摘要：低壓緩沖罐廣泛應(yīng)用于各種真空工藝和設(shè)備中，本文主要針對(duì)緩沖罐在全量程內(nèi)的真空度精密控制，并根據(jù)不同真空度范圍和緩沖罐體積大小，提出了相應(yīng)的解決方案，以滿足不同低壓過程對(duì)緩沖罐真空壓力精密控制的不同要求。

一、背景介紹

低壓緩沖罐是真空系統(tǒng)中常用的一種真空容器，主要通過提供真空“儲(chǔ)存”來防止真空泵的過度循環(huán)，其基本原理是利用滯留量（體積）來提供更平穩(wěn)的真空度操作。在真空工藝過程中，低壓緩沖罐主要有以下兩種結(jié)構(gòu)形式：

（1）真空度波動(dòng)衰減：緩沖罐安裝在真空單元之間，避免連續(xù)過程中真空度的波動(dòng)傳播。

（2）獨(dú)立操作：緩沖罐安裝在單元之間以允許獨(dú)立操作，例如在臨時(shí)關(guān)閉期間以及連續(xù)和批處理單元之間。

低壓緩沖罐在獨(dú)立操作形式中，一般需要具備以下功能：

（1）對(duì)于小尺寸空間的工藝容器，很難實(shí)現(xiàn)真空度的高精度恒定或程序控制，真空度的波動(dòng)和不準(zhǔn)確很難達(dá)到工藝要求。為此在工藝容器上串接一個(gè)容積較大的低壓緩沖罐，通過對(duì)緩沖罐真空度的精密控制，則可以完美解決此問題。

（2）提供氣液分離功能，防止工作液體直接倒灌入真空泵。

（3）提供冷凝功能，避免反應(yīng)容器內(nèi)的部分溶劑轉(zhuǎn)化為氣態(tài)直接進(jìn)入真空泵，由此降低真空泵的故障率和提高真空泵的使用壽命。

本文主要針對(duì)緩沖罐在全量程內(nèi)的真空度精密控制，提出相應(yīng)的解決方案，以滿足不同低壓過程對(duì)緩沖罐真空壓力精密控制的不同要求。

二、解決方案

在低壓緩沖罐真空度精密控制過程中，基本控制方法是調(diào)節(jié)緩沖罐的進(jìn)氣和出氣流量，并通過進(jìn)出氣流量的動(dòng)態(tài)平衡來實(shí)現(xiàn)緩沖罐內(nèi)部氣壓的準(zhǔn)確控制，即所謂的動(dòng)態(tài)平衡法。但在不同真空工藝和設(shè)備中，對(duì)低壓緩沖罐的真空度范圍會(huì)有不同的要求，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)控制模式也不盡相同。而且，不同體積大小的低壓緩沖罐，為實(shí)現(xiàn)緩沖罐內(nèi)真空度的快速準(zhǔn)確控制，則需要不同的調(diào)節(jié)裝置。以下將針對(duì)這些不同要求，提出相應(yīng)的具體解決方案和相關(guān)裝置細(xì)節(jié)。

2.1 低真空（高壓）和高真空（低壓）的控制方式

一般我們將低于一個(gè)大氣壓下（760Torr）的絕對(duì)壓力稱之為真空（或低壓），而整個(gè)真空范圍又分為低真空（10-760Torr）、高真空（0.01~10Torr）和超高真空（<0.01Torr）三部分。本文將只涉及低真空和高真空這兩個(gè)范圍內(nèi)的真空度精密控制，對(duì)于超高真空，目前還沒有很好的技術(shù)手段進(jìn)行精密控制，基本還都是僅靠真空泵的抽氣能力來實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)級(jí)別的控制。

低真空和高真空緩沖罐真空度的動(dòng)態(tài)平衡法控制中，為達(dá)到快速和準(zhǔn)確的控制效果，必須分別采用上游和下游兩種控制模式，通過上下游這兩種模式及其兩種模式之間的切換，可以實(shí)現(xiàn)真空度全量程內(nèi)的精確控制。

低壓緩沖罐動(dòng)態(tài)平衡法真空度控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)緩沖罐真空度控制系統(tǒng)主要由進(jìn)氣閥、抽氣閥、真空泵、真空傳感器和PID控制器組成，它們各自的功能如下：

圖1 低壓緩沖罐真空度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）進(jìn)氣閥的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。在緩沖罐真空度控制過程中，進(jìn)氣流量一般在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此進(jìn)氣閥一般為電動(dòng)針閥。

（2）抽氣閥的作用是調(diào)節(jié)出氣流量。在緩沖罐真空度控制過程中，進(jìn)氣流量一般在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此進(jìn)氣閥的口徑大小一般需根據(jù)需要進(jìn)行配置，后面還會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（3）真空泵的作用是提供真空源。在緩沖罐真空度控制過程中，真空泵要根據(jù)真空度要求和緩沖罐體積大小來進(jìn)行選配。

（4）真空傳感器的作用是實(shí)時(shí)測(cè)量緩沖罐的真空度并將測(cè)量信號(hào)反饋給PID控制。在緩沖罐真空度控制過程中，要根據(jù)緩沖罐真空度量程和精度要求選配傳感器，一般是在低真空和高真空范圍內(nèi)各配一個(gè)真空計(jì)。為保證測(cè)量精度，一般會(huì)選擇電容式真空計(jì)。也可以根據(jù)需要只選擇一個(gè)精度較差的皮拉尼計(jì)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)高低真空范圍內(nèi)的測(cè)量。

（5）PID控制器的作用是通過接受到的真空度信號(hào)來分別調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和出氣閥，使得緩沖罐內(nèi)的真空度達(dá)到設(shè)定值或按照設(shè)定程序進(jìn)行變化。在全量程范圍內(nèi)的真空度控制時(shí)，如果需要采用兩只不同量程真空計(jì)進(jìn)行全量程覆蓋，就需要具有傳感器自動(dòng)切換功能的雙通道PID控制器，以便在不同量程范圍內(nèi)的控制過程中進(jìn)行自動(dòng)切換。如果采用電容式真空計(jì)來實(shí)現(xiàn)高精度的真空度控制，相應(yīng)的PID控制器則需要具有24位A/D和16位D/A的高精度。

在緩沖罐的不同真空度范圍內(nèi)，需要采用以下不同的控制模式才能達(dá)到滿意的控制精度。

（1）上游控制模式：上游控制模式也叫進(jìn)氣調(diào)節(jié)模式，主要適用于高真空范圍內(nèi)的精密控制。在上游控制模式中，抽氣閥門基本是全開方式全速抽氣，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量來實(shí)現(xiàn)緩沖罐內(nèi)高真空的精密控制。

（2）下游控制模式：下游控制模式也叫出氣調(diào)節(jié)模式，主要適用于低真空范圍內(nèi)的精密控制。在下游控制模式中，進(jìn)氣閥門基本是某一固定開度，即固定進(jìn)氣流量，通過調(diào)節(jié)抽氣流量來實(shí)現(xiàn)緩沖罐內(nèi)低真空的精密控制。

另外需要特別注意的是，不論采取上述哪一種控制模式，控制精度還受到真空度傳感器和PID控制精度的限制。因此，除了選擇合理的上下游控制模式之外，還需要根據(jù)不同精度要求選擇合理的傳感器和控制器。

2.2 不同緩沖罐體積的真空度控制

緩沖罐真空度精密控制中，除了涉及上述的控制模式選擇之外，還涉及控制速度問題，即根據(jù)緩沖罐的容積大小和真空度控制范圍來確定合理的真空度準(zhǔn)確控制速度。這方面主要涉及以下兩方面的內(nèi)容和基本原則：

（1）對(duì)于小容積的緩沖罐，可以選擇具有小流量調(diào)節(jié)能力的進(jìn)氣閥、排氣閥和真空泵。

（2）對(duì)于較大容積的緩沖罐，可能就需要配備較大流量調(diào)節(jié)能力的進(jìn)氣閥、排氣閥和真空泵。其中進(jìn)氣閥和排氣閥需要配備電動(dòng)球閥等大口徑閥門，具體情況還需根據(jù)所控真空度范圍來進(jìn)行進(jìn)一步的合理選擇。

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