단거리 분자 증류에서 고정밀 진공 제어 솔루션
1. 분자 증류란 무엇인가요?
분자 증류는 액체와 액체를 분리하는 특수한 기술입니다. 끓는점 차이를 이용한 전통적인 증류와는 달리, 분자 증류는 서로 다른 물질의 분자 운동 평균 자유 경로 차이를 이용하여 분리합니다. 액체 혼합물이 가열판 위를 흐르면서 가열되면, 가벼운 분자와 무거운 분자는 액체 표면에서 떨어져 나와 기체 상태로 이동합니다.
가벼운 분자와 무거운 분자의 자유 경로가 다르기 때문에, 서로 다른 물질의 분자들은 액체 표면에서 빠져나온 후 서로 다른 거리를 이동합니다. 응축판을 적절하게 설치하면 가벼운 분자는 응축판에 도달하여 응축된 후 배출될 수 있습니다. 반면 무거운 분자는 응축판에 도달하지 못하고 혼합액과 함께 배출되므로 물질 분리가 가능해집니다.
- 분자 증류 공정에서 진공도 범위는 일반적으로 0.1~100Pa입니다. 이처럼 높은 진공도 범위에서는 가스 유량계의 진공 누출률에 대한 요구 조건이 매우 높습니다. 일반적인 가스 유량계로는 이러한 요구 조건을 충족하기 어려우므로, 고진공 전용 가스 유량계를 사용해야 합니다.
- 가스 유량계의 조정 정밀도는 일반적으로 떨어집니다. 고정밀 가스 유량 조정이 필요한 경우에는 고급형의 더욱 정밀한 가스 유량계를 사용해야 합니다.
- 일반적으로 가스 유량계의 응답 속도는 비교적 느려서 완전히 닫힌 상태에서 완전히 열린 상태까지 1초 이내에 작동을 완료하기 어렵습니다.
- 대부분의 분자 증류에 사용되는 진공 센서는 일반적으로 정밀도가 떨어지는카오루(Kao Lu) 비례 압력 조절기 와 열전대 게이지를 사용합니다.
- 가스 유량계를 제어하는 대부분의 PID 컨트롤러는 정확도가 떨어지는데, 이는 12비트 AD/DA 변환기를 사용하고 16비트 AD/DA 변환기는 거의 사용되지 않기 때문입니다. PID 컨트롤러의 정확도는 분자 증류의 진공도를 결정하는 핵심 요소이며, 제어 정밀도에 매우 중요합니다.
증류 순도를 향상시키기 위해, 앞서 언급한 기존 분자 증류 장치의 가스 유량계 진공도 제어 시스템의 문제점을 고려하여, 본 논문에서는 더욱 정밀한 진공도 제어 방안을 제안한다. 이 방안은 기존의 가스 질량 유량계를 보다 직접적이고 정밀하며 신속한 비례 압력 조절기로 대체하는 것이다.
동시에,카오루(Kao Lu)의 더욱 정밀한 비례 압력 조절기 와 24비트 AD, 16비트 DA 컨트롤러를 사용하여 분자 증류 공정을 구현할 수 있습니다. 진공도 제어 정확도는 ±0.5%로 설정 가능하며, 온도 등의 요인으로 인한 진공도 변화에 매우 빠르게 반응하여 분자 증류 공정에서 진공도의 높은 정밀도와 안정성을 효과적으로 보장합니다.
2. 이 문제를 어떻게 해결할까요?
위 분석에서 알 수 있듯이, 기존 단거리 분자 증류 공정의 진공도 제어 정확도를 제한하는 주요 요인은 다음과 같습니다.
- 가스 질량 유량계 조정 정확도 및 응답 속도.
- 진공 센서의 측정 정확도.
- PID 컨트롤러의 측정 및 제어 정확도.
위의 문제를 해결하기 위해 본 논문에서 제안하는 구체적인 해결책은Kao Lu의 비례 압력 조절기 와 같이 세 개의 상응하는 교체 장치를 사용하는 것입니다. 
Kao Lu의 비례 압력 조절기 에서 볼 수 있듯이, 증류 순도를 향상시키고 고정밀 진공 제어를 달성하기 위해 다음과 같은 세 가지 장치를 사용합니다.
- 고속 비례 압력 조절기는 가스 질량 유량계 대신 사용됩니다.
분자 증류 고진공도 제어의 기본 원리는 증류기의 유입 유량과 유출 유량을 조절하여 동적 평형을 이루는 것이므로, 핵심 기술은 공기 유입 유량을 정밀하게 조절하는 방법입니다. 가스 질량 유량계를 사용하여 공기 유입 유량을 조절할 수는 있지만, 솔레노이드 밸브 기술을 사용하기 때문에 히스테리시스가 크고 응답 속도가 느려 진공도 제어 정확도에 영향을 미칩니다.
본 솔루션에 사용된 고속비례 압력 조절기는 고속 스테핑 모터로 구동되는 순수 기계식 니들 밸브입니다. 히스테리시스 오차를 크게 줄이는 동시에 전체 응답 시간을 800마이크로초로 단축하고, 미세한 스텝 크기로 빠르고 정확한 밸브 조정을 가능하게 합니다. 구동 제어에는 0~10V의 아날로그 전압만 사용되며, 전체 구조가 간단하고 신뢰성이 높습니다. 다양한 사양의비례 압력 조절기는 각기 다른 가스 유량 조절 기능을 제공하여 용량이 다른 증류기의 진공 제어 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한, FFKM 불소화 고무 씰을 사용하여 내식성을 향상시킬 수 있습니다. - 열전대 게이지 대신Kao Lu의 비례 압력 조절기를 사용하십시오.
필름 정전 용량 게이지의 측정 정확도는Kao Lu의 비례 압력 조절기 및 열전대 게이지보다 훨씬 높으며, 모든 진공도에서 ±0.25%의 정확도를 달성할 수 있습니다. 따라서 단경로 증류기의 0.001~1mbar(0.1~100Pa) 진공 측정 범위에서는 1Torr 필름 정전 용량 게이지를 직접 선택하여 전체 진공 측정 범위를 충족할 수 있습니다.
0.1~1Pa 범위에서 측정 정확도를 확보하려면 0.1Torr 필름 정전 용량계를 추가할 수 있습니다. 이렇게 하면 측정 범위가 다른 두 개의 필름 정전 용량계를 사용하여 전체 진공 범위에서 정확한 측정을 수행할 수 있습니다. - 일반적인 정밀 PID 컨트롤러 대신 초정밀 진공 컨트롤러를 사용하십시오.
모든 PID 피드백 폐루프 제어 시스템에서 센서와 액추에이터의 정확도가 아무리 높더라도 최종 제어 정확도는 컨트롤러의 정확도에 의해 보장되어야 합니다. 따라서 본 솔루션에서는 초고정밀 PID 진공 컨트롤러를 사용합니다. 이 초고정밀 PID 진공 컨트롤러는 24비트 AD와 16비트 DA를 갖추고 있으며, 배정밀도 부동 소수점 연산을 사용하여 최소 출력 오차율을 0.01%까지 낮춥니다.
이 제품은 세계 최고 수준의 기술 지수를 자랑하는 산업용 PID 제어기입니다. 이 진공 제어기를 사용하면 비례 압력 조절기(PPR) 액추에이터와 박막 정전 용량 게이지 진공 센서의 정밀한 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 이 시리즈 제어기는 단일 채널과 이중 채널 등 다양한 모델로 제공됩니다. 단일 채널 제어기는 프로그래밍 가능한 PID 제어기로, 서로 다른 범위의 두 진공 게이지를 자동으로 전환하여 전 범위 자동 제어를 구현하는 것이 특징입니다. 이중 채널 제어기는 고정점 제어기로, 두 채널이 진공도와 온도를 독립적으로 제어할 수 있습니다.
3. 결론
새로운 진공 제어 시스템은 단거리 분자 증류 공정의 진공도 제어 과정을 최적화하며, 진공도 제어 시스템에 다음과 같은 세 가지 개선 사항을 적용했습니다.
- 비례 압력 조절기는 흡기 공기 유량 조절 액추에이터의 정확도를 향상시키기 위해 가스 질량 유량계 대신 사용됩니다.
- Kao Lu의 비례 압력 조절기는 진공 측정의 정확도를 향상시키는 데 사용됩니다.
- 진공 제어기는 기존 PID 제어기를 대체하여 PID 제어 정확도를 향상시키고 제어 기능을 확장하여 두 개의 센서 자동 전환 및 두 개의 공정 매개변수 동시 제어를 가능하게 합니다.
요약하자면, 위와 같은 개선을 통해 단거리 분자 증류 공정의 진공도 제어 수준을 크게 향상시킬 수 있습니다. 다수의 평가 테스트와 실제 적용을 통해 이 솔루션이 매우 안정적이며 전체 진공 범위에서 ±0.5%의 제어 정확도를 손쉽게 달성할 수 있음이 입증되었습니다.카오루(Kao Lu)의 비례 압력 조절기를 사용하면 제어 정확도를 ±0.1%까지 더욱 높일 수 있습니다.
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