電子壓力控制器應(yīng)用案例: 智能EPC的選擇
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電子壓力控制，或稱之為電子氣動控制(EPC)方法被推薦使用，當(dāng)機(jī)械調(diào)
節(jié)器無法滿足儀器制造商的日益增長的技術(shù)需求時(shí)。這些用戶需要為*終
使用者提供自動控制、錯(cuò)誤修正以及增加的功能和便利性。EPC技術(shù)涵蓋設(shè)
備的需求，壓力控制范圍0-150psig，低到0.005psi的范圍，和地址0.001psi
的分辨率。并包括典型用途，優(yōu)點(diǎn)以及建議的高性能EPC開發(fā)和實(shí)施指南。
“做出購買”決定
開發(fā)自己的電子
壓力控制器。選擇是自己做，還是根
據(jù)可用資源和時(shí)間表購買可用的EPC
技術(shù)。做出正確的選擇可以大大降低
開發(fā)成本和上市時(shí)間。
在很多精度技術(shù)的組織中，很多
工程研發(fā)部門有資源
北京品超思瑞科技有限公司
2021/05
只有滿足客戶需求并不斷適應(yīng)不斷
變化的市場因素，您的組織才能成功
。工程師對滿足客戶需求具有獨(dú)特的
挑戰(zhàn)，通常是成功組織的骨干，負(fù)責(zé)
滿足績效標(biāo)準(zhǔn)和上市時(shí)間要求
概括地說，我們每個(gè)人通常都承擔(dān)著
“做得好，快但資源有限”的任務(wù)。有
一種方法可以做到并做好。您可以通
過提供功能豐富的產(chǎn)品，快速推向市
場，同時(shí)通過專注于核心技術(shù)來控制
成本，從而達(dá)到所需的組織結(jié)果。
同樣，組織在專注于自身優(yōu)勢時(shí)*成
功。這使他們能夠提供
給客戶*大的價(jià)值。有流體需求的智
能儀器設(shè)計(jì)人員會尋找組織合作伙伴
，他們可以為他們提供完整的流體包
裝，使他們能夠?qū)Ｗ⒂谧约旱膬?yōu)勢。
圖1: 電子壓力控制系統(tǒng)(Pneutronics VSO-EP) 其中包括熱補(bǔ)償比例閥，壓力傳感器和
PID控制電路。
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他們不是在尋找“組件”提供商。他
們花費(fèi)時(shí)間，**和資源進(jìn)行采購，
鑒定和驗(yàn)證組件，使他們響應(yīng)自己客
戶的需求。采購可以輕松集成到其儀
器中的專用組件，可以使它們更好地
滿足客戶的需求并達(dá)到其組織目標(biāo)。
電子壓力控制器
典型的儀表級電子壓力控制器由具
有相關(guān)特性的以下組件組成。閥門應(yīng)
具有多種節(jié)流孔尺寸，以適合各種應(yīng)
用。選擇節(jié)流孔過大的計(jì)量閥可能會
導(dǎo)致不希望的振蕩或泄漏。熱補(bǔ)償比
例閥的好處是解決了極低的流量或高
精度要求，因?yàn)闆]有熱補(bǔ)償?shù)拈y經(jīng)常
由于與溫度有關(guān)的運(yùn)動或每次進(jìn)入彈
性橡膠密封的氣體而漂移。
選擇數(shù)字或模擬壓力傳感器必須滿足
應(yīng)用的精度和可重復(fù)性要求。如果壓
力傳感器是數(shù)字傳感器，則它必須具
有適當(dāng)?shù)奈环直媛省Ｋ袀鞲衅鞫紤?yīng)
具有溫度補(bǔ)償功能，以防止隨著儀器
溫度升高而引起與溫度相關(guān)的漂移。
開發(fā)了閉環(huán)“ PID”電路，以滿足應(yīng)用
的增益，精度，溫度漂移和響應(yīng)時(shí)間
要求。電路板通常被認(rèn)為是廉價(jià)的。
但是，電路設(shè)計(jì)，圖稿，組件選擇，
驗(yàn)證，測試以及相關(guān)的軟件和培訓(xùn)很
快會變得非常昂貴和耗時(shí)。
選擇不合格或過份指定的組件通常會
導(dǎo)致不必要的物料清單成本。
電子壓力控制器通常以三種方式使用
：如圖1所示的真壓力控制，流量控
制和先導(dǎo)（例如用于液體流量控制
）。
典型的應(yīng)用：
包括容器壓力控制，
微流體控制，
分配控制，
精密氣缸定位
以及諸如紙幅張緊，夾緊和其他工
業(yè)自動化應(yīng)用之類的技術(shù)應(yīng)用。
顯然，機(jī)械調(diào)節(jié)又*便宜的，并且
滿足了許多要求，但是，電子壓力控
制的好處包括：閉環(huán)控制，多個(gè)設(shè)定
點(diǎn)的自動化，消除或*小化操作員干
預(yù)以及反饋給上位控制器以進(jìn)行過程
控制和錯(cuò)誤檢測。
EPC與質(zhì)量流量控制的比較
當(dāng)將電子壓力控制器配置為流量控
制器時(shí)（圖2），使用質(zhì)量流量控制
器類型的技術(shù)有很多好處。典型的應(yīng)
用包括氣相色譜儀（GC）， 既可作
為頂壓和分流控制器，又可用于燃料
電池，微流體“芯片實(shí)驗(yàn)室”通道以及
用于環(huán)境，化學(xué)和生物檢測等應(yīng)用的
載氣流量控制。自2001年以來，這種
情況變得越來越普遍。
專用氣阻（例如，圖2中所示）可以
是GC色譜柱，計(jì)量孔，多孔物質(zhì)（例
如膜或燃料電池堆），噴嘴或各種檢
測器（例如火焰電離檢測器）。
當(dāng)用于載氣應(yīng)用時(shí)，電子壓力控制器
必須“經(jīng)過分析級別清潔”，以防止污
染物干擾檢測器檢測痕量目標(biāo)化合物
的能力。另外，彈性體型密封墊也不
能漏氣。
為什么不只使用質(zhì)量流量控制器進(jìn)行
流量控制？
質(zhì)量流量控制器中的旁路傳感管價(jià)格
昂貴，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)主要是為了使
用特殊材料和工藝兼容腐蝕性氣體，
并在傳感區(qū)域產(chǎn)生良好的層流。傳感
技術(shù)相對較慢且不準(zhǔn)確，需要在幾秒
鐘而不是幾毫秒內(nèi)獲得讀數(shù)。
直接感應(yīng)質(zhì)量流量控制器的速度有所
提高，但是，其速度仍不如EPC方法
快，EPC傳感器的響應(yīng)時(shí)間通常低于1
毫秒。
質(zhì)量流量控制器通常是特定于氣體的
，并且在不同氣體的應(yīng)用之間不容易
互換。另外，在與可燃?xì)怏w一起使用
時(shí)，應(yīng)格外小心，因?yàn)樗鼈儼邪l(fā)
熱元件。
半導(dǎo)體級的重量
質(zhì)量流量控制器不能很好地適合便攜
式應(yīng)用，例如化學(xué)和生物探測器，其
中尺寸，重量，速度和易用性至關(guān)重
要。線性流量同比于質(zhì)量流量控制器
的控制電壓是一個(gè)不錯(cuò)的功能，但是
電子壓力控制器（EPC）的增加的速
度，更輕的重量，更小的尺寸，多種
氣體的容量以及可重復(fù)性使得它們的
使用成本大大降低。
質(zhì)量流量控制器的另一個(gè)廣為人知的
好處是對改變背壓不敏感。當(dāng)使用
EPC控制流量時(shí)，使用特定應(yīng)用孔口
前的壓力，改變背壓會導(dǎo)致流量差異
。使用附加的低成本壓力傳感器可以
很容易地對其進(jìn)行監(jiān)視和糾正，并且
該信息可以反饋給主控制器以進(jìn)行補(bǔ)
償。這特別具有成本效益，因?yàn)樗?
供了與任何類型的氣體一起使用的能
力，而無需使用特定于氣體的流量傳
感器或冗長的補(bǔ)償算法。
EPC的應(yīng)用于液體控制
EPC在控制液體流動方面非常有效，
如圖3所示。有多種應(yīng)用，
例如流式細(xì)胞儀器中鞘液和樣品溶液
的水力學(xué)聚焦，
芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的微流體流動，液
體通常與運(yùn)動控制平臺結(jié)合使用，
例如在噴墨打印和樣品管理中進(jìn)行分
配，
以及用于分析和**研發(fā)儀器的高速
液體處理。
此處的主要功能再次是在低至0.001
psi的范圍和精度內(nèi)的高精度和壓力控
制。當(dāng)以“空氣覆蓋液體”的方式引導(dǎo)
液體時(shí)，比例閥和傳感器的兼容性不
會成為問題，因?yàn)樗鼈儧]有直接接觸
與液體或蒸氣。因此對于于溶液的污
染或結(jié)晶，比例閥不會出現(xiàn)泄漏或故
障問題。
在注射泵液體分配應(yīng)用中，有限的步
進(jìn)電機(jī)分辨率和導(dǎo)桿的加工痕跡會產(chǎn)
生不希望的脈動流。而EPC推動液體
的方法，由于可壓縮氣體的阻尼作用
不容易產(chǎn)生脈動。
該方法比具有多氣體和液體功能的質(zhì)
量流量控制器便宜得多。
通過使用EPC節(jié)省的成本可用于選擇
經(jīng)常存在真正要求的高速液體推動技
術(shù)。
應(yīng)用實(shí)例— GC
在圖4中，顯示了三個(gè)具有特定功能
和要求的、特定于應(yīng)用的電子壓力控
制器，它們構(gòu)成了帶有進(jìn)樣的GC應(yīng)用
所需的典型功能。
在圖4的左上角是Pneutronics高精度
VSO-HP壓力控制器，用于控制納升
體積進(jìn)樣的關(guān)鍵樣品進(jìn)樣壓力。將該
樣品注入圖中央以灰色顯示的GC系統(tǒng)
的加熱進(jìn)樣器中，以便在色譜柱環(huán)路
中分離成不同的化合物，然后進(jìn)一步
檢測組成樣品的元素。
OEM-EP（Pneutronics）壓力控制器
顯示在圖4的左中間，它是為便攜式
壓力控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，用于穩(wěn)定地
提供分析干凈的載氣，該載氣將通過
加熱的氣體攜帶氣態(tài)樣品列循環(huán)。當(dāng)
樣品在加熱的進(jìn)樣器中汽化，并且其
體積顯著且迅速增加時(shí)，壓力控制器
必須迅速，準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)進(jìn)樣器中的合
成壓力增加，以提供從色譜柱環(huán)路中
流出的**氣流，滿足檢測器要求。
圖4左下方所示的VSO-EP壓力控制器
用于控制背壓或多余的不需要的汽化
樣品的**流量，以進(jìn)行分流控制，
以防止過多的樣品堵塞色譜柱環(huán)路。
發(fā)展挑戰(zhàn)
作為設(shè)計(jì)工程師，您應(yīng)該*了解儀器
開發(fā)周期中的兩個(gè)關(guān)鍵階段，如圖5
所示。**階段“知識獲取”是在項(xiàng)目
開始時(shí)，您具有*大的能力來影響“
所需的組織成果”，即“及時(shí)滿足客戶
需求”。
在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)做出有意識的初步
選擇，以確定是根據(jù)關(guān)鍵壓力控制要
求“制造還是購買”解決方案，這將極
大地影響您的項(xiàng)目時(shí)間表，控制項(xiàng)目
成本，減少營銷時(shí)間，并使您能夠?qū)?
注于您組織的專業(yè)知識并跟上您的競
爭。
盡管*初對“制造與購買”場景進(jìn)行物
料清單比較可能會使您傾向于“做出”
決策，但可以通過查看設(shè)計(jì)，開發(fā)中
成本和資源的幅度來揭示真實(shí)成本。
，以及驗(yàn)證階段。
通常，我們的組織是由精通他們自己
組織的核心技術(shù)的人員組成，但在其
他必需領(lǐng)域卻缺乏。這可能表明需要
審查可用資源或外包給在該領(lǐng)域具有
專業(yè)知識的合適供應(yīng)商，以便您滿足
設(shè)計(jì)，預(yù)算和時(shí)間表要求，從而使您
能夠始終專注于核心技術(shù)和能力。
比專注于所開發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量更重要。
如果您決定自己制造控制器，則需要
指定，限定和驗(yàn)證三個(gè)主要組件以及
*終的控制器。
比例閥孔的尺寸應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)
增益和流量，以防止振蕩，確保足夠
的響應(yīng)時(shí)間，精度等，并且所需的流
量和壓力測量測試設(shè)備必須在應(yīng)用要
求的范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的并且可追溯。閥
門所需的電控制信號必須與要設(shè)計(jì)的
驅(qū)動電路兼容，無論是
PWM
，電壓還
是電流控制。您選擇的閥門技術(shù)的功
率
-
流量要求也必須切合實(shí)際。
壓力傳感器的精度和可重復(fù)性應(yīng)在溫
度和壓力范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證。顯然，這
要求測量設(shè)備的數(shù)量級更好以進(jìn)行驗(yàn)
證。已發(fā)布的傳感器規(guī)格通常不能反
映實(shí)際的應(yīng)用要求，工程師通常通過
選擇具有*佳已發(fā)布規(guī)格的傳感器來
*大程度地降低其風(fēng)險(xiǎn)，盡管這可能
會導(dǎo)致不必要的物料清單費(fèi)用。一個(gè)
經(jīng)常被忽視的測試要**，用于驗(yàn)證
的臺式儀表的準(zhǔn)確度或分辨率可能比
被測設(shè)備差。
控制電路需要徹底的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，鑒
定和測試，并且需要與以前的組件類
似的開發(fā)，測試設(shè)備和專業(yè)知識。
概括
大多數(shù)知名的
都是為工業(yè)應(yīng)用而
開發(fā)的，
不符合具有嚴(yán)格壓力控制要求的儀器
制造商的需求。
這些供應(yīng)商不熟悉儀器要求，并且?guī)?
乎沒有價(jià)值和特定于應(yīng)用程序的支持
。此外，零件供應(yīng)商或分銷商很少對
真正的應(yīng)用需求有透徹的了解，而依
賴競爭性的已發(fā)布規(guī)范和定價(jià)策略，
而不是為其儀器提供*佳產(chǎn)品。對應(yīng)
用程序和特定要求有深入了解的合作
伙伴可以大大加快您的開發(fā)周期，因
為它們將成為您開發(fā)團(tuán)隊(duì)的擴(kuò)展。
能夠傳達(dá)您所選擇的流體成分的真正
“
*終結(jié)果
”
要**重要的初始步驟
，它將幫助您的產(chǎn)品通過生產(chǎn)而使您
的預(yù)算保持不變。
無論您決定開發(fā)自己的
EPC
還是購買
可用的
EPC
，您都應(yīng)該尋找可以提供
以下服務(wù)的供應(yīng)商：
?
熱補(bǔ)償閥；
特定于應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)；
?
電子反饋；
過程控制
?
;
多種氣體的兼容性；
分析潔凈度；
?
良好的性價(jià)比價(jià)格；
良好的供應(yīng)商
“
伙伴關(guān)系
”
；
?
應(yīng)用知識和專長；
未來的發(fā)展方向?！?
