如何控制真空压力
关于真空系统中压力监测、控制和调节的基础知识
在所有真空过程中，都必须持续检查系统中的压力，并在必要时进行调节。现代化的工厂控制还要求将对于工厂监控具有重要意义的所有测量值传输到中央工作站以及监测和控制中心，并整理成清晰的数据。人们通常会通过记录设备来记录压力随时间的变化。这意味着对真空计提出了一些额外要求：
a) 能够尽可能连续地指示模拟和数字测量值
b) 能够清晰方便地读取测量值
c) 记录器的输出端口能够连接到记录仪器或者控制或调节设备
d) 内置数字接口（例如 RS 232）
e) 能够通过内置触发点触发开关操作的设施
除机械膜片式真空计和充液式真空计外，所有具有电子式测量值显示屏的真空计通常都能满足这些要求。相应的控制单元配备记录器输出端口，可根据仪表刻度上的压力读数，提供 0 至 10 V 之间的连续电压，以便通过记录仪器持续地记录压力值。如果真空计的记录器输出端口连接了压力开关装置，可在测量值超过或低于指定的设定点时触发开关操作。可直接在真空计中触发开关操作的设定点或开关阈值称为触发值。除真空计外，膜片压力开关也可以在达到一定压力时，通过接触式放大器触发开关操作（但不显示测量值）。例如，可通过此类开关操作来控制阀门。
真空系统的自动保护、监测和控制
图 3.20 带有可选的罗茨泵或扩散泵
的高真空泵系统的示意图
- 前级泵
- 背压监测装置
- 电动气动阀
- 连接压缩空气
- 压力监测装置
- 温度监测装置
- 冷却水监测装置
- 电动气动阀
- 记录器
- 高真空监测装置
- 容器
- 适合高真空范围的真空计
- 限位开关
- 罗茨泵
- 扩散泵
- 电动气动阀
- 通气阀
用于防止泵系统出现故障的措施
需要按照下述方式对泵系统进行保护，以防止出现故障。此外，还应采取以下措施来预防此类故障的发生：
a) 断电时的保护措施：关闭所有阀门，以防止空气进入真空容器，并保护扩散泵不被损坏。
b) 压缩空气管网中出现压力下降时的保护措施：压缩空气由压力监测装置 (5) 进行监测。如果压力降至规定值以下，会开始发送一个信号或自动关闭阀门。在这种情况下，需要备有充足的压缩空气储备供应（在图 3.20 中未显示），确保能够让所有阀门至少启动一次。
c) 扩散泵的冷却水供应中断时的保护措施：通过流量或温度监测装置 (6) 和 (7) 监测冷却水。如果冷却水流量不足，扩散泵的加热器将关闭并发出信号；阀门 (8) 将关闭。
d) 防止扩散泵加热器发生故障的保护措施：可通过继电器监控扩散泵加热系统是否中断。如果温度升高到超出最大许可值，则温度监测装置 (6) 会作出响应。在这两种情况下，阀门 (8) 都会关闭，并发出信号。
e) 前级泵出现故障时的保护措施：皮带驱动的前级泵必须具有离心开关，可在皮带断裂或出现其他故障时关闭整个系统。对于驱动装置直接安装在其泵轴上的整体泵，可通过电流继电器等进行监控。
f) 防止容器中的压力上升至超过特定限值的保护措施：当超过规定压力时，高真空监测装置 (10) 会发出信号。
g) 确保扩散泵的临界前压：当超过特定背压时，背压监测装置 (2) 关闭所有阀门，泵关闭，然后同样地发出信号。通过限位开关 (13) 在控制面板上指示阀 (3)、(8) 和 (16) 的位置。容器中的压力由适合高真空范围的真空计 (12) 测量，并由记录器 (9) 记录。可通过联锁各个开关来防止操作错误，以确保只能按预定顺序启动这些开关。例如，当前级泵未运行、无法保持所需背压或冷却水循环不工作时，就无法开启扩散泵。
粗真空和中等真空系统中的压力调节和控制
控制和调节用于给物理变量（这里指真空系统中的压力）一个特定值。通常使用执行器实现此功能，它能够改变提供给物理变量的能量供应，进而改变物理变量本身。控制是指通过命令来影响系统或装置。在这里，执行器以及物理变量的实际值将直接通过被操纵的变量进行更改。例如：通过与压力有关的开关来启动阀门。实际值可能因其他外部影响而以不希望的方式发生变化。受控单元无法对控制单元作出反应。因此，控制系统被认为具有开放的操作序列。对于调节，会将物理变量的实际值与规定的设定值不断进行比较，并在出现任何偏差时对其进行调节，以便尽可能完全接近设定值。在实际应用中，调节始终离不开控制。主要的区别是用于比较设定值和实际值的控制器。控制过程涉及到的所有元件构成控制电路。DIN 19226 规定了用于描述控制过程的术语和特性变量。
控制方法通常可分为间歇式控制（如两步或三步控制）和连续控制（如 PID 控制），前者会规定一个允许压力在其中变化的压力窗口；后者则是规定一个应当尽可能精确保持的压力设定值。我们有两种可能的方法来调整真空系统中的压力：第一种方法是改变抽取速度（通过关闭阀门来改变抽取速度或进行节流）；第二种方法是放气体进入（打开阀门）。这一共有 4 个程序。
间歇式压力调节
虽然连续调节程序会更加准确，但在很多情况下，两步或三步式调节可在所有真空范围内充分地满足要求。要指定压力窗口，需要两个或三个与压力有关的可变开关触点。这些开关触点可能安装在带有屏显的仪表中，或者安装在下游装置中，也可能是不带显示的压力开关。图 3.21 描述了三种调节之间的区别：通过抽取速度节流进行的两步调节；通过放气体进入进行的两点调节；以及通过将抽取速度节流和放气体进入结合进行的三点调节。图 3.22 和 3.23 显示了两种两步式调节系统的电路和结构。在通过抽取速度节流进行两步式调节时（图 3.22），向泵阀 4 提供电压，也就是说当继电器触点处于释放状态时，该阀打开。由于辅助继电器的自保持功能，当压力水平低于上开关点时，该阀会保持打开。仅在压力水平低于下开关点时，继电器锁扣才会释放。如果压力随后升高，则会在达到上开关点时再次将阀打开。
图 3.21 两步和三步式调节的示意图
图 3.22 通过抽取速度节流进行的两步式调节。
➀ 带两个开关点的真空计
➁ 节流阀
➂ 真空泵
➃ 泵阀
➄ 真空容器
Fu - 保险丝
R，Mp - 主电源连接，220 V/50 Hz
Smax - 最大值开关点
Smin - 最小值开关点
PV - 泵阀
R1 - 泵阀的辅助继电器
K1 - R1 的继电器触点
M - 测量和开关装置
图 3.23 通过放气体进入进行的两步式调节
➀ 带两个开关点的真空计
➁ 可变放气阀
➂ 进气阀
➃ 供气
➄ 节流阀
➅ 真空泵
➆ 真空容器
Fu - 保险丝
R，Mp - 主电源连接，220 V/50 Hz
Smax - 最大值开关点
Smin - 最小值开关点
EV - 进气阀
R2 - 进气阀的辅助继电器
K2 - R2 的继电器触点
M - 测量和开关装置
通过放气进行两步式调节时，进气阀最初处于关闭状态。当未达到上压力开关点时，不会发生任何变化；只有当压力降至低于下开关点时，才会“接通触点”以打开进气阀，同时启动具有自保持功能的辅助继电器。仅在超出上开关点之后，继电器自保持功能释放，才会关闭进气阀，从而返回空闲状态。
图 3.24 所示为同时使用上述两种方法构成的三步式调节系统。顾名思义，该调节系统结合使用两个开关点，下开关点通过抽取速度节流进行调节；上开关点则通过进气进行调节。
图 3.24 三步式调节系统。
➀ 带三个开关点的真空计
➁ 可变放气阀
➂ 可变放气阀
➃ 进气阀
➄ 供气
➅ 节流阀
➆ 真空泵
➇ 泵阀
➈ 真空容器
Fu - 保险丝
R，Mp - 主电源连接，220 V/50 Hz
Smax - 最大值开关点
Smitte - 平均值的开关点
Smin - 最小值开关点
T – GRPAHIX THREE
PV - 泵阀
EV - 进气阀
R1 - 泵间隔辅助继电器
R2 - 进气口间隔辅助继电器
K1 - R1 的继电器触点
K2 - R2 的继电器触点
M - 测量和开关装置
为了避免辅助继电器造成的复杂安装，很多装置提供了通过软件更改内置触发器值的功能。用户可以首先在单个开关点（或“电平触发器”）和联锁开关点（“间隔触发器”）之间进行选择。图 3.25 讲解了这种功能。借助间隔触发器，还可以选择滞后的长短以及设定值规格的类型，也就是说是装置中的固定设置，还是通过外部电压（例如 0–10 伏）实现的规格值。例如，可使用 Leybold 莱宝的 CEREVAC 和 GRAPHIX THREE 设置三步式调节系统（无辅助继电器）。
图 3.25 电平触发器和间隔触发器的图示
GRAPHIX - 有源传感器的操作单元 GRAPHIX 显示器和有源传感器的操作仪器
连续压力调节
我们必须在此处区分电子控制器（例如 PID 控制器）与作为执行器和机械式膜片控制器的比例阀。在配有电子控制器的调节系统中，由于边界条件（容器体积、容器的有效抽取速度、压力控制范围）差异较大，控制器与执行器（压电进气阀、带电机驱动的进气阀、蝶形控制阀、节流阀）之间很难协调。当发生过程故障时，此类控制电路易于发生振动。实际上，几乎无法指定普遍有效的标准值。
使用膜片控制器可以更好地解决很多控制问题。膜片控制器的功能（见图 3.27）可轻松地从膜片真空计的功能推断出：管子的钝端可通过弹性橡胶膜片封闭（参考压力 > 过程压力时）或释放（参考压力 < 过程压力时），以便在过程侧和真空泵之间建立连接。这种巧妙并具有一定“自动化”的调节系统具有出色的控制特性（参见图 3.28）。
图 3.27 膜片控制器的原理
- 参考腔
- 膜片
- 参考腔的测量接口
- 参考压力调节阀
- 泵接口
- 控制器底座
- 控制腔
- 过程压力测量接口
- 过程腔接口
图 3.28 模片控制器的控制特性。
P1 = 过程压力，P2 = 泵中的压力，Pref = 参考压力
为了实现更高的流量，可以并行连接多个膜片控制器。这意味着过程腔和参考腔也是并行连接的。图 3.29 显示了 3 个并联的 MR 50 膜片控制器。
为了控制真空过程，经常需要调整单个过程步骤中的压力。借助膜片控制器，可以手动或通过电动控制参考压力来完成此操作。
膜片控制器的参考压力较为容易实现电控，因为参考体积较小且始终保持恒定。图 3.31 的左图显示了这种布置的图片，右侧则是示例图；有关膜片控制器的应用示例，请参见 3.5.5。
为了能够改变参考压力，从而使过程压力变为更高的压力，必须在过程腔上额外安装一个进气阀。此阀可在所需的更高过程压力比当前的过程压力高出压差开关上设置的压差时，通过压差开关打开（图 3.31 中未显示）。
图 3.29 三个膜片控制器的并联连接
图 3.30 根据水蒸气公差调节真空泵的进气压力，以控制真空干燥过程。
DC - 膜片控制器
P - 真空泵
M - 测量和开关装置
PS - 压力传感器
V1 - 泵阀
V2 - 进气阀
TH - 节流阀
RC - 参考腔
PC - 过程腔
CV - 内部参考压力控制阀
图 3.31 带外部自动参考压力调节的膜片控制器。
DC - 膜片控制器
PS - 过程压力传感器
RS - 参考压力传感器
V1 - 进气阀
V2 - 泵阀
V3 - 进气可变放气阀
TH - 节流阀
M - 测量和开关装置
PP - 过程泵
RC - 参考腔
PC - 过程腔
AP - 辅助泵
CV - 内部参考压力控制阀
高真空系统和超高真空系统的压力调节
如果压力要在特定限值范围内保持恒定，则必须在被放入真空容器的气体与泵在阀门或节流装置的帮助下同时移除的气体之间建立平衡。这在粗真空和中等真空系统中不难实现，因为与流经系统的气体量相比，容器壁上吸附气体的解吸附量可忽略不计。可通过调节进气或抽取速度来调节压力。但是，膜片控制器只能在大气压力到大约 10 mbar 的压力范围内使用。
另一方面，在高真空和超高真空范围内，从容器壁上解吸附的气体变得对压力具有决定性影响。因此，仅当从容器壁上解吸附的气体相对于压力调节装置以可控方式放入的气体可忽略不计时，才能达到在高真空和超高真空范围内设置的特定压力值。因此，在此真空范围，通常采用电子 PID 控制器控制进气来调节压力。压电式或伺服马达控制的可变放气阀用作执行器。当压力低于 10-6 mbar 时，仅应使用可耐高温的全金属进气阀执行压力调节。
真空技术基础知识
下载我们的电子书《真空技术基础知识》，了解真空泵的基本知识和运行原理。
参考资料
- 真空符号
- 单位术语表
- 参考资料和来源
真空符号
真空符号
单位术语表
单位术语表
参考资料和来源
参考资料和来源
