température. Lors de la sélection proprement dite, il est nécessaire de sélectionner un vacuomètre avec une plage appropriée en fonction de différentes plages de pression. Pour la plage de pression mentionnée ci-dessus de 0,1 à 300 kPa, deux types de jauges à vide, 2 Torr et 1 000 Torr, peuvent être sélectionnés pour obtenir une couverture précise de la plage de pression.

Pour le contrôle de la température, lorsque la température n'est pas élevée, un capteur de température à thermistance offrant la plus grande précision de mesure est fortement recommandé. Une thermistance haute température ou un capteur de température à résistance en platine sont également recommandés pour les températures plus élevées. Si la température de chauffage dépasse la plage d'utilisation de la thermistance et du capteur à résistance platine, il est recommandé d'utiliser un capteur de température de type thermocouple. Ces capteurs de température nécessitent un étalonnage avant utilisation.

2.3 Comment choisir l'actionneur

L'actionneur de contrôle de pression est la clé pour déterminer si un contrôle constant de haute stabilité peut être obtenu. Comme le montre la figure 2-2, il est fortement recommandé d'utiliser une vanne à pointeau électronique entraînée par un moteur pas à pas avec une faible linéarité et une faible hystérésis, et il n'est pas recommandé d'utiliser une électrovanne proportionnelle avec une hystérésis et une erreur de contrôle importantes. Une vanne à pointeau électronique peut être disposée au niveau de l'entrée d'air et de la sortie de gaz, ou une vanne à pointeau électronique peut être disposée en fonction de la sélection du mode de contrôle en amont ou en aval. Si la chambre à vide du spectromètre est grande, la vanne à pointeau électronique doit être remplacée par une vanne à commande électronique avec un diamètre et un débit plus grands afin d'obtenir plus rapidement un contrôle de pression constante. Veuillez visiterhttps://www.genndih.com/fr/valve-de-contrôle-de-débit-proportionnel.htm

Il est recommandé d'utiliser une feuille thermoélectrique semi-conductrice à effet Peltier pour l'actionneur de régulation de température. Cette feuille thermoélectrique a un mode de fonctionnement bidirectionnel de chauffage et de refroidissement. Avec une thermistance et un contrôleur de haute précision, un contrôle de température de très haute précision peut être obtenu, ce qui est très approprié pour les spectromètres avec contrôle de température de petites chambres de travail.

Si la chambre de travail du spectromètre est grande et que la température est inférieure à 300 °C, il est recommandé d'utiliser un bain de circulation d'échappement externe avec fonction de chauffage et de refroidissement pour le chauffage. Ce bain à circulation a également une fonction de chauffage et de refroidissement et peut atteindre une précision de contrôle de température élevée.

Si le spectromètre fonctionne à une température plus élevée, il est recommandé d'utiliser un fil de résistance ou une méthode de chauffage léger, et en même temps, il est équipé d'un certain dispositif de ventilation et de refroidissement pour améliorer la vitesse de réponse du chauffage, assurant ainsi la stabilité et la vitesse. du contrôle de la température.

2.4 Comment choisir le contrôleur

Le contrôleur est la dernière garantie pour obtenir une mesure et un contrôle de pression et de température de haute précision et de haute stabilité. Dans la conception du contrôle de pression, le contrôleur doit être sélectionné en fonction du vacuomètre et de l'actionneur choisis. Pour l'introduction détaillée de la sélection, veuillez vous référer à la littérature [10]. Selon les calculs de la littérature, si l'on veut garantir la précision de la mesure et du contrôle de la pression, un certain nombre de collecteurs numériques d'au moins 16 bits doivent être utilisés. De même, la précision de la mesure et du contrôle de la température est également déterminée par le nombre de capteurs numériques. Par conséquent, pour le contrôle de la pression et de la température dans le spectromètre, il est recommandé d'utiliser le contrôleur d'acquisition A/D 24 bits développé par KAOLU avec la plus grande précision et rentabilité, et combiné avec la fonction de contrôle des paramètres PID.

Selon la sélection ci-dessus, le schéma final de mesure et de contrôle de la pression et de la température est illustré à la figure 2-3.

En particulier, il convient de souligner que le contrôle de la pression et de la température mentionné ci-dessus adopte essentiellement un mode de contrôle bidirectionnel. Ce contrôleur de haute précision développé par nos soins possède cette fonction. De plus, dans l’application pratique du spectromètre, la pression et la température doivent être contrôlées en même temps. Deux contrôleurs contrôlant la vanne à pointeau électronique peuvent être utilisés respectivement, mais le volume global du spectromètre correspondant augmente, le fonctionnement devient compliqué et le coût augmente. Le contrôleur de haute précision désormais recommandé est un contrôleur PID à double canal. Deux canaux peuvent contrôler indépendamment différents paramètres PID et effectuer un réglage automatique des paramètres PID en même temps, et chaque canal dispose d'une fonction de contrôle bidirectionnel. Il simplifie efficacement le contrôleur et réduit la taille et le coût de l'instrument.

3. Conclusion

En résumé, grâce à l'analyse des exigences de mesure et de contrôle de la pression et de la température du spectromètre, le schéma technique détaillé de mesure et de contrôle de la température et de la pression est déterminé. Les bases de détermination du schéma et les paramètres techniques des composants sélectionnés correspondants sont présentés en détail. L'utilisation d'une vanne à pointeau électronique de la série FC dans une modulation en boucle fermée permet à l'utilisateur de contrôler le niveau de pression avec une haute précision.

L'ensemble de la solution technique peut répondre pleinement aux exigences de mesure de spectre et de spectromètre pour la mesure et le contrôle de la pression et de la température, et présente les caractéristiques d'une précision de mesure et de contrôle élevée, de fonctions puissantes, d'une large gamme d'applications, d'une intégration facile et d'un faible coût. À l'exception du vacuomètre à condensateur à couche mince qui est un produit importé (le vacuomètre localisé est également facultatif), tous les composants et instruments sélectionnés dans le schéma sont fabriqués à Taiwan.