ORANSAL BASINÇ REGÜLATÖRLERİ

1. Moleküler Damıtma Nedir?

Moleküler damıtma, geleneksel damıtmanın kaynama noktası farkına dayanan ayırma prensibinden farklı olarak, maddelerin moleküler hareketinin ortalama serbest yolu (mean free path) farkına dayanarak ayırma işlemini gerçekleştiren özel bir sıvı-sıvı ayırma teknolojisidir.

Sıvı karışım ısıtma plakası boyunca akar ve ısıtıldığında, hafif ve ağır moleküller sıvı yüzeyinden kaçarak gaz fazına geçer. Hafif ve ağır moleküllerin serbest yolları farklı olduğu için, uygun şekilde yerleştirilmiş bir yoğuşturma plakasına sadece hafif moleküller ulaşır, yoğuşur ve deşarj edilir. Ağır moleküller ise yoğuşturma plakasına ulaşamaz ve karışık sıvı ile birlikte deşarj edilir.

Kritik Çalışma Aralığı: Moleküler damıtma sürecindeki vakum derecesi aralığı genellikle 0.1 Pa ile 100 Pa (0.001 ila 1 mbar) arasındadır.

Mevcut Vakum Kontrol Sistemlerindeki Sorunlar:

• Gaz Akış Ölçerler: Genel gaz kütle akış ölçerleri (MFC), bu yüksek vakum aralığının gerektirdiği sızıntı oranını, tepki hızını ve hassasiyeti karşılamakta zorlanır.
• Aktüatör Hızı: Gaz akış ölçerlerin tepki hızı yavaştır; genellikle 1 saniye içinde tamamen kapalıdan tamamen açığa geçiş aksiyonunu tamamlayamazlar.
• Sensör Doğruluğu: Çoğu moleküler damıtma ünitesindeki vakum sensörleri genellikle düşük hassasiyetli termokupl göstergeleri veya benzerlerini kullanır.
• PID Kontrolörü: Gaz akış ölçerleri düzenleyen PID kontrolörlerinin çoğu düşük hassasiyete sahiptir (12-bit AD ve DA dönüştürücüler); bu durum, vakum derecesi kontrol hassasiyetinin anahtarıdır.

Damıtma saflığını artırmak amacıyla, mevcut sistemdeki sorunlar göz önüne alınarak, daha yüksek hassasiyetli bir vakum kontrol çözümü önerilmektedir. Çözüm, gaz kütle akış ölçerini daha doğrudan, hassas ve hızlı bir Oransal Basınç Regülatörü (Proportional Pressure Regulator) ile değiştirecektir.

Bu entegrasyon, moleküler damıtma sürecinde vakum derecesinin herhangi bir ayar noktasında $\pm 0.5\%$ kontrol doğruluğuna ulaşılmasını sağlayarak, sıcaklık gibi faktörlerin neden olduğu değişimlere karşı çok hızlı bir tepki verecektir.

2. Sorun Nasıl Çözülür?

Mevcut moleküler damıtma sürecinin vakum derecesi kontrol hassasiyetini sınırlayan ana faktörler: gaz kütle akış ölçerinin ayar hassasiyeti/tepki hızı, vakum sensörlerinin ölçüm doğruluğu ve PID kontrolörünün ölçüm/kontrol doğruluğudur.

Bu sorunları çözmek için, önerilen spesifik çözüm üç karşılık gelen cihazın değiştirilmesini içermektedir:

Çözüm Aşamaları

2.1. Yüksek Hızlı Oransal Basınç Regülatörünün Gaz Kütle Akış Ölçeri Yerine Kullanılması

Vakum kontrolünün temel prensibi, damıtıcının hava giriş akışını ve çıkış akışını ayarlamak ve dinamik bir dengeye ulaşmaktır. Gaz kütle akış ölçerleri solenoid valf teknolojisi kullandığından büyük histerese ve yavaş tepkiye sahiptir.

Oransal Basınç Regülatörü Avantajları:

• Yüksek hızlı bir step motor tarafından tahrik edilen tamamen mekanik bir iğne vana kullanılır.
• Histerezis hatasını büyük ölçüde azaltır.
• Genel tepki süresini 800 mikrosaniyeye kadar kısaltır.
• İnce adım boyutu, vananın hızlı ve hassas ayarını sağlar.
• Sürücü kontrolü için sadece 0-10V analog voltaj kullanır, yapısı basittir.
• Korozyon direnci için FFKM perflorlanmış kauçuk contalar kullanılabilir.

2.2. Film Kapasitans Göstergesinin Termokupl Göstergesi Yerine Kullanılması

Film Kapasitans Göstergesinin ölçüm hassasiyeti, termokupl göstergesinden çok daha yüksektir ve hassasiyeti herhangi bir vakum derecesinde $\pm 0.25\%$’e ulaşabilir.

Uygulama:

• 0.1 ila 100 Pa (0.001 ila 1 mbar) vakum ölçüm aralığı için, tam aralıkta vakum ölçümünü karşılamak üzere doğrudan 1 Torr film kapasitans göstergesi seçilebilir.
• Eğer 0.1 ila 1 Pa gibi ultra-düşük aralıkta daha yüksek hassasiyet istenirse, ek olarak bir 0.1 Torr film kapasitans göstergesi eklenebilir. Bu çift sensörlü yaklaşım, tam vakum aralığında doğru ölçüm kapsama alanı sağlar.

2.3. Süper Hassasiyetli Vakum Kontrolörünün Sıradan PID Kontrolörü Yerine Kullanılması

PID geri besleme kapalı döngü kontrol sisteminde, sensör ve aktüatörün hassasiyeti ne kadar yüksek olursa olsun, nihai kontrol hassasiyetinin kontrolörün doğruluğu ile garanti edilmesi gerekir.

Ultra Yüksek Hassasiyetli PID Vakum Kontrolörü Özellikleri:

• 24-bit AD (Ölçüm Hassasiyeti) ve 16-bit DA (Kontrol Hassasiyeti) donanımı.
• Minimum çıkış yüzdesi olan $\pm 0.01\%$’e ulaşmak için çift hassasiyetli kayan nokta işlemleri kullanır.
• Bu özellikler, Oransal Basınç Regülatörü aktüatörünün ve ince film kapasitans göstergesi vakum sensörünün hassasiyet avantajlarını tam olarak kullanmayı mümkün kılar.

Kontrolör Fonksiyonları:

• Tek Kanallı Model: Tam aralıklı otomatik kontrole ulaşmak için farklı aralıklara sahip çift vakum göstergesi arasında otomatik geçiş yapabilen programlanabilir PID kontrolörüdür.
• Çift Kanallı Model: İki kanal, vakum derecesini ve sıcaklığı bağımsız olarak eş zamanlı kontrol edebilir.

3. Sonuç

Önerilen yeni vakum kontrol sistemi, kısa menzilli moleküler damıtma sürecinin vakum derecesi kontrolünü kritik derecede optimize eder:

1. Hava giriş akışını düzenleyen aktüatörlerin hassasiyetini artırmak için gaz kütle akış ölçerleri yerine Oransal Basınç Regülatörleri kullanılır.
2. Vakum ölçümünün doğruluğunu artırmak için termokupl göstergesi yerine Film Kapasitans Göstergesi kullanılır.
3. PID kontrol hassasiyetini artırmak ve kontrol fonksiyonunu genişletmek için geleneksel PID kontrolörü yerine 24-bit AD / 16-bit DA donanımına sahip Süper Hassasiyetli Vakum Kontrolörü kullanılır.

Bu iyileştirmeler sayesinde, moleküler damıtma sürecinin vakum derecesi kontrol seviyesi büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Değerlendirme testleri ve pratik uygulamalar, bu çözümün tam vakum aralığında $\pm 0.5\%$ kontrol hassasiyetine kolayca ulaşılabileceğini kanıtlamıştır. Özel ultra-hassas cihazların kullanılmasıyla bu çözüm, $\pm 0.1\%$ kontrol hassasiyetine kadar ulaşma potansiyeli taşımaktadır.