Come controllare la pressione del vuoto

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Principi fondamentali di monitoraggio, controllo e regolazione della pressione nei sistemi per vuoto

In tutti i processi sottovuoto, la pressione nell'impianto deve essere costantemente controllata e, se necessario, regolata. Il controllo degli impianti moderni richiede inoltre che tutti i valori misurati importanti per il monitoraggio dell'impianto vengano trasmessi a stazioni centrali, a centri di monitoraggio e controllo e registrati in modo chiaro. Le variazioni di pressione vengono spesso registrate nel corso del tempo dalle apparecchiature di registrazione. Ciò significa che ai vacuometri vengono richieste ulteriori funzioni:

a) indicazione continua dei valori misurati, analogici e digitali, per quanto possibile
b) lettura chiara e pratica dei valori misurati
c) uscita per registratore per il collegamento di uno strumento di registrazione o un'apparecchiatura di controllo o regolazione
d) interfaccia digitale integrata (ad es. RS 232)
e) funzione per l'attivazione di operazioni di commutazione attraverso punti di attivazione integrati

Queste richieste vengono generalmente soddisfatte da tutti i vacuometri dotati di display elettrico dei valori misurati, ad eccezione dei vacuometri meccanici a diaframma e di quelli riempiti con liquido. Le rispettive unità di controllo sono dotate di uscite per registrazione che forniscono tensioni continue comprese tra 0 e 10 V, a seconda della lettura della pressione sulla scala del misuratore, in modo che i valori di pressione possano essere registrati nel tempo mediante registratore. Se il pressostato è collegato all'uscita del registratore del vacuometro, le operazioni di commutazione possono essere attivate quando i valori risultano superiori o inferiori ai valori impostati specificati. I punti di regolazione o i valori di soglia dell'interruttore per l'attivazione delle operazioni di commutazione direttamente sui vacuometri sono detti valori di attivazione. Oltre ai vacuometri, sono presenti pressostati che attivano un'operazione di commutazione (senza visualizzazione del valore misurato) tramite un amplificatore di contatto al raggiungimento di una determinata pressione. Le valvole, ad esempio, possono essere controllate tramite tali operazioni di commutazione.

Protezione, monitoraggio e controllo automatici dei sistemi per vuoto

La protezione di un sistema per vuoto contro eventuali malfunzionamenti è estremamente importante. In caso di guasto, valori molto elevati di materiali possono essere a rischio, a causa della perdita dell'intero sistema o dei relativi componenti principali, della perdita del lotto di materiale da trattare o di ulteriori tempi di interruzione della produzione. È pertanto necessario garantire un controllo operativo e una protezione adeguati, in particolare nel caso di grandi impianti di produzione. I singoli fattori da tenere in considerazione a questo proposito sono meglio illustrati con un esempio: la Fig. 3.20 mostra il diagramma schematico di un sistema di pompaggio per vuoto alto. Il serbatoio (11) può essere svuotato mediante una pompa Roots (14) o una pompa a diffusione (15), entrambe le quali funzionano insieme alla pompa primaria (1). La pompa Roots viene utilizzata nell'intervallo del vuoto medio e la pompa a diffusione nell'intervallo del vuoto alto (è possibile utilizzare anche una pompa molecolare turbo). Le valvole (3), (8) e (16) vengono azionate elettropneumaticamente. I singoli componenti sono azionati da un pannello di controllo a pulsanti.

Fig 3.20 Schema di un sistema di pompa per vuoto alto con azionamento opzionale di una pompa Roots

o di una pompa a diffusione.

Pompa primaria
Dispositivo di monitoraggio della pressione primaria
Valvola elettropneumatica
Collegamento dell'aria compressa
Dispositivo di monitoraggio della pressione
Dispositivo di monitoraggio della temperatura
Dispositivo di monitoraggio dell'acqua di raffreddamento
Valvola elettropneumatica
Registratore
Dispositivo di monitoraggio del vuoto alto
Serbatoio
Vacuometro per vuoto alto
Interruttori di fine corsa
Pompa Roots
Pompa a diffusione
Valvola elettropneumatica
Valvola di sfiato

Misure per proteggere il sistema di pompaggio da malfunzionamenti

Il sistema di pompaggio deve essere protetto dai malfunzionamenti come descritto nel seguito. Sono inoltre indicate le misure da adottare per evitare tali malfunzionamenti:

a) Misure in caso di interruzione dell'alimentazione: tutte le valvole sono chiuse in modo da impedire l'ingresso di aria nel serbatoio del vuoto e proteggere la pompa a diffusione da eventuali danni.

b) Protezione in caso di calo di pressione nella rete di aria compressa: l'aria compressa viene monitorata da un dispositivo di monitoraggio della pressione (5). Se la pressione scende al di sotto di un valore specificato, inizialmente può essere emesso un segnale oppure le valvole possono essere chiuse automaticamente. In questo caso, è necessaria una riserva sufficiente di aria compressa (non illustrata nella Fig. 3.20), che consenta almeno per una volta l'azionamento di tutte le valvole.

c) Misure in caso di interruzione dell'acqua di raffreddamento alla pompa a diffusione: l'acqua di raffreddamento è monitorata da un dispositivo di monitoraggio della temperatura o del flusso (6) e (7). Se il flusso dell'acqua di raffreddamento è inadeguato, il riscaldatore della pompa a diffusione viene spento e viene emesso un segnale; la valvola (8) si chiude.

d) Protezione da guasti del riscaldatore della pompa a diffusione: l'interruzione dell'impianto di riscaldamento della pompa a diffusione può essere monitorata da un relè. Se la temperatura supera il valore massimo consentito, il dispositivo di monitoraggio della temperatura (6) interviene. In entrambi i casi, la valvola (8) si chiude e viene emesso un segnale.

e) Protezione in caso di guasto della pompa primaria: le pompe primarie con azionamento a cinghia devono essere dotate di un interruttore centrifugo che arresta l'intero sistema in caso di rottura della cinghia o di altro malfunzionamento. Le pompe monoblocco per le quali l'azionamento è montato direttamente sull'albero possono essere monitorate da relè di corrente e simili.

f) Protezione contro l'aumento della pressione nel serbatoio al di sopra di un determinato valore limite: il dispositivo di monitoraggio del vuoto alto (10) emette un segnale quando viene superata una pressione specificata.

g) Garanzia della pre-pressione critica della pompa a diffusione: quando viene superata una determinata contropressione, tutte le valvole vengono chiuse dal dispositivo di monitoraggio della contropressione (2), le pompe vengono spente e viene emesso nuovamente un segnale. La posizione delle valvole (3), (8) e (16) è indicata sul pannello di controllo tramite interruttori di fine-corsa (13). La pressione nel serbatoio viene misurata con un vacuometro per vuoto alto (12) e registrata con un registratore (9). La protezione contro gli errori di funzionamento può essere garantita interbloccando i singoli interruttori in modo che possano essere azionati solo in una sequenza predeterminata. La pompa a diffusione, ad esempio, potrebbe non essere accesa quando la pompa primaria non è in funzione, la contropressione richiesta non viene mantenuta o la circolazione dell'acqua di raffreddamento non funziona.

Regolazione e controllo della pressione in sistemi per vuoto basso e medio

Il controllo e la regolazione hanno la funzione di attribuire a una variabile fisica, in questo caso la pressione nel sistema del vuoto, un determinato valore. La caratteristica comune è l'attuatore che modifica l'energia fornita in base alla variabile fisica e quindi la variabile stessa. Il termine controllo si riferisce all'influenza di un sistema o di un'unità tramite comandi. In questo caso, l'attuatore e quindi il valore effettivo della variabile fisica vengono modificati direttamente tramite una variabile manipolata. Esempio: azionamento di una valvola tramite un interruttore dipendente dalla pressione. Il valore effettivo può variare in modo indesiderato a causa di ulteriori influenze esterne. L'unità controllata non può reagire all'unità di controllo. Per questo motivo, si dice che i sistemi di controllo hanno una sequenza operativa aperta. Nel caso della regolazione, il valore effettivo della variabile fisica viene costantemente confrontato con il valore richiesto specificato e regolato se vi è una deviazione in modo da approssimarlo il più possibile al punto di regolazione. Per tutti gli scopi pratici, la regolazione richiede sempre il controllo. La differenza principale è il controller in cui vengono confrontati il valore richiesto e il valore effettivo. L'insieme di tutti gli elementi coinvolti nel processo di controllo forma il circuito di controllo. I termini e le variabili caratteristiche per la descrizione dei processi di controllo sono definiti nella norma DIN 19226.

In genere si distingue tra controllo discontinuo (ad es. il controllo a due o a tre fasi), con la specifica di un campo di valori entro il quale la pressione può variare, e controllo continuo (ad es. controllo PID), con un punto di regolazione della pressione specificato, che deve essere mantenuto con la massima precisione possibile. Sono disponibili due modi per regolare la pressione in un sistema per vuoto: innanzitutto, variando la velocità di pompaggio (modificando la velocità della pompa o limitandola chiudendo una valvola); in secondo luogo, attraverso immissione di gas (aprendo una valvola). Ciò comporta un totale di 4 procedure.

Regolazione discontinua della pressione

Sebbene la regolazione continua rappresenti senza dubbio la procedura più elegante, in molti casi la regolazione in due o tre fasi è completamente adeguata in tutti gli intervalli di vuoto. Per specificare la finestra di pressione, sono necessari due o tre contatti dell'interruttore variabili, dipendenti dalla pressione. Non importa se i contatti dell'interruttore sono installati in un vacuometro con display o in un'unità a valle o se si tratta di un pressostato senza display. La Fig. 3.21 illustra la differenza tra la regolazione in due fasi tramite la limitazione della velocità di pompaggio, la regolazione in due punti tramite immissione di gas e la regolazione in tre punti attraverso una combinazione di limitazione della velocità di pompaggio e immissione di gas. La Fig. 3.22 e la Fig. 3.23 mostrano il circuito e la struttura dei due sistemi di regolazione a due fasi. In caso di regolazione in due fasi tramite limitazione della velocità di pompaggio (Fig. 3.22), viene fornita tensione alla valvola della pompa 4, ovvero questa viene aperta quando i contatti del relè sono in condizione di rilascio. A un livello inferiore al punto di commutazione superiore, la valvola rimane aperta a causa della funzione di mantenimento automatico del relè ausiliario. Solo a un livello inferiore al punto di commutazione inferiore è possibile che il blocco del relè sia rilasciato. Se, successivamente, la pressione aumenta, la valvola viene nuovamente aperta al punto di commutazione superiore.

Fig. 3.21 Schema della regolazione a due e tre fasi

Fig 3.22 Regolazione in due fasi tramite limitazione della velocità di pompaggio.

➀ Vacuometro con due punti di commutazione

➁ Valvola a farfalla
➂ Pompa per vuoto
➃ Valvola della pompa
➄ Serbatoio sottovuoto

Fu - Fusibile
R, Mp - Collegamento di rete 220 V/50 Hz
Smax - Punto di commutazione per il valore massimo
Smin - Punto di commutazione per il valore minimo
PV - Valvola della pompa
R1 - Relè ausiliario per la valvola della pompa
K1 - Contatto relè di R1
M - Dispositivo di misurazione e commutazione

Fig 3.23 Regolazione in due fasi tramite immissione di gas

➀ Vacuometro con due punti di commutazione
➁ Valvola a perdita variabile
➂ Valvola di aspirazione
➃ Erogazione del gas
➄ Valvola a farfalla
➅ Pompa per vuoto
➆ Serbatoio sottovuoto

Fu - Fusibile
R, Mp - Collegamento di rete 220 V/50 Hz
Smax - Punto di commutazione per il valore massimo
Smin - Punto di commutazione per il valore minimo
EV - Valvola di aspirazione
R2 - Relè ausiliario per valvola di aspirazione
K2 - Contatto relè di R2
M - Dispositivo di misurazione e commutazione

In caso di regolazione in due fasi attraverso immissione di gas, la valvola di ingresso viene inizialmente chiusa. Se il punto di commutazione della pressione superiore non viene raggiunto, non cambia nulla; solo quando la pressione scende al di sotto del punto di commutazione inferiore, i "contatti di chiusura" aprono la valvola di ingresso del gas e azionano contemporaneamente il relè ausiliario con funzione di mantenimento automatico. Il ritorno allo stato di minimo con la chiusura della valvola di ingresso del gas non avviene fino a quando non viene superato il punto di commutazione superiore a causa del rilascio della funzione di mantenimento automatico del relè.

La Fig. 3.24 mostra il corrispondente sistema di regolazione a tre fasi creato con i due componenti appena descritti. Come indicato dal nome, sono stati combinati due punti di commutazione, il punto di commutazione inferiore del sistema di regolazione tramite la limitazione della velocità di pompaggio e il punto di commutazione superiore del sistema di regolazione dell'ingresso del gas.

Fig 3.24 Sistema di regolazione in tre fasi.

➀ Vacuometro con tre punti di commutazione
➁ Valvola a perdita variabile
➂ Valvola a perdita variabile
➃ Valvola di aspirazione
➄ Erogazione del gas
➅ Valvola a farfalla
➆ Pompa per vuoto
➇ Valvola della pompa
➈ Serbatoio sottovuoto

Fu - Fusibile
R, Mp - Collegamento di rete 220 V/50 Hz
Smax - Punto di commutazione per il valore massimo
Smitte - Punto di commutazione per il valore medio
Smin - Punto di commutazione per il valore minimo
T – GRAPHIX THREE
PV - Valvola della pompa
EV - Valvola di aspirazione
R1 - Relè ausiliario per intervallo pompa
R2 - Relè ausiliario per intervallo di ingresso
K1 - Contatto relè di R1
K2 - Contatto relè di R2
M - Dispositivo di misurazione e commutazione

Per evitare la complicata installazione con relè ausiliari, molte unità offrono la possibilità di modificare il tipo di funzione dei valori di attivazione integrati tramite software. Inizialmente è possibile scegliere tra singoli punti di commutazione (o "trigger di livello") e punti di commutazione interconnessi ("trigger di intervallo"). Queste funzioni sono illustrate nella Fig. 3.25. Con i trigger di intervallo è anche possibile selezionare le dimensioni dell'isteresi e il tipo di specifica del punto di regolazione, ovvero l'impostazione prefissata nell'unità o specifica tramite una tensione esterna, ad esempio da 0 a 10 V. Un sistema di regolazione a tre fasi (senza relè ausiliario), ad esempio, può essere configurato con Leybold CEREVAC e GRAPHIX THREE.

Fig 3.25 Schema dei trigger di livello e di intervallo

Display and operating instruments for active sensors

GRAPHIX - Unità operative per sensori attivi Display GRAPHIX e strumenti operativi per sensori attivi

Regolazione continua della pressione

È necessario fare una distinzione tra i controller elettrici (ad esempio i controller PID) con una valvola proporzionale come attuatore e i controller meccanici a membrana. In un sistema di regolazione dotato di controller elettrici, il coordinamento tra il controller e l'attuatore (valvola di ingresso gas piezoelettrica, valvola di ingresso con motore di azionamento, valvola di controllo a farfalla, valvola a farfalla) è difficile a causa delle condizioni di delimitazione molto diverse (volume del serbatoio, velocità di pompaggio effettiva nel serbatoio, intervallo di controllo della pressione). Tali circuiti di controllo tendono a vibrare facilmente quando si verificano malfunzionamenti del processo. È praticamente impossibile specificare valori standard validi in generale.

Molti problemi di controllo possono essere risolti meglio con un controller a diaframma. La funzione del controller a diaframma (vedere la Fig. 3.27) può essere facilmente ricavata da quella di un vacuometro a diaframma: l'estremità smussata di un tubo o di un flessibile viene chiusa per mezzo di un diaframma elastico in gomma (per pressione di riferimento > pressione di processo) o rilasciata (per pressione di riferimento < pressione di processo) cosicché, nel secondo caso, viene stabilito un collegamento tra il lato di processo e la pompa per vuoto. Questo sistema di regolazione elegante e più o meno "automatico" ha eccellenti caratteristiche di controllo (vedere Fig. 3.28).

Fig. 3.27 Principio di un controller a diaframma

Camera di riferimento
Diaframma
Collegamento di misurazione per la camera di riferimento
Valvola di regolazione della pressione di riferimento
Collegamento della pompa
Sede del controller
Camera di controllo
Collegamento di misurazione della pressione di processo
Collegamento della camera di processo

Fig 3.28 Caratteristiche di controllo di un controller a diaframma.

P₁ = pressione di processo, P₂ = pressione nella pompa, Pref = pressione di riferimento

Per ottenere portate più elevate, è possibile collegare in parallelo diversi controller a diaframma. Ciò significa che anche le camere di processo e le camere di riferimento sono collegate in parallelo. La Fig. 3.29 mostra una connessione di questo tipo di 3 controller a diaframma MR 50.

Per controllare un processo sottovuoto, è spesso necessario modificare la pressione in singole fasi del processo. Con un controller a diaframma, questa operazione può essere eseguita manualmente o tramite il controllo elettrico della pressione di riferimento.

Il controllo elettrico della pressione di riferimento di un controller a diaframma è relativamente semplice grazie al volume di riferimento ridotto che rimane sempre costante. La Fig. 3.31 mostra una disposizione simile a sinistra come immagine e a destra schematicamente, vedere 3.5.5 per esempi di applicazioni con controller a diaframma.

Per poter modificare la pressione di riferimento e quindi la pressione di processo verso pressioni più elevate, è necessario installare una valvola di immissione del gas nella camera di processo. Questa valvola viene aperta per mezzo di un pressostato differenziale (non mostrato nella Fig. 3.31) quando la pressione di processo superiore desiderata supera la pressione di processo corrente di un valore superiore alla differenza di pressione impostata sul pressostato differenziale.

Fig. 3.29 Triplo collegamento di controller a diaframma

Fig 3.30 Controllo dei processi di essiccazione a vuoto mediante regolazione della pressione di aspirazione della pompa per vuoto in base alla tolleranza al vapore acqueo.

DC - Controller a diaframma
P - Pompa per vuoto
M - Dispositivo di misurazione e commutazione
PS - Sensore di pressione
V1 - Valvola della pompa
V2 - Valvola di ingresso del gas
TH - Valvola a farfalla
RC - Camera di riferimento
PC - Camera di processo
CV - Valvola di controllo pressione di riferimento interna

Fig 3.31 Controller a diaframma con regolazione automatica della pressione di riferimento esterna.

DC - Controller a diaframma
PS - Sensore di pressione processo
RS - Sensore di pressione di riferimento
V1 - Valvola di ingresso del gas
V2 - Valvola della pompa
V3 - Valvola a perdita variabile ingresso gas
TH - Valvola a farfalla
M - Dispositivo di misurazione e commutazione
PP - Pompa di processo
RC - Camera di riferimento
PC - Camera di processo
AP - Pompa ausiliaria
CV - Valvola di controllo pressione di riferimento interna

Regolazione della pressione nei sistemi per vuoto alto e ultra alto

Se la pressione deve essere mantenuta costante entro determinati limiti, è necessario stabilire un equilibrio tra il gas immesso nel serbatoio del vuoto e il gas rimosso contemporaneamente dalla pompa con l'ausilio di valvole o dispositivi di limitazione. Ciò non è molto difficile nei sistemi per vuoto medio e basso, poiché il desorbimento dei gas adsorbiti dalle pareti è generalmente trascurabile rispetto alla quantità di gas che fluisce attraverso il sistema. La regolazione della pressione può essere eseguita attraverso l'immissione di gas o la regolazione della velocità di pompaggio. Tuttavia, l'uso di controller a diaframma è possibile solo tra la pressione atmosferica e circa 10 mbar.

Nell'intervallo di vuoto alto e ultra alto, d'altra parte, l'evoluzione dei gas dalle pareti dei serbatoi ha un'influenza decisiva sulla pressione. L'impostazione di valori di pressione specifici nell'intervallo del vuoto alto e ultra alto è pertanto possibile solo se l'evoluzione del gas dalle pareti è trascurabile in relazione all'immissione controllata del gas tramite l'unità di regolazione della pressione. Per questo motivo, la regolazione della pressione in questo intervallo viene generalmente effettuata regolando l'immissione del gas con un controller PID elettrico. Le valvole piezoelettriche o a perdita variabile controllate dal servomotore vengono utilizzate come attuatori. Per la regolazione della pressione al di sotto di 10^-6 mbar, utilizzare esclusivamente valvole di immissione gas interamente metalliche resistenti alle alte temperature.

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Simboli del vuoto
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Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio

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