Control de temperatura y presión del espectrómetro

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Control de temperatura y presión del espectrómetro

Resumen: La medición espectral y el espectrómetro son medidas técnicas importantes en la detección y el control. Para obtener una precisión de medición satisfactoria, el espectrómetro requiere transductores de presión y temperatura de alta precisión, actuadores y controladores PID, y debe tener las características de una amplia gama de aplicaciones, alta precisión, fácil integración y bajo coste. Este artículo se centrará en las características del control de presión y temperatura del espectrómetro, en combinación con los innovadores productos de la válvula de aguja electrónica de la serie FC de KaoLu. También da una alta precisión y bajo costo de alto rendimiento de medición del espectro, la temperatura del espectrómetro y la medición de la presión y el programa de control.

1. La formulación de la pregunta

Como método de análisis científico cualitativo y cuantitativo, la medición espectral se ha convertido en una medida técnica importante en diversas investigaciones de detección y control debido a sus ventajas de alta precisión de medición y rápida velocidad de respuesta. Sin embargo, en las aplicaciones prácticas, los cambios de presión y temperatura del gas de muestra afectarán a los resultados de la medición. A continuación se presentan algunos de los trabajos de investigación realizados en el país y en el extranjero sobre el control de la temperatura y la presión en la medición espectral y las características del impacto:

  1. ①. Rango de control de la presión

Diferentes espectrómetros y espectrómetros tienen diferentes requisitos para el rango de control de la presión. Por ejemplo, en la espectroscopia de infrarrojos que utiliza cureta de gas, la intensidad del pico de absorción se puede conseguir ajustando la presión del gas de muestra. El rango de presión general es de 0,5 ~ 60kPa. Cuando se utiliza la tecnología de espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable (TDLAS) para medir la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, se requiere una presión estable en el rango de 6~101kPa. En el control preciso de la presión dentro del detector del espectrómetro de rayos X, la densidad del gas de trabajo debe estabilizarse para garantizar la precisión de la medición del detector. Generalmente, la presión debe ser controlada en torno a una presión atmosférica o superior, mientras que la presión de trabajo del espectrómetro de ruptura inducida por láser debe ser de hasta 275kPa. Se puede observar que el rango de control de la presión del gas de trabajo en el espectrómetro es relativamente amplio, generalmente en el rango de 0,1~300kPa, que básicamente cubre el rango de presión de 4 órdenes de magnitud desde la presión negativa del vacío hasta 3 veces la presión atmosférica.

  1. ②. Precisión del control de la presión

En la prueba de espectros, la relación entre la intensidad de la línea espectral observada y la densidad real del gas depende de la presión de la muestra de gas, por lo que la precisión del control de la presión determina directamente la precisión de la medición espectral. Por ejemplo, la precisión del control de la presión en el analizador de espectros de la empresa Picarro es de ±0,0005 atmósferas (tasa de fluctuación de ±0,05%@1 atmósfera de presión). En la literatura [1] se informa de que el tanque de absorción se controló cuando la presión establecida era de 6,67kPa. Tras cuatro horas de control continuo, la fluctuación de la presión era de ±3,2Pa, y la tasa de fluctuación era de ±0,047%. La literatura [2] informó que cuando la presión del gas en una celda de muestra también se controló a 6,67kPa, el rango de fluctuación a largo plazo de la presión fue de 7Pa, y la tasa de fluctuación fue de ±0,047%. La literatura [3] informó de la medición de la estabilidad del sistema de control de la presión de la célula de paso múltiple por láser. La presión objetivo se fijó en 60 Torr, la fluctuación máxima fue de ±0,04 Torr en 150~200s, y la tasa de fluctuación fue de ±0,067%. La literatura [4] informó especialmente sobre el diseño y la investigación del sistema de control de temperatura y presión de alta precisión del instrumento de medición espectroscópica. El valor de la presión objetivo es de 18,665kPa, el control de la presión constante durante 42 horas, la desviación máxima es de 5,33Pa, y la tasa de fluctuación es de ±0,014%. La literatura [5] introdujo los resultados del control de presión constante del detector en el espectrómetro de rayos X. Durante la presión constante del gas de trabajo a 940 hPa, la fluctuación fue inferior a ± 2 hPa, y la tasa de fluctuación fue de ± 2%. La literatura [6] introdujo la tecnología de control de presión constante del espectrómetro fotoeléctrico de rayos X en el rango de presión de 0,05~30mbar. Cuando el valor establecido es de 0,1mbar, la precisión constante puede alcanzar ±0,001mbar, y la tasa de fluctuación es de ±1%.

  1. ③. Precisión del control de la temperatura

En la prueba de espectros, la relación entre la intensidad de la línea espectral y la densidad real del gas también depende de la estabilidad de la temperatura de la muestra de gas. La estabilidad de la temperatura también afectaría a la estabilidad de la presión. La literatura [2] informó que la temperatura del gas en la celda de la muestra se controló a temperatura ambiente (24°C), la fluctuación de la temperatura a corto plazo es de ±0,01°C, la deriva de la temperatura a largo plazo es de ±0,025°C, y la tasa de fluctuación es de ±0,1%. La literatura [4] informó de que el sistema de control de temperatura de alta precisión del espectrómetro, la temperatura se controla a 45°C, y la fluctuación de temperatura en 42 horas es de ±0,0015°C, y la tasa de fluctuación es inferior a ±0,004%.

En resumen, los cambios de presión y temperatura del gas de muestra son los principales factores que afectan a los resultados de la medición. Así que en la medición espectral y varios espectrómetros, la presión, el ajuste de la temperatura y el control del gas de muestra tiene los siguientes requisitos:
(1) El rango de control de la presión es muy amplio (0,1~300kPa), pero la precisión de medición y control correspondiente es realmente alta, lo que plantea grandes exigencias a los sensores de medición de la presión, las válvulas de control, las bombas de vacío y los controladores correspondientes. Estos cuatro componentes de este sistema de control de bucle cerrado deben coincidir entre sí; de lo contrario, es difícil obtener resultados satisfactorios.
(2) Del mismo modo, en el proceso de control de temperatura de alta precisión, los sensores de temperatura adecuados, los dispositivos de calentamiento, la fuente de alimentación y el controlador. Estos cuatro componentes en el sistema de control de lazo cerrado de temperatura también deben coincidir entre sí.
(3) Se utilizarán controladores de alta precisión en los dos sistemas de control de bucle cerrado de la presión y la temperatura. Para reducir el coste experimental y el coste del espectrómetro, queremos utilizar un controlador de alta precisión con 2 funciones de control automático PID simultáneas.
(4) Centrándose en diferentes mediciones espectrales y espectrómetros, sus estructuras de prueba no son las mismas, lo que requiere la independencia de cada componente en el sistema de control de temperatura y presión. De esta manera, es beneficioso para la integración del dispositivo de prueba y el espectrómetro. 
En general, para obtener la exactitud satisfecha de la medición espectral, se requieren sensores y actuadores de presión y temperatura de alta precisión, que tienen las características de amplio rango de aplicación, alta precisión, fácil integración y bajo coste.
Este artículo se centrará en estas características, se combinan con los productos innovadores de KaoLu y proporcionan una medición espectral de alta precisión y rentable y un plan de medición y control de la temperatura y la presión del espectrómetro.

2. Método de medición y control integrado de la presión y la temperatura del espectrómetro

2.1 Diseño del modo de control

(1) Modo de control de la presión
Como se ha mencionado anteriormente, para el rango de control del espectrómetro (0,1~300kPa), la mejor solución es seleccionar el modo de medición y control correspondiente según el rango de presión específico utilizado. Como se muestra en la Figura 2-1, se recomienda utilizar el modo de control ascendente para el rango de baja presión. Para el rango de alta presión, se adopta el modo de medición y control aguas abajo; también puede adoptar el modo de control bidireccional de control simultáneo aguas arriba y aguas abajo.



Figura 2-1 Tres modos de control de la presión

El modo de control aguas arriba se adopta para la baja presión, que puede ejercer repetidamente la velocidad de bombeo de la bomba de vacío, de modo que la presión en la cámara de vacío puede ser controlada rápidamente y con precisión. Para la alta presión (como la presión de aproximadamente 1 atmósfera), el modo de control aguas abajo puede controlar eficazmente la velocidad de bombeo de la bomba de vacío, de modo que la presión en la cámara de vacío puede ser controlada de forma rápida y precisa. Al mismo tiempo, se puede evitar el gas de muestra y otros trabajos en la entrada de aire. Utilizando la válvula de aguja electrónica de la serie FC, el nivel de vacío dentro de la cámara puede ser modulado con alta resolución.

Si existen regulaciones estrictas sobre el flujo de aire de admisión y la presión de la cavidad, es necesario controlarlas con precisión y adoptar el modo de control de dos vías. El modo de control bidireccional puede controlar diferentes caudales de aire de admisión bajo una presión constante, pero el modo de control bidireccional requiere que el controlador tenga una función de control bidireccional, lo que plantea mayores requisitos de capacidad para el controlador. Las características de los tres modos de control mencionados se presentan en detalle.

(2) Modo de control de la temperatura
Además, el modo de medición y control de la temperatura debe seleccionarse en función de los diferentes rangos de temperatura y los requisitos de precisión del control de la temperatura. Por ejemplo, cuando la temperatura está cerca de la temperatura ambiente y la precisión del control de la temperatura es alta. Se requiere un modo de control bidireccional con funciones de calefacción y refrigeración. Sólo este modo para garantizar una precisión de control de temperatura suficientemente alta. Si se trata de un rango de temperatura alto, también se recomienda utilizar un método de control bidireccional, es decir, centrarse en la calefacción y suministrar una cierta compensación de refrigeración para mejorar la precisión del control de la temperatura y la estabilidad de la temperatura rápida.

2.2 Cómo elegir el sensor

La precisión del sensor es la clave para garantizar la precisión de la medición y el control de la presión y la temperatura, por lo que la selección del sensor es especialmente importante.
Para el control de la presión en el rango anterior, se recomienda encarecidamente utilizar el vacuómetro de condensador de película fina con la mayor precisión. La precisión de medición de este vacuómetro puede alcanzar 0,2% de su lectura, y tiene una buena linealidad en todo el rango, que es muy fácil de conectar. El controlador realiza un control lineal con alta resolución y pequeña deriva de temperatura. En la selección real, es necesario seleccionar un vacuómetro con un rango adecuado según los diferentes rangos de presión. Para el rango de presión antes mencionado de 0,1~300kPa, se pueden seleccionar dos tipos de vacuómetros, de 2 Torr y de 1000 Torr, para conseguir una cobertura precisa del rango de presión.

Para el control de la temperatura, cuando la temperatura no es alta, se recomienda encarecidamente el sensor de temperatura de termistor con la mayor precisión de medición. También se recomienda el sensor de temperatura de termistor de alta temperatura o de resistencia de platino para temperaturas más altas. Si la temperatura de calentamiento excede el rango de uso del termistor y del sensor de resistencia de platino, se recomienda utilizar un sensor de temperatura tipo termopar. Estos sensores de temperatura requieren una calibración antes de su uso.

2.3 Cómo elegir el actuador

El actuador de control de presión es la clave para determinar si se puede conseguir un control constante de alta estabilidad. Como se muestra en la Figura 2-2, se recomienda encarecidamente utilizar una válvula de aguja electrónica accionada por un motor paso a paso con una pequeña linealidad e histéresis, y no se recomienda utilizar una válvula de solenoide proporcional con una gran histéresis y error de control. La válvula de aguja electrónica puede disponerse en la entrada de aire y en la salida de gas, o puede disponerse una válvula de aguja electrónica según la selección del modo de control aguas arriba o aguas abajo. Si la cámara de vacío del espectrómetro es grande, la válvula de aguja electrónica debe ser sustituida por una válvula controlada electrónicamente con mayor diámetro y velocidad de flujo para lograr un control de presión constante más rápido. Por favor, visite https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm


Se recomienda utilizar una lámina termoeléctrica semiconductora con efecto Peltier para el actuador de control de temperatura. Esta lámina termoeléctrica tiene un modo de trabajo bidireccional de calentamiento y enfriamiento. Con un termistor y un controlador de alta precisión, se puede conseguir un control de temperatura de altísima precisión, lo que es muy adecuado para los espectrómetros con control de temperatura de cámaras de trabajo pequeñas.

Si la cámara de trabajo del espectrómetro es grande y la temperatura es inferior a 300 °C, se recomienda utilizar un baño de circulación de escape externo con función de calentamiento y enfriamiento para la calefacción. Este baño de circulación también tiene función de calentamiento y enfriamiento y puede lograr una alta precisión de control de la temperatura.

Si el espectrómetro trabaja a una temperatura más alta, se recomienda utilizar un cable de resistencia o un método de calentamiento por luz, y al mismo tiempo, se equipa con un cierto dispositivo de ventilación y refrigeración para mejorar la velocidad de respuesta del calentamiento, asegurando así la estabilidad y la velocidad del control de la temperatura.

2.4 Cómo elegir el controlador

El controlador es la última garantía para conseguir una medición y control de la presión y la temperatura de alta precisión y estabilidad. En el diseño del control de la presión, el controlador debe ser seleccionado de acuerdo con el manómetro y el actuador elegidos. Para la introducción detallada de la selección, por favor refiérase a la literatura [10]. De acuerdo con los cálculos de la literatura, si se quiere garantizar la precisión de la medición y el control de la presión, se debe utilizar un número de colector digital con al menos 16 bits. Del mismo modo, la precisión de la medición y el control de la temperatura también está determinada por el número de colectores digitales. Por lo tanto, para el control de la presión y la temperatura en el espectrómetro, se recomienda utilizar el controlador de adquisición A/D de 24 bits desarrollado por KaoLu con la mayor precisión y rentabilidad, y combinado con la función de control de parámetros PID.

De acuerdo con la selección anterior, el esquema final de medición y control de presión y temperatura se muestra en la Figura 2-3.

En particular, cabe señalar que el control de presión y temperatura mencionado anteriormente adopta básicamente un modo de control bidireccional. Este controlador de alta precisión desarrollado por nosotros tiene esta función. Además, en la aplicación práctica del espectrómetro, la presión y la temperatura deben ser controladas al mismo tiempo. Se pueden utilizar dos controladores que controlen la válvula de aguja electrónica respectivamente, pero el volumen total del espectrómetro correspondiente aumenta, el funcionamiento se complica y el coste se incrementa. En la actualidad, el controlador de alta precisión recomendado es un controlador PID de doble canal. Dos canales pueden controlar independientemente diferentes parámetros PID y realizar el autoajuste de los parámetros PID al mismo tiempo, y cada canal tiene una función de control de dos vías. Simplifica eficazmente el controlador y reduce el tamaño y el coste del instrumento.

3. Conclusión

En resumen, mediante el análisis de los requisitos de medición y control de la presión y la temperatura del espectrómetro, se determina el esquema técnico detallado de medición y control de la temperatura y la presión. La base para la determinación del esquema y los parámetros técnicos de los correspondientes componentes seleccionados se presentan en detalle. El uso de la válvula de aguja electrónica de la serie FC en una modulación de bucle cerrado permite al usuario controlar el nivel de presión con gran precisión.

Toda la solución técnica puede satisfacer plenamente los requisitos de la medición del espectro y el espectrómetro para la medición y el control de la presión y la temperatura, y tiene las características de alta precisión de medición y control, potentes funciones, amplio rango de aplicación, fácil integración y bajo coste. Excepto el vacuómetro de condensador de película fina, que es un producto importado (el vacuómetro localizado también es opcional), todos los componentes e instrumentos seleccionados en el esquema se fabrican en Taiwán.