Контроль температуры и давления спектрометра

Аннотация: Спектральные измерения и спектрометр являются важными техническими средствами обнаружения и мониторинга. Чтобы обеспечить удовлетворительную точность измерений, спектрометру требуются высокоточные датчики давления и температуры, приводы и ПИД-регуляторы, а также он должен обладать характеристиками широкого спектра применений, высокой точностью, простой интеграцией и низкой стоимостью. В этой статье будут рассмотрены характеристики спектрометрического контроля давления и температуры в сочетании с инновационными продуктами электронного игольчатого клапана серии KAOLU FC. Также предоставляет высокоточные и недорогие высокопроизводительные измерения спектра, спектрометрические измерения температуры и давления, а также программу управления.

1. Формулировка вопроса

Как качественный и количественный метод научного анализа, спектральные измерения стали важной технической мерой в различных исследованиях по обнаружению и мониторингу благодаря своим преимуществам, заключающимся в высокой точности измерений и быстрой скорости реакции. Однако в практических приложениях изменения давления и температуры измеряемого газа могут повлиять на результаты измерений. Ниже приведены некоторые исследования, проведенные в стране и за рубежом по контролю температуры и давления при спектральных измерениях и характеристикам воздействия:

1. ①. Диапазон регулирования давления

Разные спектрометры и спектрометры предъявляют разные требования к диапазону регулирования давления. Например, в инфракрасной спектроскопии, в которой используется газовая кюретка, интенсивность пика поглощения может быть достигнута путем регулирования давления измеряемого газа. Общий диапазон давления составляет 0,5 ~ 60 кПа. При использовании технологии перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS) для измерения концентрации углекислого газа в атмосфере требуется стабильное давление в диапазоне 6 ~ 101 кПа. При точном контроле давления внутри детектора рентгеновского спектрометра плотность рабочего газа должна быть стабилизирована для обеспечения точности измерений детектора. Как правило, давление следует контролировать на уровне примерно одного атмосферного давления или выше, в то время как рабочее давление спектрометра лазерно-индуцированного пробоя должно составлять до 275 кПа. Видно, что диапазон регулирования давления рабочего газа в спектрометре относительно широк, обычно в диапазоне 0,1 ~ 300 кПа, что в основном охватывает диапазон давления на 4 порядка от вакуумного отрицательного давления до трехкратного атмосферного давления.

1. ②. Точность контроля давления

При спектральном тестировании соотношение между наблюдаемой интенсивностью спектральной линии и реальной плотностью газа зависит от давления пробы газа, поэтому точность контроля давления напрямую определяет точность измерения спектра. Например, точность регулирования давления в спектроанализаторе компании Picarro составляет ±0,0005 атмосферы (степень колебаний ±0,05% при давлении в 1 атмосферу). В литературе [1] сообщается, что абсорбционный резервуар контролировался, когда установленное давление составляло 6,67 кПа. После четырех часов непрерывного контроля колебание давления составило ±3,2Па, а скорость колебания составила ±0,047%. В литературе [2] сообщается, что когда давление газа в ячейке для образца также контролировалось на уровне 6,67 кПа, диапазон долговременных колебаний давления составлял 7 Па, а скорость колебаний составляла ± 0,047%. В литературе [3] сообщается об измерении стабильности лазерной инфракрасной многопроходной системы контроля давления в ячейке. Целевое давление было установлено на уровне 60 Торр, максимальное колебание составляло ±0,04 Торр в течение 150–200 с, а скорость колебаний составляла ±0,067%. В литературе [4] особо сообщается о разработке и исследовании высокоточной системы контроля температуры и давления спектроскопического измерителя. Целевое значение давления составляет 18,665 кПа, постоянный контроль давления в течение 42 часов, максимальное отклонение составляет 5,33 Па, а скорость колебаний составляет ± 0,014%. В литературе [5] представлены результаты контроля постоянного давления детектора рентгеновского спектрометра. При постоянном давлении рабочего газа 940 гПа колебание составляло менее ± 2 гПа, а скорость колебания составляла ± 2%. В литературе [6] представлена технология контроля постоянного давления рентгеновского фотоэлектрического спектрометра в диапазоне давлений 0,05–30 мбар. Когда заданное значение составляет 0,1 мбар, постоянная точность может достигать ± 0,001 мбар, а уровень колебаний составляет ± 1%.

1. ③. Точность контроля температуры

В спектральном тесте Связь между интенсивностью спектральных линий и истинной плотностью газа также зависит от температурной стабильности пробы газа. Стабильность температуры также влияет на стабильность давления. В литературе [2] сообщается, что температура газа в ячейке с образцом контролировалась при комнатной температуре (24°С), кратковременное колебание температуры составляет ±0,01°С, долговременный температурный дрейф составляет ±0,025°С, а уровень колебаний составляет ±0,1%. В литературе [4] сообщается, что в высокоточной системе контроля температуры спектрометра температура контролируется на уровне 45°C, а колебания температуры в течение 42 часов составляют ±0,0015°C, а скорость колебаний составляет менее ±0,004%.

Подводя итог, можно сказать, что изменения давления и температуры измеряемого газа являются основными факторами, влияющими на результаты измерений. Таким образом, при спектральных измерениях и различных спектрометрах регулировка давления, температуры и контроль пробы газа предъявляют следующие требования:
(1) Диапазон регулирования давления очень широк. (0,1~300 кПа), но соответствующая точность измерения и управления действительно высока, что предъявляет высокие требования к датчикам измерения давления, регулирующим клапанам, вакуумным насосам и соответствующим контроллерам. Эти четыре компонента в этой системе управления с обратной связью должны соответствовать друг другу; в противном случае трудно получить удовлетворительные результаты.
(2) Аналогично в процессе высокоточного контроля температуры используются соответствующие датчики температуры, нагревательные устройства, источник питания и контроллер. Эти четыре компонента в системе регулирования температуры также должны соответствовать друг другу.
(3) Высокоточные контроллеры будут использоваться в двух замкнутых системах регулирования давления и температуры. Чтобы снизить стоимость эксперимента и стоимость спектрометра, мы хотим использовать высокоточный контроллер с двумя одновременными функциями автоматического ПИД-регулирования.
(4) Поскольку основное внимание уделяется различным спектральным измерениям и спектрометрам, их испытательные структуры не одинаковы, что требует независимости каждого компонента в системе контроля температуры и давления. Таким образом, выгодна интеграция испытательного устройства и спектрометра.  
В целом, чтобы получить удовлетворительную точность спектральных измерений, необходимы высокоточные датчики давления и температуры и исполнительные механизмы. Они обладают характеристиками широкого диапазона применения, высокой точностью, простотой интеграции и низкой стоимостью.
В этой статье основное внимание будет уделено этим функциям, их сочетанию с инновационными продуктами KAOLU и обеспечению высокоточных и экономичных спектральных измерений, а также плана измерения и контроля температуры и давления спектрометра.

2. Спектрометрический метод комплексного измерения и контроля давления и температуры.

2.1 Конструкция режима управления

(1) Режим контроля давления
Как упоминалось ранее, для диапазона регулирования спектрометра (0,1–300 кПа) лучшим решением является выбор соответствующего режима измерения и управления в соответствии с конкретным используемым диапазоном давления. Как показано на Рисунке 2-1, для диапазона низкого давления рекомендуется использовать режим управления выше по потоку. Для диапазона высокого давления применяется режим измерения и управления на выходе; он также может использовать режим двустороннего управления с одновременным управлением вверх и вниз по потоку.

Рисунок 2-1 Три режима контроля давления

Режим управления вверх по потоку применяется для низкого давления, которое может многократно увеличивать скорость откачки вакуумного насоса, так что давление в вакуумной камере можно быстро и точно контролировать. При высоком давлении (например, около 1 атмосферы) режим управления на выходе может эффективно контролировать скорость откачки вакуумного насоса, так что давление в вакуумной камере можно контролировать быстро и точно. В то же время можно избежать отбора проб газа и других работ на входе воздуха. Используя электронный игольчатый клапан серии FC, уровень вакуума внутри камеры можно модулировать с высоким разрешением.

Если существуют строгие правила в отношении расхода всасываемого воздуха и давления в полости, их необходимо точно контролировать и использовать двусторонний режим управления. Режим двустороннего управления может управлять различными потоками всасываемого воздуха под постоянным давлением, но режим двустороннего управления требует, чтобы контроллер имел функцию двустороннего управления, что предъявляет более высокие требования к производительности контроллера. Подробно представлены характеристики трех вышеуказанных режимов управления.

(2) Режим контроля температуры
Кроме того, режим измерения и контроля температуры следует выбирать в соответствии с различными диапазонами температур и требованиями к точности контроля температуры. Например, когда температура близка к комнатной и точность контроля температуры высока. Требовался двусторонний режим управления с функциями обогрева и охлаждения. Только в этом режиме обеспечивается достаточно высокая точность регулирования температуры. Если температура находится в диапазоне высоких температур, также рекомендуется использовать двусторонний метод управления, то есть сосредоточиться на нагреве и обеспечить определенную компенсацию охлаждения для повышения точности контроля температуры и быстрой стабильности температуры.

2.2 Как выбрать датчик

Точность датчика является ключом к обеспечению точности измерения и контроля давления и температуры, поэтому выбор датчика особенно важен.
Для контроля давления в указанном выше диапазоне настоятельно рекомендуется использовать тонкопленочный конденсаторный вакуумметр с максимальной точностью. Точность измерения этого вакуумметра может достигать 0,2% от показаний, он имеет хорошую линейность во всем диапазоне, что очень легко подключить. Контроллер осуществляет линейное управление с высоким разрешением и небольшим температурным дрейфом. При фактическом выборе необходимо выбрать вакуумметр с подходящим диапазоном в соответствии с различными диапазонами давления. Для вышеупомянутого диапазона давления 0,1–300 кПа можно выбрать два типа вакуумметров: 2 Торр и 1000 Торр, чтобы обеспечить точный охват диапазона давления.

Для контроля температуры, когда температура невысокая, настоятельно рекомендуется использовать термисторный датчик температуры с высочайшей точностью измерения. Для более высоких температур также рекомендуется использовать высокотемпературный термистор или датчик температуры с платиновым сопротивлением. Если температура нагрева превышает диапазон использования термистора и платинового датчика сопротивления, рекомендуется использовать датчик температуры типа термопары. Эти датчики температуры требуют калибровки перед использованием.

2.3 Как выбрать привод

Привод регулирования давления является ключом к определению возможности достижения постоянного контроля с высокой стабильностью. Как показано на рисунке 2-2, настоятельно рекомендуется использовать электронный игольчатый клапан, приводимый в движение шаговым двигателем с небольшой линейностью и гистерезисом, и не рекомендуется использовать пропорциональный электромагнитный клапан с большим гистерезисом и погрешностью управления. Электронный игольчатый клапан может быть установлен на впуске воздуха и выходе газа, или электронный игольчатый клапан может быть установлен в соответствии с выбором режима управления на входе или выходе. Если вакуумная камера спектрометра большая, электронный игольчатый клапан необходимо заменить клапаном с электронным управлением большего диаметра и скорости потока, чтобы быстрее достичь постоянного контроля давления. Пожалуйста, посетитеhttps://www.genndih.com/ru/proportional-flow-control-valve.htm

В качестве исполнительного механизма регулирования температуры рекомендуется использовать полупроводниковый термоэлектрический лист с эффектом Пельтье. Этот термоэлектрический лист имеет двусторонний рабочий режим нагрева и охлаждения. С помощью высокоточного термистора и контроллера можно добиться сверхточного контроля температуры, что очень подходит для спектрометров с контролем температуры небольших рабочих камер.

Если рабочая камера спектрометра большая и температура ниже 300 °С, для нагрева рекомендуется использовать внешнюю вытяжную циркуляционную ванну с функцией нагрева и охлаждения. Эта циркуляционная ванна также имеет функции нагрева и охлаждения и обеспечивает высокую точность контроля температуры.

Если спектрометр работает при более высокой температуре, рекомендуется использовать резистивную проволоку или метод легкого нагрева, и в то же время он оснащен определенным устройством вентиляции и охлаждения для улучшения скорости реакции нагрева, тем самым обеспечивая стабильность и скорость. контроля температуры.

2.4 Как выбрать контроллер

Контроллер является последней гарантией достижения высокоточного и стабильного измерения и контроля давления и температуры. При проектировании управления давлением контроллер необходимо выбирать в соответствии с выбранным вакуумметром и приводом. Подробное описание выбора можно найти в литературе [10]. Согласно расчетам литературы, для обеспечения точности измерения и регулирования давления необходимо использовать ряд цифровых коллекторов с разрядностью не менее 16 бит. Аналогично точность измерения и регулирования температуры также определяется количеством цифровых коллекторов. Поэтому для контроля давления и температуры в спектрометре рекомендуется использовать 24-битный аналого-цифровой контроллер сбора данных, разработанный KAOLU с высочайшей точностью и экономичностью и совмещенный с функцией управления параметрами ПИД.

В соответствии с вышеуказанным выбором окончательная схема измерения и контроля давления и температуры показана на рисунке 2-3.

В частности, следует отметить, что вышеупомянутое регулирование давления и температуры в основном использует двусторонний режим управления. Разработанный нами высокоточный контроллер имеет такую функцию. Кроме того, при практическом применении спектрометра необходимо одновременно контролировать давление и температуру. Можно использовать два контроллера, управляющих электронным игольчатым клапаном, соответственно, но общий объем соответствующего спектрометра увеличивается, эксплуатация усложняется и стоимость увеличивается. В настоящее время рекомендуемым высокоточным регулятором является двухканальный ПИД-регулятор. Два канала могут независимо управлять различными параметрами ПИД и одновременно выполнять автонастройку параметров ПИД, и каждый канал имеет функцию двустороннего управления. Это эффективно упрощает контроллер и уменьшает размер и стоимость прибора.

3. Заключение

Подводя итог, путем анализа требований к измерению давления и температуры и контролю спектрометра определяется подробная техническая схема измерения и контроля температуры и давления. Подробно изложены основы определения схемы и технических параметров соответствующих выбранных компонентов. Использование электронного игольчатого клапана серии FC в модуляции с замкнутым контуром позволяет пользователю контролировать уровень давления с высокой точностью.

Все техническое решение может полностью соответствовать требованиям измерения спектра и спектрометра для измерения и контроля давления и температуры и обладает характеристиками высокой точности измерения и контроля, мощными функциями, широким спектром применения, простой интеграцией и низкой стоимостью. За исключением того, что тонкопленочный конденсаторный вакуумметр является импортным продуктом (локализованный вакуумметр также является опциональным), все выбранные компоненты и приборы в схеме производятся на Тайване.