So wird der Vakuumdruck gesteuert

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Grundlagen der Drucküberwachung, -steuerung und -regelung in Vakuumsystemen

Bei allen Vakuumprozessen muss der Druck im System ständig überprüft und ggf. geregelt werden. Bei der modernen Anlagensteuerung sind darüber hinaus alle Messwerte, die für die Überwachung einer Anlage wichtig sind, an Zentralen, Überwachungs- und Kontrollstellen zu übermitteln und übersichtlich zusammenzustellen. Druckänderungen werden häufig zeitabhängig von Schreibern aufgezeichnet. Das bedeutet, dass an die Vakuummessgeräte zusätzliche Anforderungen gestellt werden:

a) kontinuierliche Anzeige der Messwerte, soweit möglich analog und digital
b) übersichtliches und bequemes Ablesen der Messwerte
c) Schreiberausgang zum Anschluss eines Schreibers oder einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung
d) integrierte digitale Schnittstelle (z. B. RS 232)
e) Möglichkeit zur Auslösung von Schaltvorgängen durch integrierte Triggerpunkte

Diese Anforderungen werden in der Regel von allen Vakuummetern erfüllt, die über eine elektrische Messwertanzeige verfügen. Eine Ausnahme bilden mechanische Membranvakuummeter und flüssigkeitsgefüllte Vakuummeter. Die jeweiligen Steuereinheiten sind mit Schreiberausgängen ausgestattet, die je nach Druckwert auf der Messskala eine Dauerspannung zwischen 0 und 10 V liefern, sodass die Druckwerte über die Zeit mit einem Schreiber aufgezeichnet werden können. Wenn ein Druckumschaltgerät an den Schreiberausgang des Messgeräts angeschlossen ist, können Schaltvorgänge bei Über- oder Unterschreiten der festgelegten Sollwerte ausgelöst werden. Die Sollwerte oder Schaltschwellenwerte zum Auslösen von Schaltvorgängen direkt in den Messgeräten werden Trigger-Werte genannt. Neben den Vakuummetern gibt es Membran-Druckschalter, die bei Erreichen eines bestimmten Drucks über einen Kontaktverstärker einen Schaltvorgang (ohne Anzeige eines Messwertes) auslösen. Über diese Schaltvorgänge können z. B. auch Ventile gesteuert werden.

Automatische Absicherung, Überwachung und Steuerung von Vakuumsystemen

Der Schutz des Vakuumsystems vor Fehlfunktionen ist äußerst wichtig. Bei einem Defekt können hohe Materialwerte gefährdet sein, sei es durch den Verlust des gesamten Systems oder seiner Hauptkomponenten, durch den Verlust der zu verarbeitenden Materialcharge oder durch weitere Produktionsausfälle. Daher sollten insbesondere bei großen Produktionsanlagen ausreichende betriebliche Kontrollen und Schutzmechanismen installiert werden. Die einzelnen Faktoren, die in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen sind, lassen sich am besten anhand eines Beispiels illustrieren: Abb. 3.20 zeigt das Schaubild eines Hochvakuumpumpensystems. Der Behälter (11) kann über eine Rootspumpe (14) oder eine Diffusionspumpe (15) evakuiert werden, die beide in Verbindung mit der Vorvakuumpumpe (1) arbeiten. Die Rootspumpe wird im Fein-Vakuumbereich verwendet, die Diffusionspumpe im Hoch-Vakuumbereich (es kann auch eine Turbomolekularpumpe verwendet werden). Die Ventile (3), (8) und (16) werden elektropneumatisch betrieben. Die einzelnen Komponenten werden über ein Schaltpult mit Druckknopfschalter betätigt.

Abb. 3.20 – Schematische Darstellung eines Hochvakuumpumpensystems mit optionalem Betrieb einer Roots-

pumpe oder Diffusionspumpe.

Vorpumpe
Überwachungsgerät für Vorvakuum
Elektropneumatisches Ventil
Druckluftanschluss
Drucküberwachungsgerät
Temperaturüberwachungsgerät
Kühlwasserüberwachungsgerät
Elektropneumatisches Ventil
Schreiber
Hochvakuumüberwachungsgerät
Behälter
Hochvakuummesssensor
Endkontakte
Rootspumpe
Diffusionspumpe
Elektropneumatisches Ventil
Entlüftungsventil

Maßnahmen zum Schutz des Pumpensystems bei Störungen

Das Pumpensystem ist wie nachfolgend beschrieben vor Störungen zu schützen. Auch die Abhilfemaßnahmen für die Störungsbehebung werden genannt:

a) Maßnahmen bei Stromausfall: Alle Ventile werden geschlossen, um das Eindringen von Luft in den Vakuumbehälter zu verhindern und die Diffusionspumpe vor Schaden zu schützen.

b) Sicherung bei Absinken des Druckes im Druckluftnetz: Die Druckluft wird durch eine Drucküberwachungseinrichtung (5) überwacht. Sinkt der Druck unter einen vorgegebenen Wert, wird zunächst ein Signal abgegeben, oder die Ventile werden automatisch geschlossen. Hierfür ist es notwendig, dass ein genügend großes Vorratsvolumen der Druckluft vorhanden ist (nicht in Abb. 3.20 dargestellt), das für die einmalige Betätigung sämtlicher Ventile ausreicht.

c) Maßnahmen bei Ausfall des Kühlwassers zur Diffusionspumpe: Das Kühlwasser wird durch eine Durchfluss- oder Temperaturüberwachungseinrichtung (6) und (7) überwacht. Bei zu geringem Kühlwasserabfluss wird die Heizung der Diffusionspumpe abgeschaltet und ein Signal ausgegeben; das Ventil (8) schließt.

d) Sicherung bei Ausfall der Diffusionspumpenheizung: Der Ausfall der Diffusionspumpenheizung kann über ein Relais überwacht werden. Steigt die Temperatur über einen maximal zulässigen Wert, so reagiert die Temperaturüberwachungseinrichtung (6). In beiden Fällen schließt das Ventil (8), und es wird ein Signal ausgegeben.

e) Sicherung bei Ausfall der Vorvakuumpumpe: Vorvakuumpumpen mit Keilriemenantrieb müssen einen Fliehkraftschalter haben, der die gesamte Anlage bei einem Riemenbruch oder einer anderen Fehlfunktion abschaltet. Einblockpumpen, bei denen der Antrieb unmittelbar auf der Welle übertragen wird, können durch Stromrelais und dergleichen überwacht werden.

f) Sicherung gegen Druckanstieg im Rezipienten über einen bestimmten Grenzwert: Die Hochvakuumüberwachungseinrichtung (10) gibt bei Überschreitung eines vorgeschriebenen Druckes ein Signal.

g) Absicherung des kritischen Vordrucks der Diffusionspumpe: Bei Überschreitung eines bestimmten Vorvakuumdruckes werden alle Ventile durch die Vorvakuumüberwachung (2) geschlossen, die Pumpen werden abgeschaltet, und es wird wieder ein Signal ausgegeben. Die Stellung der Ventile (3), (8) und (16) wird mithilfe der Grenzschalter (13) an der Bedienungstafel angezeigt. Der Druck im Behälter wird mit einem Hochvakuummesssensor (12) gemessen und mit einem Schreiber (9) aufgezeichnet. Der Schutz vor Bedienfehlern kann durch Verriegelung der einzelnen Schalter gewährleistet werden, indem die Schalter nur in einer vorgegebenen Reihenfolge betätigt werden können. Die Diffusionspumpe darf beispielsweise nicht eingeschaltet werden, wenn die Vorvakuumpumpe nicht läuft oder das erforderliche Vorvakuum nicht aufrechterhalten wird oder die Kühlwasserzirkulation nicht funktioniert.

Druckregelung und -steuerung in Grob- und Feinvakuumsystemen

Steuerung und Regelung haben die Funktion, eine physikalische Größe – in diesem Fall den Druck im Vakuumsystem – auf einem bestimmten Wert zu halten. Die gemeinsame Eigenschaft ist das Stellglied, das die Energieversorgung der physikalischen Variable und damit die Variable selbst ändert. „Steuerung“ bezieht sich auf die Beeinflussung eines Systems oder einer Einheit durch Befehle. In diesem Fall wird das Stellglied (und damit der Istwert der physikalischen Größe) direkt mit einer Stellgröße verändert. Beispiel: Steuerung eines Ventils über einen druckabhängigen Schalter. Der Istwert kann sich aufgrund externer Einflüsse unerwünscht verändern. Die Regelgröße kann nicht auf die Steuereinheit reagieren. Aus diesem Grund werden Steuerungen auch als offene Regelkreise bezeichnet. Bei einer Regelung wird der Istwert der physikalischen Größe fortlaufend mit dem Sollwert verglichen und bei Abweichung so angepasst, dass er möglichst nahe am Sollwert liegt. In der Praxis erfordert eine Regelung immer auch eine Steuerung. Der Hauptunterschied ist der Regler, in dem Soll- und Istwert verglichen werden. Die Gesamtheit aller am Regelprozess beteiligten Glieder bildet den Regelkreis. Die Begriffe und Kenngrößen zur Beschreibung von Regelprozessen sind in der DIN 19226 festgelegt.

Allgemein wird unterschieden zwischen unstetiger Regelungen (z. B. Zweipunkt- oder Dreipunktregelung) mit Vorgabe eines Druckfensters, in dem sich der Druck bewegen darf, und stetiger Regelung (z. B. PID-Steuerung) mit einem vorgegebenen Drucksollwert, der so genau wie möglich gehalten werden muss. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Druck in einem Vakuumsystem einzustellen: erstens durch Verändern des Saugvermögens durch Änderung der Pumpendrehzahl (Anpassung der Pumpendrehzahl oder Drosselung durch Schließen eines Ventils), zweitens durch Gaseinlass (Öffnen eines Ventils). Daraus ergeben sich insgesamt 4 Vorgehensweisen.

Unstetige Druckregelung

Eine stetige Regelung stellt zwar zweifellos das elegantere Verfahren dar, doch in vielen Fällen ist eine Zwei- bzw. Dreipunktregelung in allen Vakuumbereichen völlig ausreichend. Zur Angabe des Druckfensters sind zwei oder drei variable, druckabhängige Schalterkontakte erforderlich. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Schalterkontakte in einem Manometer mit Display oder in einer nachgeschalteten Einheit eingebaut sind oder ob es sich um einen Druckschalter ohne Display handelt. Abb. 3.21 soll den Unterschied zwischen Zweipunktregelung durch Saugvermögendrosselung, einer Zweipunktregelung durch Gaseinlass und einer Dreipunktregelung durch Kombination von Saugvermögendrosselung und Gaseinlass verdeutlichen. Die Abbildungen 3.22 und 3.23 zeigen Schaltung und Aufbau der beiden Zweipunktregelungen. Bei der Zweipunktregelung durch Saugvermögensdrosselung (Abb. 3.22) ist im Ruhezustand der Relais-Kontakte das Pumpventil 4 mit Spannung versorgt, also geöffnet. Erst durch Unterschreiten des unteren Schaltpunktes wird die Relais-Selbsthaltung wieder gelöst. Bei einem nachfolgenden Druckanstieg wird das Ventil erst beim oberen Schaltpunkt erneut geöffnet.

Abb. 3.21 – Schema von Zweipunkt- und Dreipunktregelung

Abb. 3.22 – Zweipunktregelung durch Saugvermögensdrosselung

➀ Messgerät mit zwei Schaltpunkten

➁ Drosselventil
➂ Vakuumpumpe
➃ Pumpventil
➄ Vakuumbehälter

Fu – Sicherung
R, Mp – Netzanschluss 220 V/50 Hz
Smax – Schaltpunkt für Maximalwert
Smin – Schaltpunkt für Minimalwert
PV – Pumpventil
R1 – Hilfsrelais für Pumpventil
K1 – Relaiskontakt von R1
M – Mess- und Schaltgerät

Abb. 3.23 – Zweistufige Regelung durch Gasballast

➀ Messgerät mit zwei Schaltpunkten
➁ Dosierventil
➂ Einlassventil
➃ Gasvorrat
➄ Drosselventil
➅ Vakuumpumpe
➆ Vakuumbehälter

Fu – Sicherung
R, Mp – Netzanschluss 220 V/50 Hz
Smax – Schaltpunkt für Maximalwert
Smin – Schaltpunkt für Minimalwert
EV – Einlassventil
R2 – Hilfsrelais für Einlassventil
K2 – Relaiskontakt von R2
M – Mess- und Schaltgerät

Bei einer Zweipunktregelung durch Gaseinlass ist das Einlassventil zunächst geschlossen. Bei Unterschreiten des oberen Druckschaltpunktes verändert sich nichts, erst bei Unterschreiten des unteren Schaltpunktes werden durch die Schließerkontakte gleichzeitig das Gaseinlassventil geöffnet und das Hilfrelais mit Selbsthaltefunktion betätigt. Eine Rückkehr in den Ruhezustand mit Schließen des Gaseinlassventils wird erst nach Überschreiten des oberen Schaltpunktes durch den Abfall der Relais-Selbsthaltung wieder erreicht.

Abb. 3.24 zeigt das entsprechende Dreipunktregelung, die mit den beiden eben beschriebenen Komponenten erstellt wurde. Wie der Name sagt, werden hier zwei Schaltpunkte kombiniert: der untere Schaltpunkt durch Saugvermögensdrosselung und der obere Schaltpunkt der Gasseinlassregelung.

Abb. 3.24 – Dreipunktregelung.

➀ Messgerät mit drei Schaltpunkten
➁ Dosierventil
➂ Dosierventil
➃ Einlassventil
➄ Gasvorrat
➅ Drosselventil
➆ Vakuumpumpe
➇ Pumpventil
➈ Vakuumbehälter

Fu – Sicherung
R, Mp – Netzanschluss 220 V/50 Hz
Smax – Schaltpunkt für Maximalwert
Smitte – Schaltpunkt für Mittelwert
Smin – Schaltpunkt für Minimalwert
T – GRAPHIX THREE
PV – Pumpventil
EV – Einlassventil
R1 – Hilfsrelais für Pumpintervall
R2 – Hilfsrelais für Einlassintervall
K1 – Relaiskontakt von R1
K2 – Relaiskontakt von R2
M – Mess- und Schaltgerät

Um die komplizierte Installation mit Hilfsrelais zu vermeiden, bieten viele Geräte die Möglichkeit, die Funktion der integrierten Triggerwerte per Software zu ändern. Dabei kann zunächst zwischen Einzelschaltpunkten (Level-Trigger) und verketteten Schaltpunkten (Intervall-Trigger) gewählt werden. Diese Funktionen werden in Abb. 3.25 erläutert. Mit Intervall-Triggern kann auch die Größe der Hysterese und die Art der Sollwertvorgabe gewählt werden, d. h. entweder eine feste Einstellung im Gerät oder eine Vorgabe durch eine externe Spannung, z. B. von 0 bis 10 Volt. Mit dem Leybold CERVAC und dem GRAPHIX THREE kann z. B. eine Dreipunktregelung (ohne Hilfsrelais) aufgebaut werden.

Abb. 3.25 – Schaltfunktion mit Level- und Intervall-Trigger

Display and operating instruments for active sensors

GRAPHIX-Bedieneinheiten für aktive Sensoren GRAPHIX-Anzeige und Bedieninstrumente für aktive Sensoren

Stetige Druckregelung

Hier wird unterschieden zwischen Elektrischen Reglern (z. B. PID-Regler) mit Proportionalventil als Stellglied und mechanischen Membranreglern. In einem Regelsystem mit elektrischen Reglern ist die Koordination zwischen Steuerung und Stellglied (piezoelektrisches Gaseinlassventil, Einlassventil mit Motorantrieb, Drosselklappe, Drosselventil) aufgrund der stark unterschiedlichen Randbedingungen (Behältervolumen, effektives Saugvermögen am Behälter, Druckregelbereich) schwierig. Solche Regelkreise neigen dazu, bei Prozessstörungen leicht zu schwingen. Es ist nahezu unmöglich, allgemein gültige Richtwerte festzulegen.

Viele Regelprobleme lassen sich besser mit einem Membranregler lösen. Ein Membranregler (siehe Abb. 3.27) funktioniert ähnlich wie ein Membranvakuummeter: Durch eine gummielastische Membran wird ein stumpfes Rohrende verschlossen (Referenzdruck > Prozessdruck) oder geöffnet (Referenzdruck < Prozessdruck). Im letzteren Fall wird eine Verbindung zwischen Prozessseite und Vakuumpumpe hergestellt. Dieses elegante und mehr oder weniger automatische Regelsystem verfügt über ausgezeichnete Regeleigenschaften (siehe Abb. 3.28).

Abb. 3.27 – Prinzip des Membranreglers

Referenzkammer
Membran
Messanschluss für Referenzkammer
Referenzdruckeinstellventil
Pumpenanschluss
Reglersitz
Regelkammer
Messanschluss für Prozessdruck
Anschluss für Prozesskammer

Abb. 3.28 – Regelverhalten eines Membranreglers.

P₁ = Prozessdruck, P₂ = Druck in der Pumpe, P_ref = Referenzdruck

Um höhere Durchflussraten zu erzielen, können mehrere Membranregler parallel angeschlossen werden. Dabei werden die Prozesskammern und Referenzkammern ebenfalls parallel geschaltet. Abb. 3.29 zeigt eine derartige Schaltung von 3 Membranreglern des Typs MR 50.

Zur Steuerung eines Vakuumprozesses ist es häufig notwendig, den Druck in einzelnen Prozessschritten anzupassen. Mit einem Membranregler kann dies entweder manuell oder über die elektrische Steuerung des Referenzdrucks erfolgen.

Die elektrische Regelung des Referenzdrucks ist bei einem Membranregler relativ einfach, da das kleine Referenzvolumen immer konstant bleibt. Abb. 3.31 zeigt eine solche Anordnung links als Bild und rechts als Schaubild. Anwendungsbeispiele mit Membranregler siehe 3.5.5.

Um den Referenzdruck und damit den Prozessdruck in Richtung höherer Drücke ändern zu können, muss zusätzlich ein Gaseinlassventil in der Prozesskammer installiert werden. Dieses Ventil wird über einen Differenzdruckschalter geöffnet (nicht in Abb. 3.31), sobald der höhere Soll-Prozessdruck den Ist-Prozessdruck um mehr als die am Differenzdruckschalter eingestellte Druckdifferenz übersteigt.

Abb. 3.29 – Dreifachanschlussschaltung von Membranreglern

Abb. 3.30 – Steuerung von Vakuumtrocknungsprozessen durch Regelung des Einlassdrucks der Vakuumpumpe entsprechend deren Wasserdampfverträglichkeit.

DC – Membranregler
P – Vakuumpumpe
M – Mess- und Schaltgerät
PS – Drucksensor
V1 – Pumpventil
V2 – Gaseinlassventil
TH – Drosselventil
RC – Referenzkammer
PC – Prozesskammer
CV – internes Referenzdruckregelventil

Abb. 3.31 – Membranregler mit externer automatischer Referenzdruckregelung.

DC – Membranregler
PS – Prozessdrucksensor
RS – Referenzdrucksensor
V1 – Gaseinlassventil
V2 – Pumpventil
V3 – Gaseinlassdosierventil
TH – Drosselventil
M – Mess- und Schaltgerät
PP – Prozesspumpe
RC – Referenzkammer
PC – Prozesskammer
AP – Zusatzpumpe
CV – internes Referenzdruck-Regelventil

Druckregelung in Hoch- und Ultrahochvakuumsystemen

Soll der Druck innerhalb bestimmter Toleranzen konstant gehalten werden, so muss mit Hilfe von Ventilen oder Drosselstrecken ein Gleichgewicht zwischen der in den Vakuumbehälter eingelassenen Gasmenge und der gleichzeitig von der Pumpe abgesaugten Gasmenge hergestellt werden. Dies ist bei Grob- und Feinvakuumsystemen nicht schwierig, da die Desorption der adsorbierten Gase aus den Wänden gegenüber der durchströmenden Gasmenge im allgemeinen vernachlässigbar gering ist. Die Druckregelung kann über den Gaseinlass oder durch Saugvermögensregelung erfolgen. Der Einsatz von Membranreglern ist jedoch nur zwischen Atmosphärendruck und ca. 10 mbar möglich.

Im Hoch- und Ultrahochvakuum hingegen hat das Ausgasen aus den Behälterwänden entscheidenden Einfluss auf den Druck. Die Einstellung spezifischer Druckwerte im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich ist daher nur möglich, wenn die Gasabgabe von den Wänden gegenüber den durch die Druckregelgeräte gesteuerten Gasmengen zu vernachlässigen sind. Regelungen in diesem Bereich werden daher meist als Gaseinlassregelung mit einem elektrischen PID-Regler ausgeführt. Als Stellglieder werden piezoelektrische oder servomotorgesteuerte Dosierventile eingesetzt. Für eine Druckregelung unter 10^-6 mbar dürfen nur ausheizbare Ganzmetall-Gaseinlassventile verwendet werden.

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