분광계 온도 및 압력 제어

개요: 스펙트럼 측정 및 분광계는 감지 및 모니터링에 있어 중요한 기술적 조치입니다. 만족스러운 측정 정확도를 얻으려면 분광계는 고정밀 압력 및 온도 변환기, 액추에이터 및 PID 컨트롤러가 필요하며 광범위한 응용, 높은 정밀도, 쉬운 통합 및 저렴한 비용의 기능을 갖추어야 합니다. 이 기사에서는 KAOLU FC 시리즈 전자 니들 밸브의 혁신적인 제품과 결합된 분광계 압력 및 온도 제어의 특성에 중점을 둘 것입니다. 또한 고정밀, 저비용 고성능 스펙트럼 측정, 분광계 온도 및 압력 측정 및 제어 프로그램을 제공합니다.

1. 질문의 공식화

스펙트럼 측정은 정성적, 정량적 과학적 분석 방법으로서 높은 측정 정확도와 빠른 응답 속도라는 장점으로 인해 다양한 탐지 및 모니터링 연구에서 중요한 기술적 측정 방법으로 자리잡고 있습니다. 그러나 실제 적용에서는 샘플 가스의 압력과 온도 변화가 측정 결과에 영향을 미칩니다. 분광측정에 있어서 온도 및 압력제어와 충격특성에 관한 국내외 연구작업 중 일부는 다음과 같다.

1. ①. 압력 조절 범위

다양한 분광계와 분광계는 압력 제어 범위에 대한 요구 사항이 다릅니다. 예를 들어, 가스 큐렛을 사용하는 적외선 분광법에서는 샘플 가스의 압력을 조정하여 흡수 피크의 강도를 얻을 수 있습니다. 일반적인 압력 범위는 0.5 ~ 60kPa입니다. 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS) 기술을 사용하여 대기 중 이산화탄소 농도를 측정하는 경우 6~101kPa 범위의 안정적인 압력이 필요합니다. X-선 분광계의 검출기 내부 압력을 정밀하게 제어하려면 작동 가스의 밀도를 안정화해야 검출기의 측정 정확도를 보장할 수 있습니다. 일반적으로 압력은 약 1기압 이상으로 제어되어야 하며, 레이저 유도 파괴 분광계의 작동 압력은 최대 275kPa까지이어야 합니다. 분광계의 작동 가스의 압력 제어 범위는 일반적으로 0.1~300kPa 범위로 상대적으로 넓으며 기본적으로 진공 부압에서 대기압의 3배까지 4배의 압력 범위를 포괄하는 것을 볼 수 있습니다.

1. ②. 압력 제어 정확도

스펙트럼 테스트에서 관찰된 스펙트럼 선 강도와 실제 가스 밀도 사이의 관계는 가스 샘플의 압력에 따라 달라지므로 압력 제어 정확도가 스펙트럼 측정 정확도를 직접 결정합니다. 예를 들어 Picarro사의 스펙트럼 분석기의 압력 제어 정확도는 ±0.0005기압(변동률 ±0.05%@1기압)입니다. 문헌[1]에서는 설정압력이 6.67kPa일 때 흡수조를 제어한다고 보고하고 있다. 4시간 연속제어 후 압력변동은 ±3.2Pa, 변동률은 ±0.047%로 나타났다. 문헌[2]에서는 샘플 셀의 가스 압력도 6.67kPa로 제어한 경우 압력의 장기 변동 범위는 7Pa, 변동률은 ±0.047%라고 보고했습니다. 문헌[3]에서는 레이저 적외선 다중 통과 셀 압력 제어 시스템의 안정성 측정을 보고했습니다. 목표압력은 60Torr로 설정하였고, 150~200s 내 최대변동폭은 ±0.04Torr, 변동율은 ±0.067%로 설정하였다. 문헌[4]에서는 분광 측정 장비의 고정밀 온도 및 압력 제어 시스템의 설계 및 연구를 특별히 보고했습니다. 목표압력값은 18.665kPa, 42시간 정압제어, 최대편차는 5.33Pa, 변동률은 ±0.014%이다. 문헌[5]에서는 X선 분광계에서 검출기의 일정한 압력 제어 결과를 소개했습니다. 940hPa의 작동 가스의 일정한 압력 동안 변동은 ±2hPa 미만이었고 변동률은 ±2%였습니다. 문헌[6]에서는 0.05~30mbar의 압력 범위에서 X선 광전 분광계의 정압 제어 기술을 소개했습니다. 설정값이 0.1mbar일 때 일정한 정확도는 ±0.001mbar에 도달할 수 있으며 변동률은 ±1%입니다.

1. ③. 온도 조절 정확도

스펙트럼 테스트에서는 스펙트럼 선 강도와 실제 가스 밀도 간의 관계도 가스 샘플의 온도 안정성에 따라 달라집니다. 온도의 안정성은 압력의 안정성에도 영향을 미칩니다. 문헌[2]에서는 샘플 셀의 가스 온도를 실온(24°C)으로 제어했으며 단기 온도 변동은 ±0.01°C, 장기 온도 드리프트는 ±0.025°C, 변동률은 ±0.1%입니다. 문헌[4]에서는 분광계의 고정밀 온도 제어 시스템으로 온도를 45°C로 제어하며, 42시간 내 온도 변동은 ±0.0015°C, 변동률은 ±0.004% 미만이라고 보고했습니다.

요약하자면, 샘플 가스의 압력과 온도 변화는 측정 결과에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 따라서 스펙트럼 측정 및 다양한 분광계에서 샘플 가스의 압력, 온도 조정 및 제어에는 다음 요구 사항이 있습니다.
(1) 압력 제어 범위가 매우 넓습니다. (0.1~300kPa)이지만 해당 측정 및 제어 정확도가 매우 높아 압력 측정 센서, 제어 밸브, 진공 펌프 및 해당 컨트롤러에 대한 수요가 높습니다. 이 폐쇄 루프 제어 시스템의 이 네 가지 구성 요소는 서로 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 만족스러운 결과를 얻기가 어렵습니다.
(2) 고정밀 온도 제어 과정에서도 마찬가지로 적절한 온도 센서, 가열 장치, 전원 공급 장치 및 컨트롤러가 있습니다. 온도 폐쇄 루프 제어 시스템의 이 네 가지 구성 요소도 서로 일치해야 합니다.
(3) 압력과 온도의 두 가지 폐쇄 루프 제어 시스템에는 고정밀 컨트롤러가 사용됩니다. 실험 비용과 분광계 비용을 줄이기 위해 2가지 PID 자동 제어 기능을 동시에 갖춘 고정밀 컨트롤러를 사용하려고 합니다.
(4) 다양한 스펙트럼 측정 및 분광계에 초점을 맞추면 테스트 구조가 동일하지 않으므로 온도 및 압력 제어 시스템에서 각 구성 요소의 독립성이 필요합니다. 이러한 방식으로 테스트 장치와 분광계를 통합하는 데 도움이 됩니다.  
전반적으로 스펙트럼 측정의 만족스러운 정확도를 얻으려면 고정밀 압력 및 온도 센서와 액추에이터가 필요합니다. 이는 넓은 적용 범위, 고정밀, 쉬운 통합 및 저렴한 비용이라는 특징을 가지고 있습니다.
이 기사에서는 이러한 기능에 중점을 두고 KAOLU 의 혁신적인 제품과 결합하여 고정밀, 비용 효율적인 스펙트럼 측정, 분광계 온도 및 압력 측정 및 제어 계획을 제공합니다.

2. 분광계 압력 및 온도 통합 측정 및 제어 방법

2.1 제어 모드 설계

(1) 압력 제어 모드
앞에서 언급한 바와 같이 분광계의 제어 범위(0.1~300kPa)에 대해 가장 좋은 솔루션은 사용되는 특정 압력 범위에 따라 해당 측정 및 제어 모드를 선택하는 것입니다. 그림 2-1과 같이 저압 범위에서는 업스트림 제어 모드를 사용하는 것이 좋습니다. 고압 범위의 경우 다운스트림 측정 및 제어 모드가 채택됩니다. 또한 동시 업스트림 및 다운스트림 제어의 양방향 제어 모드를 채택할 수도 있습니다.

그림 2-1 3가지 압력 제어 모드

업스트림 제어 모드는 저압용으로 채택되어 진공 펌프의 펌핑 속도를 반복적으로 발휘할 수 있으므로 진공 챔버의 압력을 빠르고 정확하게 제어할 수 있습니다. 고압(예: 약 1기압)의 경우 하류 제어 모드는 진공 펌프의 펌핑 속도를 효과적으로 제어할 수 있으므로 진공 챔버의 압력을 빠르고 정확하게 제어할 수 있습니다. 동시에 공기 흡입구에서의 샘플 가스 및 기타 작업을 피할 수 있습니다. FC 시리즈 전자 니들 밸브를 사용하면 챔버 내부의 진공 수준을 고해상도로 조절할 수 있습니다.

흡입 공기 흐름과 캐비티 압력에 대한 엄격한 규제가 있는 경우 이를 정확하게 제어해야 하며 양방향 제어 모드를 채택해야 합니다. 양방향 제어 모드는 일정한 압력 하에서 다양한 흡입 공기 흐름을 제어할 수 있지만, 양방향 제어 모드에서는 컨트롤러에 양방향 제어 기능이 필요하므로 컨트롤러에 대한 더 높은 용량 요구 사항이 적용됩니다. 위의 세 가지 제어 모드의 특징을 자세히 소개합니다.

(2) 온도 조절 모드
또한 온도 측정 및 제어 모드는 다양한 온도 범위 및 온도 제어 정확도 요구 사항에 따라 선택해야 합니다. 예를 들어 온도가 실온에 가깝고 온도 제어 정확도가 높은 경우입니다. 가열 및 냉각 기능을 갖춘 양방향 제어 모드가 필요했습니다. 이 모드만이 충분히 높은 온도 제어 정확도를 보장합니다. 온도 범위가 높은 경우에는 양방향 제어 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 즉, 가열에 집중하고 특정 냉각 보상을 제공하여 온도 제어 정확도와 빠른 온도 안정성을 향상시키는 것입니다.

2.2 센서 선택 방법

압력, 온도 측정 및 제어의 정확성을 보장하려면 센서의 정확도가 중요하므로 센서 선택이 특히 중요합니다.
위 범위의 압력 제어를 위해서는 가장 정확도가 높은 박막 커패시터 진공 게이지를 사용하는 것이 좋습니다. 이 진공 게이지의 측정 정확도는 판독값의 0.2%에 도달할 수 있으며 전체 범위에서 선형성이 우수하여 연결이 매우 쉽습니다. 컨트롤러는 높은 분해능과 작은 온도 드리프트로 선형 제어를 수행합니다. 실제 선택에서는 다양한 압력 범위에 따라 적합한 범위의 진공 게이지를 선택해야 합니다. 위에서 언급한 0.1~300kPa의 압력 범위의 경우 정확한 압력 범위 커버를 달성하기 위해 2 Torr 및 1000 Torr의 두 가지 유형의 진공 게이지를 선택할 수 있습니다.

온도 제어를 위해 온도가 높지 않은 경우 측정 정확도가 가장 높은 서미스터 온도 센서를 적극 권장합니다. 더 높은 온도에는 고온 서미스터 또는 백금 저항 온도 센서도 권장됩니다. 가열 온도가 서미스터 및 백금 저항 센서의 사용 범위를 초과하는 경우 열전대형 온도 센서를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 온도 센서는 사용하기 전에 교정이 필요합니다.

2.3 액츄에이터 선정방법

압력 제어 액츄에이터는 안정성이 높고 일정한 제어가 가능한지 여부를 결정하는 핵심입니다. 그림 2-2에서 볼 수 있듯이 선형성과 히스테리시스가 작은 스테퍼 모터로 구동되는 전자 니들 밸브를 사용하는 것이 좋습니다. 히스테리시스와 제어 오류가 큰 비례 솔레노이드 밸브는 사용하지 않는 것이 좋습니다. 공기 흡입구와 가스 배출구에 전자 니들 밸브를 배치하거나 상류 또는 하류 제어 모드 선택에 따라 전자 니들 밸브를 배치할 수 있습니다. 분광계의 진공 챔버가 큰 경우 전자 니들 밸브를 직경과 유속이 더 큰 전자 제어 밸브로 교체하여 일정한 압력 제어를 더 빠르게 달성해야 합니다. 방문하시기 바랍니다https://www.genndih.com/ko/proportional-flow-control-valve.htm

온도 조절 액츄에이터에는 펠티에 효과가 있는 반도체 열전 시트를 사용하는 것이 좋습니다. 이 열전 시트에는 가열 및 냉각의 양방향 작동 모드가 있습니다. 고정밀 서미스터와 컨트롤러를 사용하면 초고정밀 온도 제어가 가능하며 이는 소규모 작업 챔버의 온도 제어 기능이 있는 분광기에 매우 적합합니다.

분광계의 작업실이 크고 온도가 300°C 미만인 경우 가열 및 냉각 기능이 있는 외부 배기 순환 욕조를 사용하여 가열하는 것이 좋습니다. 이 순환조에는 가열 및 냉각 기능도 있으며 높은 온도 제어 정확도를 달성할 수 있습니다.

분광계가 더 높은 온도에서 작동하는 경우 저항선 또는 가벼운 가열 방식을 사용하는 것이 좋으며 동시에 특정 환기 및 냉각 장치를 장착하여 가열 응답 속도를 향상시켜 안정성과 속도를 보장합니다. 온도 조절의.

2.4 컨트롤러 선택 방법

컨트롤러는 고정밀, 안정성이 높은 압력 및 온도 측정 및 제어를 보장하는 마지막 보증입니다. 압력 제어 설계에서는 선택한 진공 게이지 및 액추에이터에 따라 컨트롤러를 선택해야 합니다. 선택에 대한 자세한 소개는 문헌[10]을 참조하기 바란다. 문헌 계산에 따르면 압력 측정 및 제어의 정확성을 보장하려면 최소 16비트 이상의 디지털 수집기를 사용해야 합니다. 마찬가지로 온도 측정 및 제어의 정확도도 디지털 컬렉터의 수에 따라 결정됩니다. 따라서 분광계의 압력 및 온도 제어를 위해서는 KAOLU 에서 개발한 최고의 정확도와 비용 효율성을 갖춘 24비트 A/D 수집 컨트롤러를 사용하고 PID 매개변수 제어 기능을 결합하는 것이 좋습니다.

위의 선택에 따라 최종 압력 및 온도 측정 및 제어 방식이 그림 2-3에 표시됩니다.

특히, 위에서 언급한 압력 및 온도 제어는 기본적으로 양방향 제어 모드를 채택한다는 점에 유의해야 합니다. 당사가 개발한 고정밀 컨트롤러에는 이러한 기능이 있습니다. 또한 분광계를 실제로 적용하려면 압력과 온도를 동시에 제어해야 합니다. 전자 니들 밸브를 제어하는 두 개의 컨트롤러를 각각 사용할 수 있지만 해당 분광기의 전체 용량이 증가하고 작동이 복잡해지며 비용이 증가합니다. 이제 권장되는 고정밀 컨트롤러는 이중 채널 PID 컨트롤러입니다. 두 채널은 서로 다른 PID 매개변수를 독립적으로 제어하고 동시에 PID 매개변수의 자동 조정을 수행할 수 있으며, 각 채널에는 양방향 제어 기능이 있습니다. 이는 컨트롤러를 효과적으로 단순화하고 장비 크기와 비용을 줄입니다.

삼. 결론

요약하면, 분광계의 압력 및 온도 측정 및 제어 요구 사항 분석을 통해 세부적인 온도 및 압력 측정 및 제어 기술 방안이 결정됩니다. 선택한 해당 구성요소의 계획 및 기술 매개변수 결정을 위한 기초가 자세히 소개됩니다. 폐쇄 루프 변조에서 FC 시리즈 전자 니들 밸브를 사용하면 사용자가 고정밀도로 압력 수준을 제어할 수 있습니다.

전체 기술 솔루션은 압력 및 온도 측정 및 제어를 위한 스펙트럼 측정 및 분광계의 요구 사항을 완벽하게 충족할 수 있으며 높은 측정 및 제어 정확도, 강력한 기능, 넓은 적용 범위, 쉬운 통합 및 저렴한 비용이라는 특징을 가지고 있습니다. 박막 커패시터 진공 게이지가 수입 제품이라는 점을 제외하고(현지화된 진공 게이지도 선택 사항), 계획에서 선택한 모든 구성 요소와 기기는 대만에서 제조됩니다.