ラジオゾンデ検証用低圧環境模擬キャビン圧力制御システムのアップグレード

概要：ラジオゾンデの検証に用いる低圧環境シミュレーションチャンバーの圧力制御システムの制御精度と安定性が低く、圧力センサーと制御システムの構成が不正確であるという問題に着目。ユーザーからは、バージョンアップや変革の要望があった。本稿では、新世代の低圧環境模擬チャンバー圧力制御システムの実装方式を紹介し、双方向制御モードを採用し、方式検証試験を実施した。その結果、制御精度と安定性が大幅に改善されたことを確認した。

1.質問
ラジオゾンデの校正方法として、低気圧環境模擬キャビンでの地上試験が重要な位置を占めます。図1に使用中の低気圧環境模擬キャビン構造を示します。

この低圧環境シミュレーションチャンバーでは、使用中に圧力制御が大きく変動してしまうという問題があります。圧力が1気圧に近づくほど、変動が大きくなる。解析の結果、主に次のような原因があると考えられる。
(1)圧力センサの選定が不正確である。フルスケール圧力範囲におけるセンサーの誤差の割合が同じでないことから、1気圧に近いと変動が大きく、1気圧から遠いと変動が小さいことがわかる。現実の世界では、あらゆる問題が存在する。変動は大きいが、圧力センサーは1気圧付近が最も精度が高く、1気圧から離れたところでは圧力センサーの誤差が圧力変動幅を完全にカバーしている。実際には、全体として大きな変動がありますが、圧力センサーは1気圧付近で最も精度が高く、1気圧から離れた距離では、圧力センサーの誤差が圧力変動幅を完全にカバーしています。
(2) 圧力制御は、スイッチ制御方式を採用しています。圧力設定値により、真空ポンプと電磁弁を同時に開閉します。バッファとしてガスボンベを追加していますが、この半自動制御モードでは正確な定圧を得ることは困難です。
(3）コントローラはまた、圧力制御精度に影響を与える主な理由であるPID自動制御方式を使用していません。前世代の音の校正に使用される低圧環境シミュレーション室と圧力制御システムの貧しい制御精度と安定性の問題、および圧力センサーと制御システムの不正確な構成に焦点を当て、上記の分析に基づく。ユーザーからは、バージョンアップや変革の要望が出された。この記事では、低圧環境シミュレーション室圧力制御システムとの新しい世代の実装方式を紹介します。双方向制御モードの採用を提案し、スキームの検証テストを実施し、制御精度と安定性が大幅に改善できることを証明する。

2.圧力制御システムの改善・改革 FCシリーズ電動ニードル弁を使用 ゾンデ検証用低圧環境シミュレーションチャンバーの絶対圧力範囲は1torr〜760torrであり、この範囲内の任意の設定点でシミュレーションチャンバーの圧力が正確に一定であること、さらに設定した圧力変換率に従って制御できることが要求される。このため、具体的な改良案は、元の圧力制御システムをベースに、真空ポンプと真空ソレノイドバルブを残し、圧力センサーとコントローラーを交換し、エネルギー貯蔵タンクを取り除き、数値制御の吸気バルブと排気バルブを増加するものである。具体的なスキームは以下の通りです。
(1) 10気圧と1000気圧の静電容量式圧力計を使用し、低圧領域全体をカバーすることで、全領域の測定精度を確保した。
(2) 静電容量式圧力計の測定精度に合わせ、高精度なPID真空圧力コントローラーを採用し、制御精度を確保しました。
(3) 真空チャンバーの空気吸入口と排気口にそれぞれ電動ニードルバルブを設置します。空気吸入口には、直接電動ニードルバルブを設置します。
(4) 制御モードは、上流モードと下流モードをそれぞれ採用しています。上流モードは10torr以下の空気圧を制御するために使用され、下流モードはKaoLu電動ニードルバルブ（https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm）を使用して10〜760torrの範囲の空気圧を制御するために使用されます。
(5) 図2に示すように、上流モードは上流圧力と出口流量を一定に保ち、入口流量を調整することでチャンバー圧力を制御するものである。
(6) 下流モードは図3に示すように、上流圧力と吸気流量を一定に保ち、排気流量を調整することでチャンバー圧力を制御するモードである。

3.スキームの認証試験
上記2つの制御モードについて、1torrと1000torrの2つの静電容量式圧力計、電動ニードルバルブ、24bit高精度圧力コントローラを用いて評価試験を実施した。試験に使用した真空チャンバーの内部空間は400×400×500mmで、試験装置は図4と図5に示す。

アップストリームモードテストでは，まず真空ポンプをONにし，全速力で排気した。その後、コントローラのPIDパラメータを約68Paでセルフチューニングした。オートチューニング終了後，12，27，40，53，67，80，93，107Paの8つの設定値をそれぞれ制御した。全制御過程での空気圧の変化を図6に示す。ダウンストリームモードテストでは，まず真空ポンプを起動し，フルスピードで送気し，吸気電動ニードルバルブを微小吸気口の位置に調整した．その後、コントローラの PID パラメータを約 300torr でセルフチューニングした。オートチューニング終了後、70、200、300、450、600Torrの5つのセットポイントをそれぞれ制御する。全制御過程での空気圧の変化を図7に示す．

異なる低圧定点での上記制御効果を変動率で表すと，図8，図9に示す全範囲での変動率分布が得られる．変動率分布図から，低圧全域で±1% の範囲で正確に変動率を制御できていることがわかる．12Pa での変動が大きいのは，68Pa でのセルフチュー ニングで得られた PID パラメータが無効であり，別途 PID パ ラメータのセルフチューニングが必要であるためである．

上記の試験結果から、電動ニードルバルブは圧力制御の精度と安定性を5倍以上向上させ、低圧環境シミュレーションチャンバーの自動化レベルと信頼性を大幅に改善できることが分かります。今回紹介した電動ニードル弁の詳細については、以下をご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve/miniature-proportional-valve-0-32L-min.html