CN104930856A - 真空炉的分压控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空炉的分压控制系统及方法，该系统包括：真空炉，具有进气口和排气口；设于所述进气口的质量流量计，控制进入所述真空炉内气体的进入量；设于所述排气口的角度阀，控制从所述真空炉内排出的气体的排出量；以及与所述质量流量计和所述角度阀控制连接的分压控制模块，所述分压控制模块获取所述真空炉内的当前压力值，根据所述真空炉的压力设定值和所述当前压力值、并通过所述质量流量计和所述角度阀控制所述真空炉内气体的进入量和排出量，以使得所述真空炉内的当前压力值趋于所述压力设定值。通过分压控制模块实现了自动分压控制，压力调整范围广，压力控制精确，且压力控制更为稳定。

Description

真空炉的分压控制系统及方法

技术领域

本发明涉及压力控制领域，特指一种真空炉的分压控制系统及方法。

背景技术

在真空加热炉中，为了防止工件的高蒸汽压金属元素在真空加热阶段挥发，一般都会采用通入惰性气体提高总炉压，传统真空加热炉采用针阀加电磁阀通断、以及罗茨泵的变频实现压力调整，这种做法使得真空炉内炉压波动大，分压调整的范围受针阀的开启量影响，不能实现大范围、精准的分压控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种真空炉的分压控制系统及方法，解决现有压力调整方法使得炉压波动大、不能实现大范围、精准的分压控制的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种真空炉的分压控制系统，包括：

真空炉，具有进气口和排气口；

设于所述进气口的质量流量计，控制进入所述真空炉内气体的进入量；

设于所述排气口的角度阀，控制从所述真空炉内排出的气体的排出量；以及

与所述质量流量计和所述角度阀控制连接的分压控制模块，所述分压控制模块获取所述真空炉内的当前压力值，根据所述真空炉的压力设定值和所述当前压力值、并通过所述质量流量计和所述角度阀控制所述真空炉内气体的进入量和排出量，以使得所述真空炉内的当前压力值趋于所述压力设定值。

通过分压控制模块实现了自动分压控制，压力调整范围广，压力控制精确，且压力控制更为稳定，用户可以在罗茨泵能力范围内任意设定分压值，无需人工调整针阀来设置分压范围。

本发明真空炉的分压控制系统的进一步改进在于，所述分压控制模块内设有计算单元和处理单元，通过所述计算单元计算得出气体的进入量和排出量，所述计算单元通过如下的计算公式进行计算：

p*V＝n*RT  (1)

p₀*V＝n₀*RT  (2)

n＝m/M  (3)

dm/dt＝(MV/RT)*(dp/dt)  (4)

dm/dt＝q1-q2  (5)

q2＝p*K*S₀  (6)

dp/dt＝(RT/MV)*q1-(RT/MV)*q2  (7)

式(1)至式(7)中：p为真空炉内的当前压力值，p₀为压力设定值，V为真空炉的体积，n为真空炉内气体摩尔数，n₀为真空炉在压力为p₀下对应的气体摩尔数，m为真空炉内的气体质量，M为气体的摩尔质量，dm/dt为真空炉内气体质量的变化，R为理想气体常数，T为真空炉内当前的热力学温度，dp/dt为真空炉内压力的变化，q1为气体的进入量，q2为气体的排出量，K为角度阀开启度，S₀为真空炉在排气口处的排气速率，根据n与n₀的差值得到气体的进入量和排出量；

所述处理单元根据所述计算单元计算得出的气体的进入量和排出量，对所述质量流量计和所述角度阀进行调整，使得所述质量流量计和所述角度阀适配所述计算单元计算得出的气体的进入量和排出量。

本发明真空炉的分压控制系统的进一步改进在于，所述角度阀连接有罗茨泵，通过所述罗茨泵从所述排气口将所述真空炉内的气体抽出。

本发明真空炉的分压控制系统的进一步改进在于，所述分压控制模块还与控制主机连接，接收所述控制主机发送的所述真空炉的压力设定值。

本发明真空炉的分压控制系统的进一步改进在于，所述质量流量计实时将气体的当前进入量发送给所述分压控制模块。

本发明一种真空炉的分压控制方法，包括：

于真空炉的进气口处设置质量流量计，以控制从所述进气口进入所述真空炉内的气体的进入量；

于所述真空炉的排气口处设置角度阀，以控制从所述排气口排出所述真空炉的气体的排出量；

获取所述真空炉内的当前压力值，根据压力设定值计算得出气体的进入量和排出量，依据计算得出的气体的进入量和排出量调整所述质量流量计和所述角度阀，以使得所述真空炉内的当前压力值趋于所述压力设定值。

本发明真空炉的分压控制方法的进一步改进在于，根据压力设定值计算得出气体的进入量和排出量，包括：

通过如下的计算公式进行计算：

p*V＝n*RT  (1)

p0*V＝n₀*RT  (2)

n＝m/M  (3)

dm/dt＝(MV/RT)*(dp/dt)  (4)

dm/dt＝q1-q2  (5)

q2＝p*K*S₀  (6)

dp/dt＝(RT/MV)*q1-(RT/MV)*q2  (7)

式(1)至式(7)中：p为真空炉内的当前压力值，p₀为压力设定值，V为真空炉的体积，n为真空炉内当前的气体摩尔数，n₀为真空炉在压力为p₀下对应的气体摩尔数，m为真空炉内的气体质量，M为气体的摩尔质量，dm/dt为真空炉内气体质量的变化，R为理想气体常数，T为真空炉内当前的热力学温度，dp/dt为真空炉内压力的变化，q1为气体的进入量，q2为气体的排出量，K为角度阀开启度，S₀为真空炉在排气口处的排气速率，根据n与n₀的差值得出气体的进入量和排出量；

根据计算得出的气体的进入量和排出量，对所述质量流量计和所述角度阀进行调整，使得所述质量流量计和所述角度阀适配所计算得出的气体的进入量和排出量。

本发明真空炉的分压控制方法的进一步改进在于，于所述角度阀处连接罗茨泵，通过所述罗茨泵从所述排气口将所述真空炉内的气体抽出。

本发明真空炉的分压控制方法的进一步改进在于，依据计算得出的气体的进入量调整所述质量流量计，包括：

通过所述质量流量计获取气体的当前进入量；

再根据计算得出的气体的进入量，调整所述质量流量计，以使得气体的当前进入量趋于计算得出的气体的进入量。

附图说明

图1为本发明真空炉的分压控制系统及方法的原理图；以及

图2为本发明真空炉的分压控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种真空炉的分压控制系统及方法，实现对真空炉内的压力自动控制，分压控制可在大范围内调整设定，压力控制稳定且准确。相对于现有的针阀压力调整系统，本发明的分压控制系统压力调整范围更广，压力控制更为精确，用户可以在罗茨泵能力范围内任意设定分压值，无需人工调整针阀来设置分压范围，泵组中的变频罗茨泵可以用定频罗茨泵取代，降低成本。本发明采用在进气口设置质量流量计，在排气口设置角度阀，通过调整质量流量计可以精确的调整气体的进入量，通过调整角度阀开启的角度可以精确调整气体的排出量，进而实现了对真空炉内压力的精确控制，且压力控制更加稳定。下面结合附图对本发明真空炉的分压控制系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明真空炉的分压控制系统及方法的原理图。参阅图2，显示了本发明真空炉的分压控制系统的结构示意图。下面结合图1和图2，对本发明真空炉分压控制系统进行说明。

如图1和图2所示，本发明真空炉的分压控制系统包括真空炉11、质量流量计12、角度阀13、以及分压控制模块14，真空炉11内为真空，该真空炉11上具有进气口111和排气口112，通过进气口111加入惰性气体，通过排气口112将惰性气体排出，加入惰性气体为提高真空炉11内的压力，该惰性气体一般为高纯氮气；质量流量计12设于真空炉11的进气口111处，通过质量流量计12控制进入真空炉11内气体的进入量；角度阀13设于真空炉11的排气口112处，通过角度阀13控制从真空炉11内排出的气体的排出量，角度阀13可以调整开启角度大小，通过控制开启角度实现对气体排出量的控制；分压控制模块14与质量流量计12和角度阀13控制连接，分压控制模块14获取真空炉11内的当前压力值，在真空炉11内设有压力计，实时检测真空炉11内的压力形成当前压力值并发送给分压控制模块14。分压控制模块14根据真空炉11的压力设定值，结合获取的当前压力值，通过质量流量计12和角度阀13控制真空炉11内的气体的进入量和排出量，使得真空炉11内的当前压力值趋于压力设定值。分压控制模块14的调整过程为，若当前压力值小于压力设定值，根据当前压力值和压力设定值的差值进行计算，计算得出适合的气体的进入量和排出量，然后将质量流量计12的进入量调整至计算出的进入量，将角度阀13根据计算出的排出量调整开启角度。分压控制模块实现了真空炉的自动分压控制，无需人工手动调整针阀，且分压控制模块通过计算得出气体进入量和排出量，压力控制精确且稳定，压力的调整范围广。

分压控制模块14内设有计算单元和处理单元，计算单元用于计算的气体的进入量和排出量，而处理单元与质量流量计12和角度阀13控制连接，获取质量流量计12的数据，并将控制指令发送给质量流量计12和角度阀13，以控制调整质量流量计12处的气体进入量，调整角度阀13的开启角度，控制气体的排出量。计算单元通过如下的计算公式进行计算：

p*V＝n*RT  (1)

p₀*V＝n₀*RT  (2)

n＝m/M  (3)

dm/dt＝(MV/RT)*(dp/dt)  (4)

dm/dt＝q1-q2  (5)

q2＝p*K*S₀  (6)

dp/dt＝(RT/MV)*q1-(RT/MV)*q2  (7)

式(1)至式(7)中：p为真空炉内的当前压力值，p₀为压力设定值(该压力设定值为操作人员在电控柜上设定的目标压力值)，V为真空炉的体积，n为真空炉内当前的气体摩尔数，n₀为真空炉在压力为p₀下对应的气体摩尔数，m为真空炉内的气体质量，M为气体的摩尔质量，dm/dt为真空炉内气体质量的变化，R为理想气体常数，T为真空炉内当前的热力学温度，dp/dt为真空炉内压力的变化，q1为气体的进入量，q2为气体的排出量，K为角度阀开启度，S₀为真空炉在排气口处的排气速率，根据n与n₀的差值得出气体的进入量和排出量，若n-n₀为正数，分压控制模块14的计算单元得出气体的进入量为该差值，通过处理单元调整质量流量计补入该差值量的气体，若n-n₀为负数，计算单元得到气体的排出量为该差值，通过处理单元调整质量流量计停止进气，调整角度阀的大小，最终控制真空炉内的气体摩尔数，从而控制真空炉的压力；

将式(2)带入式(1)中并对时间积分则得出式(3)，式(3)反应了真空炉11内气体的质量变化与压力变化的关系，由于真空炉11内气体质量的变化等于气体的进入量与排出量的差值，也就是式(4)所示，对于排气，在角度阀13连接一罗茨泵16，通过罗茨泵16从排气口112将真空炉11内的气体抽出，该罗茨泵16在真空炉11内压力为P时，抽速为恒定的S₀，角度阀13的开启度为系数K，则排气量与排气压力以及罗茨泵16的抽速关系为式(5)，再将式(5)带入到式(3)中，则得到真空炉11内压力变化公式，如式(6)所示，根据真空炉11内的当前压力值与压力设定值做偏差，计算得到气体的进入量q1和排出量q2，处理单元根据计算单元计算得出的气体的进入量q1和排出量q2，对质量流量计12和角度阀13进行调整，使得质量流量计12和角度阀13适配计算单元计算得出的气体的进入量和排出量。对真空炉11的质量流量计12控制进气量q1，和调整角度阀开启量K，则可以对真空炉内的压力进行控制。

角度阀13处连接了罗茨泵16，罗茨泵16可以采用定频罗茨泵，从而降低成本。在罗茨泵16上连接了旋片泵17，该罗茨泵16和旋片泵17的抽速在该压力变化范围内基本恒定，且抽速适配角度阀13完全开启的状态，故，通过调整角度阀13的开启角度就实现了对排气量的调整。

质量流量计12与分压控制模块14控制连接，且质量流量计12实时将气体的当前进入量发送给分压控制模块14。该质量流量计12的参数为：2bar，0-4m^3/h，DN20。

分压控制模块14还与控制主机15连接，接收控制主机14发送的真空炉11的压力设定值，通过控制主机14将用户输入的设定分压值传送给分压控制模块14，实现自动调整压力设定值，在罗茨泵16的能力范围内任意设定压力设定值，调整范围更广。

下面对本发明真空炉的分压控制方法进行说明。

如图1和图2所示，在真空炉11的进气口111处设置质量流量计12，以控制从进气口111进入真空炉11内的气体的进入量；

在真空炉11的排气口处设置角度阀13，以控制从排气口112排出真空炉11的气体的排出量；

获取真空炉11内的当前压力值，根据压力设定值计算得出气体的进入量和排出量，依据计算得出的气体的进入量和排出量调整质量流量计12和角度阀，以使得真空炉11内的当前压力值趋于压力设定值。

根据压力设定值计算得出气体的进入量和排出量，包括：

通过如下的计算公式进行计算：

p*V＝n*RT  (1)

p₀*V＝n₀*RT  (2)

n＝m/M  (3)

dm/dt＝(MV/RT)*(dp/dt)  (4)

dm/dt＝q1-q2  (5)

q2＝p*K*S₀  (6)

dp/dt＝(RT/MV)*q1-(RT/MV)*q2  (7)

式(1)至式(7)中：p为真空炉内的当前压力值，p₀为压力设定值，V为真空炉的体积，n为真空炉内当前的气体摩尔数，n₀为真空炉在压力为p₀下对应的气体摩尔数，m为真空炉内的气体质量，M为气体的摩尔质量，dm/dt为真空炉内气体质量的变化，R为理想气体常数，T为真空炉内当前的热力学温度，dp/dt为真空炉内压力的变化，q1为气体的进入量，q2为气体的排出量，K为角度阀开启度，S₀为真空炉在排气口处的排气速率，根据n与n₀的差值得出气体的进入量和排出量；

根据计算得出的气体的进入量和排出量，对质量流量计12和角度阀13进行调整，使得质量流量计12和角度阀13适配计算得出的气体的进入量和排出量。

在角度阀13处连接罗茨泵16，在罗茨泵16上连接了旋片泵17，该罗茨泵16和旋片泵17的抽速在该压力变化范围内基本恒定，且抽速适配角度阀13完全开启的状态，故，通过调整角度阀13的开启角度就实现了对排气量的调整。分压控制模块14通过读取真空炉11内实时的当前压力值，与压力设定值进行比较，实行PID控制(控制规律为比例、积分、微分控制)调整角度阀13的开启角度，达到真空炉内排气速度的调节。

质量流量计12与分压控制模块14控制连接，且质量流量计12实时将气体的当前进入量发送给分压控制模块14，根据计算得出的气体的进入量，与当前进入量相比，以调整质量流量计12使得气体的当前进入量趋于计算得出的气体进入量。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种真空炉的分压控制系统，其特征在于，包括：

真空炉，具有进气口和排气口；

设于所述进气口的质量流量计，控制进入所述真空炉内气体的进入量；

设于所述排气口的角度阀，控制从所述真空炉内排出的气体的排出量；以及

与所述质量流量计和所述角度阀控制连接的分压控制模块，所述分压控制模块获取所述真空炉内的当前压力值，根据所述真空炉的压力设定值和所述当前压力值、并通过所述质量流量计和所述角度阀控制所述真空炉内气体的进入量和排出量，以使得所述真空炉内的当前压力值趋于所述压力设定值。

2.如权利要求1所述的真空炉的分压控制系统，其特征在于，所述分压控制模块内设有计算单元和处理单元，通过所述计算单元计算得出气体的进入量和排出量，所述计算单元通过如下的计算公式进行计算：

p*V＝n*RT              (1)

p₀*V＝n₀*RT             (2)

n＝m/M              (3)

dm/dt＝(MV/RT)*(dp/dt)           (4)

dm/dt＝q1-q2           (5)

q2＝p*K*S₀               (6)

dp/dt＝(RT/MV)*q1-(RT/MV)*q2             (7)

式(1)至式(7)中：p为真空炉内的当前压力值，p₀为压力设定值，V为真空炉的体积，n为真空炉内当前的气体摩尔数，n₀为真空炉在压力p₀下对应的气体摩尔数，m为真空炉内的气体质量，M为气体的摩尔质量，dm/dt为真空炉内气体质量的变化，R为理想气体常数，T为真空炉内当前的热力学温度，dp/dt为真空炉内压力的变化，q1为气体的进入量，q2为气体的排出量，K为角度阀开启度，S₀为真空炉在排气口处的排气速率，根据n与n₀的差值得出气体的进入量和排出量；

所述处理单元根据所述计算单元计算得出的气体的进入量和排出量，对所述质量流量计和所述角度阀进行调整，使得所述质量流量计和所述角度阀适配所述计算单元计算得出的气体的进入量和排出量。

3.如权利要求2所述的真空炉的分压控制系统，其特征在于，所述角度阀连接有罗茨泵，通过所述罗茨泵从所述排气口将所述真空炉内的气体抽出。

4.如权利要求1所述的真空炉的分压控制系统，其特征在于，所述分压控制模块还与控制主机连接，接收所述控制主机发送的所述真空炉的压力设定值。

5.如权利要求1所述的真空炉的分压控制系统，其特征在于，所述质量流量计实时将气体的当前进入量发送给所述分压控制模块。

6.一种真空炉的分压控制方法，其特征在于，包括：

于真空炉的进气口处设置质量流量计，以控制从所述进气口进入所述真空炉内的气体的进入量；

于所述真空炉的排气口处设置角度阀，以控制从所述排气口排出所述真空炉的气体的排出量；

获取所述真空炉内的当前压力值，根据压力设定值计算得出气体的进入量和排出量，依据计算得出的气体的进入量和排出量调整所述质量流量计和所述角度阀，以使得所述真空炉内的当前压力值趋于所述压力设定值。

7.如权利要求6所述的真空炉的分压控制方法，其特征在于，根据压力设定值计算得出气体的进入量和排出量，包括：

通过如下的计算公式进行计算：

p*V＝n*RT                (1)

p₀*V＝n₀*RT             (2)

n＝m/M                     (3)

dm/dt＝(MV/RT)*(dp/dt)                   (4)

dm/dt＝q1-q2                     (5)

q2＝p*K*S₀                       (6)

dp/dt＝(RT/MV)*q1-(RT/MV)*q2        (7)

式(1)至式(7)中：p为真空炉内的当前压力值，p₀为压力设定值，V为真空炉的体积，n为真空炉内当前的气体摩尔数，n₀为真空炉在压力p₀下对应的的气体摩尔数，m为真空炉内的气体质量，M为气体的摩尔质量，dm/dt为真空炉内气体质量的变化，R为理想气体常数，T为真空炉内当前的热力学温度，dp/dt为真空炉内压力的变化，q1为气体的进入量，q2为气体的排出量，K为角度阀开启度，S₀为真空炉在排气口处的排气速率，根据n与n₀的差值得出气体的进入量和排出量；

根据计算得出的气体的进入量和排出量，对所述质量流量计和所述角度阀进行调整，使得所述质量流量计和所述角度阀适配所计算得出的气体的进入量和排出量。

8.如权利要求6所述的真空炉的分压控制方法，其特征在于，于所述角度阀处连接罗茨泵，通过所述罗茨泵从所述排气口将所述真空炉内的气体抽出。

9.如权利要求6所述的真空炉的分压控制方法，其特征在于，依据计算得出的气体的进入量调整所述质量流量计，包括：

通过所述质量流量计获取气体的当前进入量；

再根据计算得出的气体的进入量，调整所述质量流量计，以使得气体的当前进入量趋于计算得出的气体的进入量。