Un'esercitazione dettagliata sul grado di vuoto e sul metodo di controllo della temperatura nella scatola dei guanti

Abstract: Al fine di raggiungere le potenti funzioni della scatola a guanti per le due variabili ambientali del vuoto e della temperatura nella scatola a guanti. Questo articolo si concentra sulla soluzione integrata per la misurazione e il controllo accurati del vuoto e della temperatura e descrive i metodi a monte, a valle e bidirezionali. Introduce inoltre l'applicazione specifica della modalità di controllo a commutazione in diversi intervalli di grado di vuoto e dimostra la nuova valvola di controllo proporzionale del flusso e il controllore PID a 24 bit ad altissima precisione utilizzato per il controllo.

1. Le domande
Le scatole a guanti sottovuoto sono spesso utilizzate per sostanze facilmente ossidabili e deliquescenti. Le reazioni chimiche, la lavorazione dei materiali e i test di prestazione che richiedono operazioni manuali in un ambiente anaerobico e anidro sono molto utili. La funzione principale della scatola a guanti è quella di fornire un ambiente sottovuoto e facile da usare, ma nelle attuali applicazioni pratiche la maggior parte delle scatole a guanti utilizza solo l'ambiente anaerobico e le funzioni di funzionamento manuale della scatola a guanti, senza sfruttare appieno il ruolo della scatola a guanti. L'applicazione più potente del glove box si riflette anche nei due aspetti seguenti:
(1) La scatola a guanti a vuoto è una scatola ambientale ermetica e il grado di vuoto finale può generalmente raggiungere circa 10Pa, in modo che il grado di vuoto nella scatola a guanti possa essere controllato in qualsiasi punto stabilito tra 10Pa e la pressione atmosferica, come richiesto. È possibile eseguire varie reazioni chimiche, esperimenti e test sensibili al vuoto; inoltre, è possibile eseguire varie operazioni manuali senza modificare e distruggere l'ambiente del vuoto.
(2) Oltre al vuoto, la temperatura è un'altra variabile ambientale importante per molte reazioni, esperimenti e test. Collocando il dispositivo di riscaldamento corrispondente nella scatola a guanti, è possibile effettuare vari studi sperimentali nell'ambiente combinato di temperatura e grado di vuoto. E così via, è possibile configurare anche altre condizioni ambientali di quantità fisiche per formare condizioni di prova di accoppiamento di quantità fisiche in varie condizioni al contorno. Per ottenere le prestazioni complete di una scatola a guanti sottovuoto, si concentra sulle due variabili ambientali del grado di vuoto e della temperatura nella scatola a guanti. Questo articolo presenta in dettaglio la soluzione integrata per la misurazione e il controllo accurati del grado di vuoto e della temperatura e introduce i diversi intervalli di grado di vuoto delle modalità di controllo a monte, a valle e bidirezionale nel processo di controllo del vuoto.

2. Controllo del vuoto in cassetto portaoggetti
La scatola dei guanti appartiene alla cavità di un ambiente a basso vuoto. Il grado di vuoto della scatola dei guanti, utilizzando una pompa meccanica, può generalmente raggiungere una pressione assoluta di circa 10Pa. Con il vuoto e il riempimento con gas inerte, il grado di vuoto della scatola dei guanti può essere controllato da 10Pa a un'atmosfera (pressione assoluta 0,1MPa). Per il controllo in un intervallo di vuoto di quattro ordini di grandezza, verranno utilizzati sensori di vuoto con precisioni diverse in base alle esigenze effettive, e di conseguenza ci saranno diverse modalità di controllo. Di seguito sono riportati i contenuti specifici di ciascuna modalità di controllo.

2.1 Modalità di controllo a monte
Come mostrato nella Figura 1, a condizione che la velocità di pompaggio della pompa del vuoto a valle sia mantenuta costante. La modalità di controllo a monte consiste nel regolare l'apertura della valvola proporzionale di controllo del flusso della porta di aspirazione a monte attraverso il controllore di pressione del vuoto PID in base al segnale di misura del vacuometro, ossia controllando il flusso di aspirazione per mantenere la pressione nella scatola dei guanti al punto stabilito. La modalità a monte è spesso utilizzata per il controllo del vuoto spinto.

2.2 Modalità di controllo a valle
Come mostrato nella Figura 2, a condizione che la velocità di pompaggio della pompa per vuoto a valle sia mantenuta costante, la modalità di controllo a valle consiste nel regolare l'apertura della valvola proporzionale di controllo del flusso dell'uscita dell'aria a valle attraverso il controllore di pressione del vuoto PID in base al segnale di misura del vacuometro, ovvero, controllando la portata d'aria, la pressione nel serbatoio dei guanti viene controllata al valore impostato. Si può notare che la modalità a valle è spesso utilizzata per il controllo del basso vuoto.

2.3 Bi-direzionale Modalità di controllo
Le modalità di controllo a monte e a valle sopra descritte hanno i loro vantaggi e raramente vengono utilizzate da sole nelle applicazioni pratiche. In genere, le modalità a monte e a valle sono integrate insieme, il che rappresenta la cosiddetta modalità di controllo bidirezionale, come illustrato nella Figura 3. Nella modalità di controllo bidirezionale, il controllore di pressione del vuoto deve avere funzioni di controllo in avanti e inverso, cioè controllo inverso per la valvola di controllo del flusso proporzionale a monte e controllo inverso per la valvola di controllo del flusso proporzionale a valle.

2.4 Modalità di commutazione automatica a doppio sensore
Come già detto, se la misurazione e il controllo accurati del grado di vuoto vengono effettuati nell'intera gamma di 10Pa~0,1MPa, è generalmente necessario configurare due manometri a membrana di alta precisione da 1000Torr e 10Torrswitch automaticamente. Come mostrato nella Figura 4, il punto di commutazione alto (2-3) è il punto alto in cui funziona il sensore di basso vuoto, mentre il punto di commutazione basso (1-2) è il punto basso in cui funziona il sensore di alto vuoto. Il controllore esegue un calcolo di smussamento tra questi due punti. Quando il campionamento continuo della misura di basso vuoto PV1 e della misura di alto vuoto PV2 è inferiore al punto di commutazione inferiore, si passa al sensore di vuoto grezzo. Quando il campionamento continuo del valore misurato del basso vuoto PV1 e del valore misurato dell'alto vuoto PV2 è superiore al punto di commutazione superiore, viene effettuata la commutazione al sensore di alto vuoto.

3. Selezione del vacuometro, della valvola e del controllore

3.1 Selezione del sensore di vuoto
Come altri sensori, anche i vari sensori di vuoto hanno un certo campo di misura e una certa precisione. La regola di base è che un sensore con un ampio intervallo di misurazione ha una scarsa accuratezza; un sensore con un'elevata accuratezza di misurazione ha un intervallo di misurazione più ristretto. Per quanto riguarda la cassetta portaoggetti, come illustrato nella Figura 5, i sensori di vuoto utilizzati appartengono generalmente alle tre categorie seguenti:
(1) Vacuometro convenzionale: Vacuometro Pirani, la precisione è ±(15~50)% del fondo scala, ma un vacuometro può coprire il fondo scala.
(2) Vacuometro di alta precisione: manometro a membrana, la precisione è di ±2,5% del fondo scala, se copre l'intervallo 10Pa~0,1MPa, sono generalmente necessari due vacuometri da 1000Torr e 10Torr.
(3) Misuratore di vuoto ad altissima precisione: misuratore di vuoto per semiconduttori, la precisione è di ±0,05% del fondo scala e l'intervallo effettivo è di 50Pa ~ 0,1MPa, che non può coprire un vuoto superiore.

3.2 Selezione dell'elettrovalvola
Nella scatola dei guanti del controllo del vuoto, sono generalmente coinvolti due tipi di valvole: una è una valvola di aspirazione dell'aria che regola il flusso all'ingresso dell'aria e l'altra è una valvola di scarico che regola il flusso di scarico. Le valvole di aspirazione dell'aria sono utilizzate soprattutto per la regolazione di piccoli flussi, per cui si scelgono generalmente valvole a spillo. Le valvole di scarico sono utilizzate principalmente per l'aspirazione, quindi sono generalmente necessarie valvole a sfera di diametro maggiore. A causa del controllo automatico, sia le valvole a spillo che quelle a sfera devono essere pilotate da una tensione CC, da una corrente CC o da un segnale digitale (RS485). La valvola di controllo del flusso proporzionale seleziona una valvola di controllo del flusso proporzionale azionata da un motore passo-passo di piccole dimensioni, come mostrato nella Figura 6. Questa valvola proporzionale ha un'elevata velocità di risposta (entro 1s) e linearità (entro 1%). Per la valvola di controllo del flusso proporzionale della serie FC, visitate il sito https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

3.2 Selezione del controllore
Dalle varie modalità di controllo del grado di vuoto della scatola dei guanti, si può notare che il processo di controllo del grado di vuoto pone elevati requisiti al controllore. Come mostrato nella Figura 7, il controllore selezionato deve soddisfare i seguenti criteri:
(1) Si tratta almeno di un controllore PID e ha la funzione di autoregolazione dei parametri PID.
(2) L'accuratezza del vacuometro stesso è elevata. Per sfruttare appieno l'accuratezza di misura del vacuometro, il controllore PID che deve acquisire e controllare i dati deve avere un'elevata accuratezza. Si raccomanda che il controllore abbia un'acquisizione A/D a 24 bit e un'uscita D/A a 16 bit. (3) Sono necessari almeno 2 canali per ottenere la misura e il controllo simultanei della temperatura e del grado di vuoto, anche per ridurre lo spazio di installazione.
(4) Funzioni di accesso a segnali di ingresso multipli, che possono collegare direttamente i segnali di ingresso di diversi tipi di sensori come termocoppia, resistenza termica, tensione CC, ecc. per ottenere test, visualizzazione e controllo simultanei di diversi parametri.
(5) Funzione di controllo in avanti e indietro per raggiungere la modalità di controllo bidirezionale.
(6) Con la funzione di commutazione a doppio sensore, ogni canale può supportare la commutazione a doppio sensore di alta e bassa temperatura e di alto e basso vuoto. Due canali possono formare una combinazione di controllo con un totale di quattro sensori collegati.
(7) Funzione di controllo del programma, è possibile creare e salvare più programmi di controllo da soli, ed è sufficiente selezionare e chiamare per avviare (modalità di controllo del programma).
(8) Dispone di un'interfaccia di comunicazione per il collegamento con il computer, come l'interfaccia RS485 del protocollo standard MODBUS.

4. Controllo della temperatura della cassetta portaoggetti
Oltre a fornire un ambiente sottovuoto, la scatola a guanti può anche inserire un dispositivo di riscaldamento per eseguire vari esperimenti e test a temperature diverse, quindi è necessario introdurre la funzione di controllo della temperatura nell'applicazione della scatola a guanti. Il controllo della temperatura è una tecnologia classica e molto matura, che viene generalmente realizzata utilizzando un controllore PID in combinazione con un sensore di temperatura. Per ridurre i costi e il volume di installazione, viene generalmente utilizzato un controllore PID multicanale per controllare contemporaneamente la temperatura e il grado di vuoto. Il controllore comunica con un computer per visualizzare e memorizzare i dati e le curve di controllo delle misure. La temperatura di lavoro nella camera a guanti non deve essere troppo alta, ma se la protezione termica e il raffreddamento sono ben eseguiti, è possibile raggiungere una temperatura di lavoro superiore a 1000°C. Il sensore di misurazione della temperatura sceglie generalmente una termocoppia. Se l'accuratezza della misura è elevata, è possibile scegliere anche la resistenza termica e il sensore di temperatura a termistore. Questi sensori possono essere collegati direttamente al controllore PID ad alta precisione di cui sopra.

5. Conclusione
Attraverso l'introduzione dei contenuti di cui sopra, sono stati spiegati i vari metodi di controllo del grado di vuoto e della temperatura nella scatola a guanti e i principali sensori, la valvola di controllo proporzionale del flusso e i controllori PID coinvolti. In applicazioni specifiche, è possibile apportare miglioramenti parziali alla struttura e alla funzione specifica della scatola a guanti, e anche la progettazione generale, l'installazione e l'integrazione della scatola a guanti possono essere eseguite in base alle esigenze reali.
Sebbene questo articolo introduca solo la misurazione e il controllo del grado di vuoto e della temperatura nella scatola a guanti, questi metodi e contenuti specifici di implementazione possono essere estesi e applicati anche al controllo dei parametri di prova in altri campi più sensibili all'ambiente atmosferico, come la bassa temperatura, la quantità geometrica, l'ottica e l'acustica.