Abstract: La misurazione spettrale e lo spettrometro sono misure tecniche importanti per il rilevamento e il monitoraggio. Per ottenere un'accuratezza di misura soddisfacente, lo spettrometro richiede trasduttori di pressione e temperatura di alta precisione, attuatori e regolatori PID, e deve avere le caratteristiche di un'ampia gamma di applicazioni, alta precisione, facile integrazione e basso costo. Questo articolo si concentra sulle caratteristiche del controllo della pressione e della temperatura dello spettrometro, in combinazione con i prodotti innovativi della valvola a spillo elettronica della serie FC di KaoLu. Fornisce inoltre un programma di misurazione dello spettro ad alta precisione e a basso costo, di misurazione e controllo della temperatura e della pressione dello spettrometro.

1. La formulazione della domanda

Come metodo di analisi scientifica qualitativa e quantitativa, la misura spettrale è diventata una misura tecnica importante in varie ricerche di rilevamento e monitoraggio, grazie ai suoi vantaggi di elevata precisione di misura e velocità di risposta. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, le variazioni di pressione e temperatura del gas campione influiscono sui risultati della misurazione. Di seguito sono riportati alcuni lavori di ricerca condotti in patria e all'estero sul controllo della temperatura e della pressione nella misurazione spettrale e sulle caratteristiche dell'impatto:

1. ①. Campo di controllo della pressione

Spettrometri e spettrometri diversi hanno requisiti diversi per il campo di controllo della pressione. Ad esempio, nella spettroscopia a infrarossi che utilizza curette di gas, l'intensità del picco di assorbimento può essere ottenuta regolando la pressione del gas campione. L'intervallo di pressione generale è 0,5 ~ 60kPa. Quando si utilizza la tecnologia della spettroscopia di assorbimento laser a diodi sintonizzabile (TDLAS) per misurare la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, è necessaria una pressione stabile nell'intervallo 6~101kPa. Nel controllo preciso della pressione all'interno del rivelatore dello spettrometro a raggi X, la densità del gas di lavoro deve essere stabilizzata per garantire l'accuratezza della misura del rivelatore. In generale, la pressione dovrebbe essere controllata a circa una pressione atmosferica o superiore, mentre la pressione di lavoro dello spettrometro a ripartizione laser indotta dovrebbe essere fino a 275kPa. Si può notare che l'intervallo di controllo della pressione del gas di lavoro nello spettrometro è relativamente ampio, generalmente nell'intervallo 0,1~300kPa, che copre fondamentalmente l'intervallo di pressione di 4 ordini di grandezza dalla pressione negativa del vuoto a 3 volte la pressione atmosferica.

1. ②. Precisione del controllo della pressione

Nel test spettrale, la relazione tra l'intensità della linea spettrale osservata e la densità reale del gas dipende dalla pressione del campione di gas, quindi l'accuratezza del controllo della pressione determina direttamente l'accuratezza della misura spettrale. Ad esempio, l'accuratezza del controllo della pressione nell'analizzatore di spettro della Picarro Company è di ±0,0005 atmosfere (tasso di fluttuazione ±0,05%@1 atmosfera di pressione). La letteratura [1] riporta che il serbatoio di assorbimento è stato controllato quando la pressione impostata era di 6,67kPa. Dopo quattro ore di controllo continuo, la fluttuazione della pressione era di ±3,2Pa e il tasso di fluttuazione era di ±0,047%. La letteratura [2] riporta che quando anche la pressione del gas in una cella di campionamento è stata controllata a 6,67kPa, l'intervallo di fluttuazione a lungo termine della pressione era di 7Pa e il tasso di fluttuazione era di ±0,047%. La letteratura [3] riporta la misura di stabilità del sistema di controllo della pressione della cella multi-pass a infrarossi laser. La pressione target è stata impostata a 60 Torr, la fluttuazione massima è stata di ±0,04 Torr entro 150~200s e il tasso di fluttuazione è stato di ±0,067%. La letteratura [4] riporta in particolare la progettazione e la ricerca del sistema di controllo della temperatura e della pressione di alta precisione dello strumento di misura spettroscopico. Il valore di pressione target è di 18,665kPa, il controllo della pressione costante per 42 ore, la deviazione massima è di 5,33Pa e il tasso di fluttuazione è di ±0,014%. La letteratura [5] ha presentato i risultati del controllo a pressione costante del rivelatore nello spettrometro a raggi X. Durante la pressione costante del gas di lavoro a 940 hPa, la fluttuazione era inferiore a ± 2 hPa e il tasso di fluttuazione era di ± 2%. La letteratura [6] ha introdotto la tecnologia di controllo della pressione costante dello spettrometro fotoelettrico a raggi X nell'intervallo di pressione 0,05~30mbar. Quando il valore impostato è 0,1mbar, la precisione costante può raggiungere ±0,001mbar e il tasso di fluttuazione è ±1%.

1. ③. Precisione del controllo della temperatura

Nel test spettrale, la relazione tra l'intensità delle linee spettrali e la densità reale del gas dipende anche dalla stabilità della temperatura del campione di gas. La stabilità della temperatura influisce anche sulla stabilità della pressione. La letteratura [2] riporta che la temperatura del gas nella cella di campionamento è stata controllata a temperatura ambiente (24°C), la fluttuazione della temperatura a breve termine è di ±0,01°C, la deriva della temperatura a lungo termine è di ±0,025°C e il tasso di fluttuazione è di ±0,1%. La letteratura [4] riporta che il sistema di controllo della temperatura ad alta precisione dello spettrometro, la temperatura è controllata a 45°C, e la fluttuazione della temperatura entro 42 ore è di ±0,0015°C, e il tasso di fluttuazione è inferiore a ±0,004%.

In sintesi, le variazioni di pressione e temperatura del gas campione sono i fattori principali che influenzano i risultati di misura. Pertanto, nella misurazione spettrale e nei vari spettrometri, la regolazione e il controllo della pressione e della temperatura del gas campione hanno i seguenti requisiti:
(1) L'intervallo di controllo della pressione è molto ampio (0,1~300kPa), ma la corrispondente precisione di misurazione e controllo è davvero elevata, il che comporta requisiti elevati per i sensori di misurazione della pressione, le valvole di controllo, le pompe per vuoto e i relativi controllori. Questi quattro componenti del sistema di controllo ad anello chiuso devono corrispondere tra loro, altrimenti è difficile ottenere risultati soddisfacenti.
(2) Allo stesso modo, nel processo di controllo della temperatura ad alta precisione, sono necessari sensori di temperatura adeguati, dispositivi di riscaldamento, alimentazione e controllore. Anche questi quattro componenti del sistema di controllo ad anello chiuso della temperatura devono corrispondere tra loro.
(3) I controllori di alta precisione dovrebbero essere utilizzati nei due sistemi di controllo ad anello chiuso della pressione e della temperatura. Per ridurre i costi sperimentali e il costo dello spettrometro, vogliamo utilizzare un controllore di alta precisione con 2 funzioni di controllo automatico PID simultanee.
(4) Le strutture di prova delle diverse misure spettrali e degli spettrometri non sono le stesse, il che richiede l'indipendenza di ciascun componente del sistema di controllo della temperatura e della pressione. In questo modo, si favorisce l'integrazione del dispositivo di prova e dello spettrometro. 
In generale, per ottenere una precisione soddisfacente nella misurazione spettrale, sono necessari sensori di pressione e di temperatura e attuatori di alta precisione, con caratteristiche di ampio campo di applicazione, alta precisione, facile integrazione e basso costo.
Questo articolo si concentrerà su queste caratteristiche, combinandole con i prodotti innovativi di KaoLu e fornendo una misurazione spettrale di alta precisione ed economica e un piano di misurazione e controllo della temperatura e della pressione dello spettrometro.

2. Metodo di misura e controllo integrato della pressione e della temperatura dello spettrometro

2.1 Progettazione della modalità di controllo

(1) Modalità di controllo della pressione
Come accennato in precedenza, per il campo di controllo dello spettrometro (0,1~300kPa), la soluzione migliore è selezionare la modalità di misurazione e controllo corrispondente in base allo specifico campo di pressione utilizzato. Come mostrato nella Figura 2-1, si raccomanda di utilizzare la modalità di controllo a monte per il campo di bassa pressione. Per l'intervallo di alta pressione, si adotta la modalità di misurazione e controllo a valle; si può anche adottare la modalità di controllo bidirezionale con controllo simultaneo a monte e a valle.

Figura 2-1 Tre modalità di controllo della pressione

Per le basse pressioni si adotta la modalità di controllo a monte, che può esercitare ripetutamente la velocità di pompaggio della pompa del vuoto, in modo da controllare rapidamente e con precisione la pressione nella camera del vuoto. Per le alte pressioni (come la pressione di circa 1 atmosfera), la modalità di controllo a valle può controllare efficacemente la velocità di pompaggio della pompa del vuoto, in modo che la pressione nella camera a vuoto possa essere controllata rapidamente e con precisione. Allo stesso tempo, è possibile evitare la presenza di gas campione e altre attività all'ingresso dell'aria. Utilizzando la valvola a spillo elettronica della serie FC, il livello di vuoto all'interno della camera può essere modulato con un'elevata risoluzione.

In presenza di norme rigorose sul flusso dell'aria di aspirazione e sulla pressione della cavità, è necessario controllarli con precisione e adottare la modalità di controllo bidirezionale. La modalità di controllo bidirezionale può controllare diversi flussi d'aria di aspirazione a pressione costante, ma richiede che il controllore abbia una funzione di controllo bidirezionale, il che comporta requisiti di capacità più elevati per il controllore. Le caratteristiche delle tre modalità di controllo sopra descritte sono presentate in dettaglio.

(2) Modalità di controllo della temperatura
Inoltre, la modalità di misurazione e controllo della temperatura deve essere selezionata in base ai diversi intervalli di temperatura e ai requisiti di precisione del controllo della temperatura. Ad esempio, quando la temperatura è vicina alla temperatura ambiente e l'accuratezza del controllo della temperatura è elevata. È necessaria una modalità di controllo bidirezionale con funzioni di riscaldamento e raffreddamento. Solo questa modalità garantisce una precisione di controllo della temperatura sufficientemente elevata. Se la temperatura si aggira intorno all'intervallo di temperatura elevata, si raccomanda anche di utilizzare un metodo di controllo bidirezionale, cioè di concentrarsi sul riscaldamento e fornire una certa compensazione di raffreddamento per migliorare l'accuratezza del controllo della temperatura e la stabilità rapida della temperatura.

2.2 Come scegliere il sensore

L'accuratezza del sensore è la chiave per garantire l'accuratezza della misurazione e del controllo della pressione e della temperatura, pertanto la scelta del sensore è particolarmente importante.
Per il controllo della pressione nell'intervallo sopra indicato, si raccomanda vivamente di utilizzare il vacuometro a condensatore a film sottile con la massima precisione. L'accuratezza di misura di questo vacuometro può raggiungere 0,2% della sua lettura, ha una buona linearità nell'intero intervallo ed è molto facile da collegare. Il controllore esegue un controllo lineare con un'alta risoluzione e una piccola deriva termica. Nella scelta effettiva, è necessario selezionare un vacuometro con un intervallo adeguato in base ai diversi campi di pressione. Per il suddetto intervallo di pressione di 0,1~300kPa, è possibile selezionare due tipi di vuotometri, da 2 Torr e da 1000 Torr, per ottenere una copertura accurata dell'intervallo di pressione.

Per il controllo della temperatura, quando la temperatura non è elevata, si consiglia vivamente di utilizzare un sensore di temperatura a termistore con la massima precisione di misurazione. Per le temperature più elevate si consiglia di utilizzare un termistore ad alta temperatura o un sensore di temperatura a resistenza di platino. Se la temperatura di riscaldamento supera l'intervallo di utilizzo del termistore e del sensore a resistenza di platino, si consiglia di utilizzare un sensore di temperatura a termocoppia. Questi sensori di temperatura devono essere calibrati prima dell'uso.

2.3 Come scegliere l'attuatore

L'attuatore di controllo della pressione è la chiave per determinare se è possibile ottenere un controllo costante ad alta stabilità. Come illustrato nella Figura 2-2, si consiglia di utilizzare una valvola a spillo elettronica azionata da un motore passo-passo con linearità e isteresi ridotte, mentre si sconsiglia di utilizzare un'elettrovalvola proporzionale con isteresi ed errore di controllo elevati. La valvola a spillo elettronica può essere disposta all'ingresso dell'aria e all'uscita del gas, oppure una valvola a spillo elettronica può essere disposta in base alla selezione della modalità di controllo a monte o a valle. Se la camera a vuoto dello spettrometro è di grandi dimensioni, la valvola a spillo elettronica deve essere sostituita con una valvola a controllo elettronico di diametro e portata maggiori, in modo da ottenere più rapidamente un controllo della pressione costante. Si prega di visitare https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

Si consiglia di utilizzare una lastra termoelettrica a semiconduttore con effetto Peltier per l'attuatore di controllo della temperatura. Questa lastra termoelettrica ha una modalità di lavoro bidirezionale di riscaldamento e raffreddamento. Con un termistore e un regolatore di alta precisione, è possibile ottenere un controllo della temperatura di altissima precisione, molto adatto agli spettrometri con controllo della temperatura di piccole camere di lavoro.

Se la camera di lavoro dello spettrometro è grande e la temperatura è inferiore a 300 °C, si consiglia di utilizzare un bagno di circolazione a scarico esterno con funzione di riscaldamento e raffreddamento per il riscaldamento. Questo bagno di circolazione ha anche la funzione di riscaldamento e raffreddamento e può raggiungere un'elevata precisione di controllo della temperatura.

Se lo spettrometro funziona a una temperatura più elevata, si consiglia di utilizzare un filo di resistenza o un metodo di riscaldamento leggero e, allo stesso tempo, di dotarlo di un dispositivo di ventilazione e raffreddamento per migliorare la velocità di risposta del riscaldamento, garantendo così la stabilità e la velocità del controllo della temperatura.

2.4 Come scegliere il controllore

Il controllore è l'ultima garanzia per ottenere una misura e un controllo della pressione e della temperatura di alta precisione e alta stabilità. Nella progettazione del controllo della pressione, il controllore deve essere selezionato in base al vacuometro e all'attuatore scelti. Per un'introduzione dettagliata alla selezione, si rimanda alla letteratura [10]. Secondo i calcoli della letteratura, se si vuole garantire l'accuratezza della misurazione e del controllo della pressione, è necessario utilizzare un numero di collettori digitali con almeno 16 bit. Analogamente, anche l'accuratezza della misurazione e del controllo della temperatura è determinata dal numero di collettori digitali. Pertanto, per il controllo della pressione e della temperatura nello spettrometro, si raccomanda di utilizzare il controllore di acquisizione A/D a 24 bit sviluppato da KaoLu con la massima accuratezza ed economicità, combinato con la funzione di controllo dei parametri PID.

In base alla selezione di cui sopra, lo schema finale di misurazione e controllo della pressione e della temperatura è illustrato nella Figura 2-3.

In particolare, va sottolineato che il suddetto controllo della pressione e della temperatura adotta fondamentalmente una modalità di controllo bidirezionale. Questo controllore di alta precisione da noi sviluppato possiede questa funzione. Inoltre, nell'applicazione pratica dello spettrometro, la pressione e la temperatura devono essere controllate contemporaneamente. È possibile utilizzare rispettivamente due controllori che controllano la valvola a spillo elettronica, ma il volume complessivo dello spettrometro corrispondente aumenta, il funzionamento diventa complicato e il costo aumenta. Il controllore di alta precisione ora consigliato è un controllore PID a doppio canale. Due canali possono controllare in modo indipendente diversi parametri PID ed eseguire l'autotuning dei parametri PID allo stesso tempo, e ogni canale ha una funzione di controllo bidirezionale. Questo semplifica efficacemente il controllore e riduce le dimensioni e il costo dello strumento.

3. Conclusione

In sintesi, attraverso l'analisi dei requisiti di misurazione e controllo della pressione e della temperatura dello spettrometro, è stato determinato lo schema tecnico dettagliato di misurazione e controllo della temperatura e della pressione. La base per la determinazione dello schema e i parametri tecnici dei corrispondenti componenti selezionati sono introdotti in dettaglio. L'utilizzo della valvola a spillo elettronica della serie FC in una modulazione ad anello chiuso consente all'utente di controllare il livello di pressione con elevata precisione.

L'intera soluzione tecnica è in grado di soddisfare pienamente i requisiti della misurazione dello spettro e dello spettrometro per la misurazione e il controllo della pressione e della temperatura e presenta le caratteristiche di elevata precisione di misurazione e controllo, funzioni potenti, ampio campo di applicazione, facile integrazione e basso costo. Ad eccezione del vacuometro con condensatore a film sottile, che è un prodotto importato (anche il vacuometro localizzato è opzionale), tutti i componenti e gli strumenti selezionati nello schema sono prodotti a Taiwan.