Comment contrôler la pression à vide

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Principes fondamentaux de surveillance, de contrôle et de régulation de la pression dans les systèmes de vide

Dans tous les procédés sous vide, la pression dans le système doit être constamment vérifiée et, si nécessaire, régulée. Le contrôle des installations modernes exige en outre que toutes les valeurs mesurées importantes pour la surveillance d'une installation soient transmises aux stations centrales, aux centres de contrôle et de surveillance et compilées de manière claire. Les changements de pression sont fréquemment enregistrés dans le temps à l'aide d'appareils d'enregistrement. Cela signifie que les jauges à vide sont soumises à des exigences supplémentaires :

a) indication continue des valeurs mesurées, analogiques et numériques dans la mesure du possible
b) lecture claire et pratique des valeurs mesurées
c) sortie pour connecter un appareil d'enregistrement ou un équipement de commande ou de régulation
d) interface numérique intégrée (par ex. RS 232)
e) fonction de déclenchement des opérations de commutation via des points de déclenchement intégrés

Ces exigences sont généralement satisfaites par toutes les jauges à vide dotées d'un affichage électrique de la valeur mesurée, à l'exception des jauges à membrane mécanique et à vide remplies de liquide. Les unités de commande respectives sont équipées de sorties d'enregistreur qui fournissent des tensions continues entre 0 et 10 V, en fonction de la pression relevée sur l'échelle du compteur, de sorte que les valeurs de pression puissent être enregistrées au fil du temps à l'aide d'un appareil d'enregistrement. Si une unité de commutation de pression est raccordée sur la sortie de la jauge dédiée à l'enregistreur, des opérations de commutation peuvent être déclenchées lorsque les valeurs sont supérieures ou inférieures aux points de consigne spécifiés. Les valeurs de consigne ou de seuil de commutation pour déclencher des opérations de commutation directement dans les jauges sont appelées valeurs de déclenchement. Outre les jauges à vide, il existe des pressostats à membrane qui déclenchent une opération de commutation (sans affichage d'une valeur mesurée) via un amplificateur de contact lorsqu'une certaine pression est atteinte. Les vannes, par exemple, peuvent également être contrôlées par de telles opérations de commutation.

Fonctions automatiques de protection, de surveillance et de contrôle des systèmes de vide

La protection d'un système de vide contre les dysfonctionnements est extrêmement importante. En cas de défaillance, des éléments matériels de grande valeur peuvent être menacés, que ce soit par la perte de l'ensemble du système ou de ses principaux composants, par la perte du lot de matériaux à traiter ou par un temps d'arrêt de production supplémentaire. Il convient donc de prévoir des niveaux de contrôle opérationnel et de protection adéquats, en particulier dans le cas des grandes usines de production. Les facteurs individuels à prendre en compte dans ce contexte s'illustrent mieux avec un exemple : la figure 3.20 illustre le schéma de principe d'un système de pompe à vide poussé. Le réservoir (11) peut être mis sous vide à l'aide d'une pompe Roots (14) ou d'une pompe à diffusion (15), qui fonctionnent toutes deux en conjonction avec une pompe primaire (1). La pompe Roots est utilisée dans la plage de vide moyen et la pompe à diffusion dans la plage de vide poussé (vous pouvez également utiliser une pompe turbomoléculaire). Les vannes (3), (8) et (16) sont actionnées par un mécanisme électropneumatique. Les différents composants sont actionnés à partir d'un tableau de contrôle muni de boutons-poussoirs.

Fig 3.20 Schéma d'un système de pompe à vide poussé avec fonctionnement facultatif d'une pompe Roots

ou d'une pompe à diffusion.

Pompe primaire
Dispositif de surveillance de la pression de refoulement
Vanne électropneumatique
Raccordements d'air comprimé
Dispositif de surveillance de la pression
Dispositif de surveillance de la température
Dispositif de surveillance de l'eau de refroidissement
Vanne électropneumatique
Enregistreur
Dispositif de surveillance du vide poussé
Réservoir
Jauge à vide poussé
Interrupteurs limiteurs
Pompe Roots
Pompe à diffusion
Vanne électropneumatique
Vanne de mise à l'air

Mesures de protection du système de pompage contre les dysfonctionnements

Le système de pompage doit être protégé contre les dysfonctionnements décrits ci-dessous. Les mesures à prendre pour éviter de tels dysfonctionnements sont également indiquées :

a) Mesures en cas de coupure de courant : toutes les vannes sont fermées afin d'empêcher l'entrée d'air dans le réservoir de vide et de protéger la pompe à diffusion contre les dommages.

b) Protection en cas de chute de pression dans le réseau d'air comprimé : l'air comprimé est surveillé par un dispositif de surveillance de la pression (5). Si la pression chute en dessous d'une valeur déterminée, soit un signal est d'abord émis, soit les vannes sont automatiquement fermées. Dans ce cas, une réserve suffisante d'air comprimé est nécessaire (non représentée sur la Fig. 3.20), ce qui permet d'actionner au moins une fois toutes les vannes.

c) Mesures en cas de défaillance de l'eau de refroidissement en amont de la pompe à diffusion : l'eau de refroidissement est surveillée par un dispositif de surveillance du débit ou de la température (6) et (7). Si le débit d'eau de refroidissement est insuffisant, le chauffage de la pompe à diffusion est coupé et un signal est émis ; la vanne (8) se ferme.

d) Protection contre les défaillances du chauffage de la pompe à diffusion : l'interruption du système de chauffage de la pompe à diffusion peut être surveillée par un relais. Si la température dépasse une valeur maximale admissible, alors un dispositif de surveillance de la température (6) réagit. Dans les deux cas, la vanne (8) se ferme et un signal est émis.

e) Protection en cas de défaillance de la pompe primaire : les pompes primaires entraînées par courroie doivent être dotées d'un commutateur centrifuge qui arrête l'ensemble du système en cas de rupture de la courroie ou d'un autre dysfonctionnement. Les pompes monoblocs pour lesquelles l'entraînement est monté directement sur l'arbre peuvent être surveillées par des relais de courant et autres.

f) Protection contre une augmentation de la pression dans le réservoir au-delà d'un certain seuil : le dispositif de surveillance du vide poussé (10) émet un signal lorsque la pression de consigne est dépassée.

g) Assurer la contre-pression critique de la pompe à diffusion : lorsqu'une certaine contre-pression est dépassée, toutes les vannes sont fermées par le dispositif de surveillance de la pression de refoulement (2), les pompes sont désactivées et un signal est à nouveau émis. La position des vannes (3), (8) et (16) est indiquée sur le tableau de contrôle au moyen des interrupteurs de fin de course (13). La pression dans le réservoir est mesurée à l'aide d'une jauge à vide poussé (12) et enregistrée à l'aide d'un enregistreur (9). La protection contre les erreurs de fonctionnement peut être assurée en verrouillant les interrupteurs individuels de sorte qu'ils ne puissent être actionnés que dans une séquence prédéterminée. La pompe à diffusion, par exemple, peut ne pas être mise en marche si la pompe primaire ne fonctionne pas ou si la pression de refoulement requise n'est pas maintenue ou si la circulation de l'eau de refroidissement ne fonctionne pas.

Régulation et contrôle de la pression dans les systèmes de vide grossier et moyen

Le contrôle et la régulation ont pour fonction de donner une certaine valeur à une variable physique (dans ce cas, la pression dans le système de vide). Leur caractéristique commune est un actionneur qui modifie l'alimentation en énergie de la variable physique et donc, la variable elle-même. Le contrôle consiste à influencer un système ou une unité via des commandes. Dans ce cas, l'actionneur et donc la valeur réelle de la variable physique, sont modifiés directement avec une variable manipulée, par exemple : l'actionnement d'une vanne au moyen d'un interrupteur dépendant de la pression. La valeur réelle peut changer de manière indésirable en raison d'influences externes supplémentaires. L'unité contrôlée ne peut pas réagir à l'unité de commande. Pour cette raison, on dit que les systèmes de commande ont une séquence de fonctionnement ouverte. Dans le cas de la régulation, la valeur réelle de la variable physique est constamment comparée au point de consigne spécifié, puis régulée en cas d'écart, de manière à se rapprocher le plus possible de la valeur de consigne. A toutes fins pratiques, la réglementation exige toujours un contrôle. La principale différence réside dans le contrôleur qui compare le point de consigne et la valeur réelle. L'ensemble de tous les éléments impliqués dans le processus de régulation constitue le circuit de régulation. La terminologie et les variables caractéristiques permettant de décrire les processus de régulation sont stipulées dans la norme DIN 19226.

On distingue généralement la régulation discontinue (par exemple, la régulation en deux temps ou en trois temps) avec spécification d'une fenêtre de pression, à l'intérieur de laquelle la pression peut varier, et la régulation continue (par exemple, la régulation PID) avec un point de consigne de pression spécifié, qui doit être maintenu aussi précisément que possible. Il existe deux façons de régler la pression dans un système de vide : premièrement, en modifiant la vitesse de pompage (modification de la vitesse de la pompe ou étranglement via la fermeture d'une vanne) ; deuxièmement, par l'admission de gaz (ouverture d'une vanne). Il en résulte un total de 4 procédures.

Régulation discontinue de la pression

Bien que la régulation continue soit sans aucun doute la procédure la plus élégante, souvent, la régulation en deux ou trois temps est parfaitement adaptée à toutes les plages de vide. Pour spécifier la fenêtre de pression, deux ou trois contacteurs variables dépendants de la pression sont nécessaires. Peu importe ici que ces contacteurs soient installés dans une jauge avec affichage ou dans une unité en aval, ou qu'il s'agisse d'un pressostat sans affichage. La figure 3.21 illustre la différence entre la régulation en deux temps par étranglement de la vitesse de pompage, la régulation en deux points par admission de gaz et la régulation en trois temps par une combinaison d'étranglement de la vitesse de pompage et d'admission de gaz. Les figures 3.22 et 3.23 montrent le circuit et la structure des deux systèmes de régulation en deux temps. En cas de régulation en deux temps par étranglement de la vitesse de pompage (Fig. 3.22), la vanne de la pompe 4 est alimentée en tension, c'est-à-dire qu'elle est ouverte lorsque les contacts du relais sont en condition de relâchement. A un niveau inférieur au point de commutation maximum, la vanne reste ouverte en raison de la fonction d'auto-maintien du relais auxiliaire. Ce n'est qu'en deçà du point de commutation minimum que le relais est verrouillé. Si la pression augmente par la suite, la vanne s'ouvre à nouveau au point de commutation maximum.

Fig 3.21 Schéma de la régulation en deux et trois temps

Fig 3.22 Régulation en deux temps par étranglement de la vitesse de pompage.

➀ Jauge à deux points de commutation

➁ Vanne d'étranglement
➂ Pompe à vide
➃ Vanne de pompage
➄ Réservoir de vide

Fu : fusible
R, MP : connexion secteur 220 V/50 Hz
SMAX : point de commutation pour la valeur maximale
Smin : point de commutation pour la valeur minimale
PV : vanne de pompage
R1 : relais auxiliaire de la vanne de pompage
K1 : contact de relais de R1
M : dispositif de mesure et de commutation

Fig 3.23 Régulation en deux temps par admission de gaz

➀ Jauge à deux points de commutation
➁ Vanne à fuite variable
➂ Vanne d'admission
➃ Alimentation en gaz
➄ Vanne d'étranglement
➅ Pompe à vide
➆ Réservoir de vide

Fu : fusible
R, MP : connexion secteur 220 V/50 Hz
SMAX : point de commutation pour la valeur maximale
Smin : point de commutation pour la valeur minimale
EV : vanne d'admission
R2 : relais auxiliaire de la vanne d'admission
K2 : contact de relais de R2
M : dispositif de mesure et de commutation

Dans le cas d'une régulation en deux temps par admission de gaz, la vanne d'admission est initialement fermée. Tant que le point de commutation de pression maximum n'est pas atteint, rien ne change ; ce n'est que lorsque la pression chute en dessous du point de commutation minimum que les « contacts de travail » ouvrent la vanne d'admission de gaz et actionnent simultanément le relais auxiliaire avec fonction d'auto-maintien. Le retour à l'état de repos avec fermeture de la vanne d'admission de gaz ne s'effectue pas tant que le point de commutation maximum n'est pas dépassé en raison du relâchement de la fonction d'auto-maintien du relais.

La figure 3.24 montre le système de régulation en trois temps créé avec les deux composants qui viennent d'être décrits. Comme son nom l'indique, les deux points de commutation, le point de commutation minimum du système de régulation via l'étranglement de la vitesse de pompage et le point de commutation maximum du système de régulation de l'admission de gaz, ont été combinés.

Fig 3.24 Système de régulation en trois temps.

➀ Jauge à trois points de commutation
➁ Vanne à fuite variable
➂ Vanne à fuite variable
➃ Vanne d'admission
➄ Alimentation en gaz
➅ Vanne d'étranglement
➆ Pompe à vide
➇ Vanne de pompage
➈ Réservoir de vide

Fu : fusible
R, MP : connexion secteur 220 V/50 Hz
SMAX : point de commutation pour la valeur maximale
Smitte : point de commutation pour la valeur moyenne
Smin : point de commutation pour la valeur minimale
T : GRAPHIX THREE
PV : vanne de pompage
EV : vanne d'admission
R1 : relais auxiliaire pour l'intervalle de pompage
R2 : relais auxiliaire pour l'intervalle d'admission
K1 : contact de relais de R1
K2 : contact de relais de R2
M : dispositif de mesure et de commutation

Pour éviter une installation compliquée avec des relais auxiliaires, de nombreux appareils offrent la possibilité de modifier le type de fonction des valeurs de déclenchement intégrées via logiciel. Au départ, il est possible de choisir entre des points de commutation individuels (ou « déclencheurs de type niveau ») et des points de commutation interconnectés (« déclencheurs de type intervalle »). Ces fonctions sont expliquées à la Fig. 3.25. Avec les déclencheurs de type intervalle, il est également possible de sélectionner la taille de l'hystérésis et le type de spécification du point de consigne, c'est-à-dire un réglage fixe dans l'unité ou une spécification via une tension externe, par exemple de 0 à 10 volts. Un système de régulation en trois temps (sans relais auxiliaire), par exemple, peut être configuré avec les systèmes Leybold CEREVAC et GRAPHIX THREE.

Figure 3.25 Schéma des déclencheurs de type niveau et intervalle

Display and operating instruments for active sensors

GRAPHIX – Unités de commande pour capteurs actifs GRAPHIX Affichage et instruments de commande pour capteurs actifs

Régulation continue de la pression

Il faut ici faire une distinction entre les contrôleurs électriques (par exemple les contrôleurs PID) actionnés par une vanne proportionnelle, et les contrôleurs mécaniques à membrane. Dans un système de régulation faisant appel à des contrôleurs électriques, la coordination entre le contrôleur et l'actionneur (vanne piézoélectrique d'admission de gaz, vanne d'admission à entraînement motorisé, vanne papillon de commande, vanne d'étranglement) est difficile en raison de conditions seuils très différentes (volume du réservoir, vitesse de pompage effective au niveau du réservoir, plage de contrôle de pression). Ces circuits de régulation ont tendance à vibrer facilement en cas de dysfonctionnement du procédé. Il est pratiquement impossible de spécifier des valeurs standard généralement valides.

Le recours à un contrôleur à membrane permet de mieux résoudre de très nombreux problèmes de régulation. Le fonctionnement d'un contrôleur à membrane (voir Fig. 3.27) peut facilement être déduit de celui d'une jauge à vide à membrane : l'extrémité émoussée d'un tube ou d'un tuyau est soit fermée au moyen d'une membrane élastique en caoutchouc (pour une pression de référence > pression de procédé), soit relâchée (pour une pression de référence < pression de procédé) dans ce dernier cas, une connexion s'établit entre le côté procédé et la pompe à vide. Cet élégant système de régulation plus ou moins « automatique » offre d'excellentes caractéristiques de contrôle (voir Fig. 3.28).

Fig 3.27 Principe d'un contrôleur à membrane

Chambre de référence
Membrane
Raccord de mesure pour chambre de référence
Vanne de réglage de la pression de référence
Raccord de pompe
Siège du contrôleur
Chambre de contrôle
Raccord de mesure de la pression de procédé
Raccord de la chambre de traitement

Fig 3.28 Caractéristiques de commande d'un contrôleur à membrane.

P₁= pression de procédé, P₂= pression dans la pompe, Pref = pression de référence

Pour obtenir des débits plus élevés, plusieurs contrôleurs à membrane peuvent être reliés en parallèle. Cela signifie que les chambres de traitement et les chambres de référence sont également reliées en parallèle. La figure 3.29 montre 3 contrôleurs à membrane MR 50 raccordés de cette manière.

Pour contrôler un procédé sous vide, il faut souvent modifier la pression à chaque étape du processus. Avec un contrôleur à membrane, cette opération peut être effectuée manuellement ou via commande électrique de la pression de référence.

La commande électrique de la pression de référence d'un contrôleur à membrane est relativement simple en raison du petit volume de référence qui reste toujours constant. La figure 3.31 illustre cette disposition : à gauche sous forme d'image, et à droite sous forme de schéma. Se reporter à la section 3.5.5 pour des exemples d'application faisant appel à des contrôleurs à membrane.

Pour pouvoir modifier la pression de référence et donc la pression de procédé vers des valeurs plus élevées, il faut également installer une vanne d'admission de gaz dans la chambre de traitement. Cette vanne s'ouvre à l'aide d'un pressostat différentiel (non illustré sur la Fig. 3.31) lorsque la pression de procédé supérieure souhaitée dépasse la pression de processus actuelle de plus de la différence de pression définie sur le pressostat différentiel.

Fig 3.29 Raccordement triple des contrôleurs à membrane

Fig 3.30 Contrôle des procédés de séchage sous vide par régulation de la pression d'admission d'une pompe à vide en fonction de la tolérance de vapeur d'eau.

DC : contrôleur à membrane
P : pompe à vide
M : dispositif de mesure et de commutation
PS : capteur de pression
V1 : vanne de pompage
V2 : vanne d'admission de gaz
TH : vanne d'étranglement
RC : chambre de référence
PC : chambre de traitement
CV : vanne de commande de la pression de référence interne

Fig 3.31 Contrôleur à membrane avec régulation automatique externe de la pression de référence.

DC : contrôleur à membrane
PS : capteur de pression de procédé
RS : capteur de pression de référence
V1 : vanne d'admission de gaz
V2 : vanne de pompage
V3 - vanne d'admission de gaz à fuite variable
TH : vanne d'étranglement
M : dispositif de mesure et de commutation
PP - pompe de traitement
RC : chambre de référence
PC : chambre de traitement
AP : pompe auxiliaire
CV : vanne de commande de la pression de référence interne

Régulation de la pression dans les systèmes de vide poussé et d'ultravide

Si l'on veut maintenir la pression constante dans certaines limites, il faut établir un équilibre entre le gaz admis dans le réservoir de vide et le gaz évacué simultanément par la pompe à l'aide de vannes ou de dispositifs d'étranglement. Ceci n'est pas très difficile dans les systèmes de vide grossier et moyen, car la désorption des gaz adsorbés sur les parois est généralement négligeable par rapport à la quantité de gaz circulant dans le système. La régulation de la pression peut être effectuée par l'admission de gaz ou la régulation de la vitesse de pompage. Cependant, l'utilisation de contrôleurs à membrane n'est possible qu'entre la pression atmosphérique et environ 10 mbar.

En revanche, dans la plage de vide poussé et d'ultravide, le dégagement de gaz depuis les parois du réservoir a une influence décisive sur la pression. Le réglage de valeurs de pression spécifiques dans la plage de vide poussé et d'ultravide n'est donc possible que si le dégagement de gaz depuis les parois est négligeable par rapport à l'admission contrôlée du gaz via l'unité de régulation de pression. Pour cette raison, la régulation de pression dans cette plage est généralement effectuée via l'admission de gaz régulée par un contrôleur PID électrique. Les vannes à fuite variable piézoélectriques ou commandées par servomoteur sont utilisées comme actionneurs. Seules des vannes d'admission de gaz entièrement métalliques pouvant être étuvée doivent être utilisées pour une régulation de pression inférieure à 10^-6 mbar.

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Aperçu des unités de mesure et des symboles utilisés en technologie du vide, ainsi que des équivalents modernes des unités historiques

Références et sources

Références, sources et autres ouvrages à consulter concernant les connaissances fondamentales sur la technologie du vide