如何控制真空壓力
真空系統中壓力監控、控制與調節的基本要素
在所有真空製程中，必須不斷檢查系統中的壓力，如有必要，還要進行調節。現代的工廠控制額外需要所有測量值，這些值對監控工廠而言至關重要，會被傳輸至中央站、監控與控制中心，並以透明清晰的方式彙編。記錄設備會在一段時間內頻繁地記錄壓力變化。這表示會對真空計提出額外的要求：
a) 盡可能以類比與數位的方式持續指示測量值
b) 清楚而方便地讀取測量值
c) 記錄器輸出以連接記錄儀器或控制或調節設備
d) 內建數位介面 (例如 RS 232)
e) 透過內建觸發點觸發切換操作的設施
具有電動測量值顯示器的所有真空計一般都符合這些要求，但機械式隔膜與液體真空計除外。根據表刻度上的壓力讀數，各控制裝置都配備有供應 0 至 10 V 連續電壓的記錄器輸出，如此便可在一段時間內透過記錄儀器來記錄壓力值。如果壓力切換裝置連接到真空計的記錄器輸出，切換操作便可在值高於或低於指定設定點時觸發。直接在真空計中觸發切換操作的設定點或切換閾值稱為觸發值。除真空計以外，還有在達到特定壓力時透過接觸放大器觸發切換操作 (而不顯示測量值) 的隔膜壓力開關。舉例來說，閥也可以透過此類切換操作來控制。
真空系統的自動保護、監控與控制
保護真空系統防止其故障極其重要。發生故障時，非常高的材料值可能會面臨風險，無論是透過完整系統還是其主要元件的損失，因損失待處理的整批材料，還是因進一步損失生產停機時間。因此應特別針對大型生產工廠提供足夠的操作控制與保護。在此連接方式中，要考慮的個別因素透過一個例子很好地展現出來：圖 3.20 顯示了高真空幫浦系統的示意圖。容器 (11) 可以透過魯式幫浦 (14) 或擴散幫浦 (15) 抽真空，這兩種幫浦都與前級幫浦 (1) 搭配操作。魯式幫浦在中度真空範圍中使用，擴散幫浦在高真空範圍中使用 (您也可以使用渦輪分子幫浦)。閥 (3)、(8) 與 (16) 是以電動氣動方式操作。個別元件會從控制面板使用按鈕致動。
圖 3.20 高真空幫浦系統搭配選用魯式幫浦
或擴散幫浦操作的示意圖。
- 前級泵浦
- 前級壓力監控裝置
- 電動氣動閥
- 壓縮空氣連接
- 壓力監控裝置
- 溫度監控裝置
- 冷卻水監控裝置
- 電動氣動閥
- 記錄器
- 高真空監控裝置
- 容器
- 高真空計
- 限制開關
- 魯式幫浦
- 擴散幫浦
- 電動氣動閥
- 通風閥
保護幫浦系統防止其故障的措施
防止幫浦系統故障的方法如下所述。以下也提供了採取來提前防止此類故障發生的措施：
a) 電源故障時的措施：所有閥都會關閉，藉以防止空氣進入真空容器中，及保護擴散幫浦防止其損壞。
b) 在壓縮空氣網路中防止壓力下降：壓縮空氣受壓力監控裝置 (5) 監控。如果壓力下降到指定值以下，一開始會發出一個訊號，或者閥可以自動關閉。在此情況下，保留足夠的壓縮空氣供應是必要的 (未顯示在圖 3.20 中)，這可以允許所有閥至少抽真空一次。
c) 冷卻水無法進入擴散幫浦時的措施：冷卻水受流量或溫度監控裝置 (6) 與 (7) 監控。如果冷卻水的流量不足，擴散幫浦的加熱器會關閉，並發出一個訊號；閥 (8) 會關閉。
d) 保護擴散幫浦加熱器防止其故障：擴散幫浦加熱系統的中斷可由繼電器監控。如果溫度上升到最大允許值以上，溫度監控裝置 (6) 便會有反應。在這兩種情況下，閥 (8) 都會關閉，並發出一個訊號。
e) 保護前級幫浦防止其故障：皮帶驅動的前級幫浦必須具有離心開關能夠在皮帶斷裂或發生其他故障時關閉整個系統。驅動裝置直接安裝在軸上的單體幫浦可由目前繼電器與類似裝置監控。
f) 防止容器中的壓力上升超過特定限制值：高真空監控裝置 (10) 會在超過指定壓力時發出一個訊號。
g) 確保擴散幫浦的臨界前級壓力：超過特定前級壓力時，前級壓力監控裝置 (2) 會關閉所有閥，幫浦會關閉，並同樣會發出一個訊號。閥 (3)、(8) 與 (16) 的位置會透過限制開關 (13) 在控制面板上指示。容器中的壓力可透過高真空計 (12) 測量，並透過記錄器 (9) 記錄。聯鎖個別開關可以防止操作錯誤，如此它們就只能按預先確定的順序致動。以擴散幫浦為例，當前級幫浦未運轉或未維持所需前級壓力或冷卻水循環無法正常運作時，不可將其開啟。
粗與中度真空系統中的壓力調節與控制
控制與調節具有提供物理變數的功能 – 在此情況下，為真空系統中的壓力 – 特定值。共同的特點是致動器可將能量供應更改至物理變數，進而更改至變數本身。控制是指透過指令影響系統或裝置。在此情況下，致動器及物理變數的實際值會以操作變數直接變更。範例：透過與壓力無關的開關致動閥。由於其他外部因素的影響，實際值可能會以不希望發生的方式改變。受控裝置無法對控制裝置做出反應。因此，據說控制系統會有開放的操作順序。在調節這方面，物理變數的實際值會不斷與指定設定點比較，如果存在任何偏差，就會進行調節，使其能夠盡可能完全接近設定點。針對所有實際的目的，調節始終需要控制。主要的差異在於對其中的設定點與實際值進行比較的控制器。涉及控制製程的所有元件總計形成了控制迴路。描述控制製程的條件與特定變數在 DIN 19226 中規定。
一般而言，指定壓力範圍且其中壓力可能不同的不連續控制 (例如二步驟或三步驟控制) 與具有指定壓力設定點且應盡可能保持精確的連續控制 (例如 PID 控制) 之間會做出區別。我們有兩種可能的方法可以調整真空系統中的壓力：第一，透過變更幫浦速度 (透過關閉閥來更改幫補的速度或節流)；第二，透過進氣 (開啟閥)。這會產生總共 4 個程序。
不連續壓力調節
儘管連續調節無疑能夠代表更優雅的程序，在許多情況下，二步驟或三步驟調節在所有真空範圍中都是完全足夠的。若要指定壓力範圍，需要有二或三個變數的與壓力無關的切換接觸點。在這裡，切換接觸點是安裝在具有顯示器的真空計中，還是安裝在下游裝置中，或者它是否為沒有顯示器的壓力開關，都沒有關係。圖 3.21 顯示了透過幫浦速度節流進行的二步驟調節、透過進氣進行的二步驟調節，以及透過幫浦速度節流與進氣的組合進行的三步驟調節之間的差異。圖 3.22 與 3.23 顯示了二步驟調節系統的迴路與結構。在透過幫浦速度節流進行的二步驟調節的情況中 (圖 3.22)，為幫浦閥 4 提供了電壓，也就是說，當繼電器接觸點處於釋放狀況下時，它是開啟的。在低於上方切換點的高度上，由於輔助繼電器的自我保持功能，閥會保持開啟。只有在低於下方切換點的高度時，才會釋放繼電器閂。如果後來壓力上升，閥會再次在上方切換點處開啟。
圖 3.21 二步驟與三步驟調節的示意圖
圖 3.22 透過幫浦速度節流進行的二步驟調節。
➀ 具有兩個切換點的真空計
➁ 節流閥
➂ 真空幫浦
➃ 幫浦閥
➄ 真空容器
Fu - 保險絲
R, Mp - 主電源連接 220 V/50 Hz
Smax - 最大值的切換點
Smin - 最小值的切換點
PV - 幫浦閥
R1 - 幫浦閥的輔助繼電器
K1 - R1 的繼電器接觸點
M - 測量與切換裝置
圖 3.23 透過進氣進行的二步驟調節
➀ 具有兩個切換點的真空計
➁ 可變洩漏閥
➂ 進氣閥
➃ 氣體供應
➄ 節流閥
➅ 真空幫浦
➆ 真空容器
Fu - 保險絲
R, Mp - 主電源連接 220 V/50 Hz
Smax - 最大值的切換點
Smin - 最小值的切換點
EV - 進氣閥
R2 - 進氣閥的輔助繼電器
K2 - R2 的繼電器接觸點
M - 測量與切換裝置
在透過進氣進行的二步驟調節的情況下，進氣閥一開始時是關閉的。若未達到上方壓力切換點，不會發生任何改變；只有當壓力低於下方切換點時，「進行接觸」才會開啟進氣閥並同時致動具有自我保持功能的輔助繼電器。由於釋放了繼電器自我保持功能，在超過上方切換點之前，返回待機狀態並關閉進氣閥並不會受到影響。
圖 3.24 顯示了以剛剛介紹的兩個元件建立的對應三步驟調節系統。如其名所示，這裡結合了透過幫浦速度節流進行之調節系統的下方切換點，與進氣調節系統的上方切換點。
圖 3.24 三步驟調節系統。
➀ 具有三個切換點的真空計
➁ 可變洩漏閥
➂ 可變洩漏閥
➃ 進氣閥
➄ 氣體供應
➅ 節流閥
➆ 真空幫浦
➇ 幫浦閥
➈ 真空容器
Fu - 保險絲
R, Mp - 主電源連接 220 V/50 Hz
Smax - 最大值的切換點
Smitte - 平均值的切換點
Smin - 最小值的切換點
T – GRPAHIX THREE
PV - 幫浦閥
EV - 進氣閥
R1 - 幫浦間隔的輔助繼電器
R2 - 進氣間隔的輔助繼電器
K1 - R1 的繼電器接觸點
K2 - R2 的繼電器接觸點
M - 測量與切換裝置
未避免輔助繼電器的複雜安裝，許多裝置都提供設施來透過軟體變更內建觸發值的功能類型。一開始，使用者可以在個別切換點 (或「等級觸發器」) 與聯節切換點 (「間隔觸發器」) 之間選擇。這些功能在圖 3.25 中說明。使用者也可以透過間隔觸發器選擇滯後現象的大小及設定點規格的類型，也就是說，裝置中的固定設定或透過外部電壓來指定，例如從 0 – 10 伏特。舉例來說，三步驟調節系統 (不含輔助繼電器) 就可以使用 Leybold CEREVAC 與 GRAPHIX THREE 設定。
圖 3.25 等級觸發器與間隔觸發器圖
GRAPHIX – 主動式感應器的操作裝置 主動式感應器的 GRAPHIX 顯示器與操作儀器
連續壓力調節
我們必須在此對使用比例閥作為致動器的電動控制器 (例如 PID 控制器) 與機械隔膜控制器進行區分。在具有電動控制器的調節系統中，要對控制器與致動器 (壓電進氣閥、具有馬達驅動裝置的進氣閥、簡稱蝶形閥、節流閥) 之間進行協調很困難，因為它們之間的邊界條件 (容量體積、容器的有效抽氣速度、壓力控制範圍) 非常不同。此類控制迴路傾向於在發生製程故障時能夠輕易地振動。要指定普遍有效的標準值幾乎不可能。
許多控制問題都可以透過隔膜控制器更好地解決。隔膜控制器 (見圖 3.27) 的功能可以從隔膜真空計的功能中輕鬆地衍生：管子或管件鈍的一端可透過彈性橡膠隔膜 (參考壓力 > 製程壓力) 或釋放 (參考壓力 < 製程壓力) 關閉，以便在後者的情況下，可在製程側與真空幫浦之間建立連接。這種優雅且或多或少「自動」的調節系統具有優異的控制特性 (見圖 3.28)。
圖 3.27 隔膜控制器的原理
- 參考室
- 隔膜
- 測量參考室的連接
- 參考壓力調整閥
- 幫浦連接
- 控制器座
- 控制室
- 測量製程壓力的連接
- 製程室連接
圖 3.28 隔膜控制器的控制特性。
P1 = 製程壓力，P2 = 幫浦中的壓力，Pref = 參考壓力
為了達到較高的流率，可以平行連接數個隔膜控制器。這表示製程室與參考室也會平行連接。圖 3.29 顯示了 3 個 MR 50 隔膜控制器的此類連接。
若要控制真空製程，經常需要修改個別製程步驟中的壓力。透過隔膜控制器，這可以透過手動方式或透過參考壓力的電動控制來完成。
隔膜控制器參考壓力的電動控制相對較為簡單，因為小參考體積一律會保持恆定。圖 3.31 在左側以圖片方式顯示了此類排列方式，並在右側以圖解方式顯示，如需隔膜控制器的應用範例，請參閱 3.5.5。
為了能夠變更參考壓力並藉此調高製程壓力，必須在製程室額外安裝進氣閥。當所需的較高製程壓力大於目前製程壓力超過對差壓開關設定的壓差時，此閥會透過不同的壓力開關 (未顯示在圖 3.31 中) 開啟。
圖 3.29 隔膜控制器的三重連接
圖 3.30 根據水蒸氣耐受度，透過調節真空幫浦的進氣壓力控制真空乾燥製程。
DC - 隔膜控制器
P - 真空幫浦
M - 測量與切換裝置
PS - 壓力傳感器
V1 - 幫浦閥
V2 - 進氣閥
TH - 節流
RC - 參考室
PC - 製程室
CV - 內部參考壓力控制閥
圖 3.31 具有外部自動參考壓力調節功能的隔膜控制器。
DC - 隔膜控制器
PS - 製程壓力傳感器
RS - 參考壓力傳感器
V1 - 進氣閥
V2 - 幫浦閥
V3 - 進氣可變洩漏閥
TH - 節流
M - 測量與切換裝置
PP - 製程幫浦
RC - 參考室
PC - 製程室
AP - 輔助幫浦
CV - 內部參考壓力控制閥
高與超高真空系統中的壓力調節
如果要將壓力保持在特定限制內恆定，必須在進入真空容器的氣體與幫浦同時透過閥或節流裝置的協助去除的氣體之間建立平衡。這在粗與中度真空系統中並不難達成，因為相較於流經系統的氣體量，從壁脱附吸附的氣體一般都是可以忽略不計的。壓力調節可以透過進氣或抽氣速度調節來執行。但是，只有在大氣壓力與約 10 mbar 之間才可能使用隔膜控制器。
另一方面，在高與超高真空範圍中，來自容器壁的氣體演化對壓力產生了決定性的影響。因此，要在高與超高真空範圍中設定特定壓力值，只有在相對於透過壓力調節裝置控制的進氣，來自壁的氣體演化可以忽略不計時才可能。因此，此範圍中的壓力調節通常會產生與具有電動 PID 控制器的進氣調節相同的效果。壓電或伺服馬達控制的可變洩漏閥會作為致動器使用。只有可耐受烘乾的全金屬進氣閥才應針對低於 10-6 mbar 的壓力調節使用。
