要旨：分光計測，分光計は，検出・監視のための重要な技術手段である。満足な測定精度を得るために、分光器は高精度の圧力・温度変換器、アクチュエーター、PIDコントローラーを必要とし、応用範囲が広く、高精度、統合が容易、低コストという特徴を持つ必要がある。この記事では、KaoLu FCシリーズ電子ニードルバルブの革新的な製品と組み合わせて、分光器の圧力と温度制御の特性に焦点を当てます。また、高精度と低コストの高性能スペクトル測定、分光器の温度と圧力の測定と制御プログラムを提供します。

1. 質問の定式化

スペクトル測定は、定性的・定量的な科学分析手法として、測定精度が高く、応答速度が速いという利点があり、様々な検出・監視研究において重要な技術手段となっています。しかし、実用化においては、試料ガスの圧力や温度の変化が測定結果に影響を与える。ここでは、分光計測における温度・圧力制御とその影響の特徴について、国内外の研究成果を紹介する。

1. ①. 圧力制御範囲

分光器やスペクトロメーターによって、圧力調整範囲に求められるものは異なる。例えば、ガスキュレットを用いる赤外分光法では、試料ガスの圧力を調整することで、吸収ピークの強度を得ることができます。一般的な圧力範囲は、0.5～60kPaです。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術を使って大気中の炭酸ガス濃度を測定する場合、6~101kPaの範囲で安定した圧力が必要とされます。X線分光器の検出器内部の圧力を精密に制御するにあたっては、検出器の測定精度を確保するために作動ガスの密度を安定させる必要があります。一般に、圧力は1気圧程度以上に制御する必要があるが、レーザー誘起ブレークダウン分光器の作動圧力は275kPaまでが望ましいとされている。分光器の作動ガスの圧力制御範囲は比較的広く、一般に0.1〜300kPaの範囲であり、基本的に真空負圧から大気圧の3倍までの4桁の圧力範囲をカバーしていることが分かる。

1. ②. 圧力制御精度

スペクトル測定では、観測されるスペクトル線強度と実ガス密度の関係は、ガス試料の圧力に依存するため、圧力制御精度がスペクトル測定精度を直接左右する。例えば、Picarro社のスペクトルアナライザにおける圧力制御精度は±0.0005気圧（変動率±0.05%@1気圧）である。文献[1]には、設定圧力が6.67kPaのときに吸収タンクを制御したことが報告されている。4時間連続制御後の圧力変動は±3.2Pa、変動率±0.047%であったと報告されています。文献[2]では、サンプルセル内のガス圧も6.67kPaで制御した場合、圧力の長期変動幅は7Pa、変動率は±0.047%であったと報告されています。文献[3]には、レーザー赤外線マルチパスセル圧力制御システムの安定性測定が報告されている。目標圧力は60Torr、変動幅は150~200sで最大±0.04Torr、変動幅は±0.067%であった。文献 [4] では、分光計測装置の高精度な温度・圧力制御シス テムの設計と研究が特別に報告されている。目標圧力値は18.665kPa、42時間の圧力一定制御、最大偏差は5.33Pa、変動率は±0.014%であった。文献[5]では、X線分光器における検出器の定圧制御の結果が紹介されています。作動ガス圧力940hPaの定圧時、変動幅は±2hPa以下、変動率は±2%であった。文献[6]では、0.05~30mbarの圧力範囲におけるX線光電分光器の定圧制御技術が紹介されている。設定値が0.1mbarの場合、定数精度は±0.001mbarに達することができ、変動率は±1%であった。

1. ③. 温度制御精度

スペクトル試験では、スペクトル線強度と真のガス密度の関係は、ガスサンプルの温度安定性にも依存する。温度の安定性は、圧力の安定性にも影響を与えることになる。文献[2]では、サンプルセル内のガス温度を室温（24℃）に制御し、短期温度変動は±0.01℃、長期温度ドリフトは±0.025℃、変動率は±0.1%であると報告されています。文献[4]では、分光器の高精度温度制御システム、温度は45℃に制御され、42時間以内の温度変動は±0.0015℃、変動率は±0.004%以下であることが報告されています。

要約すると、試料ガスの圧力と温度の変化が測定結果に影響を与える主な要因である。そのため、分光測定や各種分光器において、試料ガスの圧力・温度調整・制御には、以下のような要件があります。
(1) 圧力制御の範囲は非常に広く（0.1~300kPa）、その測定と制御の精度は非常に高く、圧力測定センサー、制御バルブ、真空ポンプ、および対応するコントローラに高い要求があります。この閉ループ制御システムにおけるこれら4つの構成要素は、互いにマッチしていなければならず、そうでなければ満足のいく結果を得ることは困難である。
(2）同様に高精度な温度制御の過程で、適切な温度センサー、加熱装置、電源とコントローラ。温度閉ループ制御システムにおけるこれら4つの構成要素も、互いにマッチングさせる必要があります。
(3) 圧力と温度の2つの閉ループ制御系に高精度なコントローラを使用したい。実験コストと分光器のコスト削減のため、2つのPID自動制御機能を同時に持つ高精度なコントローラを使用したい。
(4) 異なる分光測定と分光器に着目すると、その試験構造は同じではないため、温度・圧力制御系における各コンポーネントの独立性が必要となる。このように、試験装置と分光器の一体化を図ることが有益である。 
全体として、満足のいく分光測定の精度を得るためには、高精度の圧力・温度センサーとアクチュエーターが必要です。このセンサーは、広い応用範囲、高精度、簡単な統合、低コストという特徴を持っています。
この記事では、これらの特徴に焦点を当て、KaoLuの革新的な製品と組み合わせ、高精度かつ費用対効果の高い分光測定と分光器の温度と圧力の測定と制御計画を提供します。

2. 分光器の圧力・温度統合計測制御方法

2.1 制御モード設計

(1) 圧力制御モード
前述したように、分光器の制御範囲 (0.1～300kPa) については、使用する特定の圧力範囲に応じて、対応する測定モードと制御モードを選択することが最適な解決策となる。図 2-1 に示すように、低圧力範囲ではアップストリーム制御モードを使用することが推奨される。また、上流と下流を同時に制御する双方向制御モードを採用することも可能です。

図2-1 圧力制御の3つのモード

低圧の場合は上流制御モードを採用し、真空ポンプの排気速度を繰り返し発揮させ、真空チャンバー内の圧力を迅速かつ正確に制御することができます。高圧（1気圧程度）の場合は、下流制御モードを採用し、真空ポンプの排気速度を効果的に制御することで、真空チャンバー内の圧力を迅速かつ正確に制御することができます。同時に、空気吸入口での試料ガスなどの作業を回避することができます。FCシリーズの電子ニードルバルブを使用することにより、チャンバー内の真空度を高分解能で調節することができます。

吸入空気量やキャビティ圧に厳しい規制がある場合、それらを正確に制御する必要があり、2ウェイ制御モードを採用する必要があります。双方向制御モードは一定の圧力下で異なる吸入空気流量を制御できるが、双方向制御モードはコントローラに双方向制御機能を持たせる必要があり、コントローラに高い容量要求を突きつける。以上、3つの制御モードの特徴について紹介した。

(2)温度制御モード
また、異なる温度範囲や温度制御精度の要求に応じて、温度測定や制御モードを選択する必要があります。例えば、室温に近い温度で、温度制御の精度が高い場合。加熱と冷却の機能を持つ双方向制御モードが必要でした。このモードだけで、十分に高い温度制御精度を確保することができます。それが高温度範囲の周りにある場合、それはまた、加熱に焦点を当て、温度制御精度と急速な温度安定性を向上させるために、特定の冷却補償を供給することである、双方向制御方式を使用することをお勧めします。

2.2 センサーの選び方

圧力や温度の測定や制御の精度を確保するためには、センサーの精度が重要であり、センサーの選定は特に重要である。
上記範囲の圧力制御には、最高精度の薄膜コンデンサ型真空計を使用することを強く推奨します。この真空計の測定精度は読み値の0.2%に達することができ、全領域で良好な直線性を持っており、接続が非常に容易です。コントローラは、高分解能で温度ドリフトの小さいリニア制御を行います。実際の選定にあたっては、圧力範囲の違いにより、適切なレンジの真空計を選択する必要があります。前述の圧力範囲0.1～300kPaでは、2Torrと1000Torrの2種類の真空計を選択することで、圧力範囲を正確にカバーすることが可能です。

温度制御の場合、温度が高くない場合は、測定精度の高いサーミスタ温度センサーを強く推奨します。また，より高温の場合には，高温サーミスタや白金抵抗温度センサを推奨します。加熱温度がサーミスタや白金測温抵抗体の使用範囲を超える場合は、熱電対式温度センサの使用を推奨します。これらの温度センサーは、使用前に校正が必要です。

2.3 アクチュエータの選び方

圧力制御アクチュエータは，高安定な定値制御ができるかどうかのキーポイントとなる。図2-2に示すように、直線性、ヒステリシスの小さいステッピングモータ駆動の電子ニードル弁を強く推奨し、ヒステリシス、制御誤差の大きい比例電磁弁の使用は推奨しない。電子ニードル弁は、空気取り入れ口とガス出口に配置したり、上流または下流の制御モードの選択により電子ニードル弁を配置することができます。分光器の真空容積が大きい場合は、より早く定圧制御を行うために、電子ニードルバルブはより大口径で流量の多い電子制御バルブに交換する必要があります。詳細はこちら https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

温度制御用アクチュエーターには、ペルチェ効果のある半導体熱電シートを使用することが推奨されます。この熱電シートは加熱と冷却の双方向の動作モードを持っています。高精度サーミスタとコントローラーを用いれば、超高精度な温度制御が可能であり、小型のワーキングチャンバーを温度制御する分光器に非常に適しています。

分光器の作業室が大きく、温度が300 °C以下の場合は、加熱・冷却機能付きの外部排気循環槽を加熱に使用することをお勧めします。この循環槽も加熱・冷却機能を備えており、高い温度制御精度を得ることができます。

分光器が高温で動作する場合は、抵抗線や光加熱方式を使用することをお勧めします、同時に、それは特定の通気性と冷却装置を装備し、それによって温度制御の安定性と速度を確保し、加熱の応答速度を向上させることができます。

2.4 コントローラーの選び方

高精度・高安定な圧力・温度計測と制御を実現するための最後の保証がコントローラーです。圧力制御の設計では、選択された真空計とアクチュエータに応じてコントローラを選択する必要があります。詳しい選定方法は、文献[10]を参照してください。文献の計算によると、圧力測定と制御の精度を確保する場合、少なくとも16ビットのデジタルコレクタを複数使用する必要があります。同様に，温度測定と制御の精度もデジタルコレクタの数で決まる．したがって、分光器の圧力と温度の制御には、最も精度が高くコストパフォーマンスに優れたKaoLu社が開発した24ビットA/Dアクイジションコントローラと、PIDパラメータ制御機能を組み合わせて使用することをお勧めする。

以上の選択により、最終的な圧力と温度の測定と制御の方式は図2-3のようになる。

特に注目すべきは、上記の圧力・温度制御が基本的に双方向制御モードを採用している点である。当社が開発した高精度コントローラは、この機能を備えている。また、分光器の実用化においては、圧力と温度を同時に制御する必要がある。電子ニードルバルブを制御するコントローラを2つ使用することもできるが、対応する分光器全体の容積が大きくなり、操作が煩雑になり、コストアップにつながる。そこで、高精度なコントローラとして、デュアルチャンネルPIDコントローラを推奨している。2 つのチャネルは独立に異なった PID の変数を制御し、PID 変数の自動調整を同時に行うことができ、各チャネルに対面制御機能があります。それは効果的にコントローラを簡素化し、機器のサイズとコストを削減します。

3. 結論

要約すると、分光器の圧力と温度の測定と制御の要求事項の分析を通じて、詳細な温度と圧力の測定と制御の技術スキームが決定される。スキームの決定の根拠と、対応する選択されたコンポーネントの技術パラメータは、詳細に紹介されています。FCシリーズ電子ニードルバルブ閉ループ変調で使用すると、ユーザーが高精度で圧力レベルを制御することができます。

全体の技術ソリューションは、完全に圧力と温度の測定と制御のためのスペクトル測定と分光計の要件を満たすことができ、高い測定と制御精度、強力な機能、広い応用範囲、簡単な統合と低コストの特性を持っています。薄膜コンデンサ真空計は輸入製品（ローカライズ真空計もオプション）であることを除いて、スキーム内のすべての選択されたコンポーネントと楽器は台湾で作られています。