DE3114119A1

DE3114119A1 - Regelkreis zur regelung des druckes in vakuumanlagen

Info

Publication number: DE3114119A1
Application number: DE19813114119
Authority: DE
Inventors: Johan K. Dr. 5300 Bonn Fremerey; Bernd Dipl.-Phys. 5170 Jülich Lindenau
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1981-04-08
Filing date: 1981-04-08
Publication date: 1982-10-21

Description

Regelkreis zur Regelung des Druckes in Vakuumanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Regelkreis zur Regelung des Druckes in Vakuumanlagen, bei dem am evakuierten Raum angeschlossene Druckaufnehmer in Wirkverbindung mit Stellgliedern zum Einleiten oder Absaugen von Gas in oder aus dem evakuierten Raum stehen.
Von der Einhaltung eines bestimmten Gasdruckes in engen Grenzen hängt in vielen Fällen die Reproduzierbarkeit und damit die Wirtschaftlichkeit von industriellen Herstellungsprozessen ab-, dies insbesondere im Bereich der Halbleiterherstellung. Eine genaue Einstellung des Druckes hängt in erster Linie von der Stabilität der Druckanzeige der am evakuierten Raum angeschlossenen Druckaufnehmer ab.
Für die Messung oberhalb etwa 1 mbar sind verschiedene Druckaufnehmer mit hinreichend hoher Stabilität bekannt.
Die Stabilität von herkömmlichen Druckaufnehmern für den Bereich unterhalb von etwa 1 mbar ist dagegen für viele Anwendungszwecke nicht ausreichend.
Die höchste bisher bekannte Stabilität der Druckanzeige im Druckbereich unterhalb etwa 1 mbar weist das Gasreibungsvakuummeter auf, in welchem als Druckaufnehmer eine mittels magnetischer Feldkräfte berührungslos gelagerte, antriebslos rotierende Stahlkugel verwendet wird, deren durch die Gasreibung verursachte Abbremsung ein reproduzierbares Maß für den Gasdruck darstellt. Ein solches Gasreibungsvakuummeter kann jedoch in seiner bekannten Form herkömmliche Druckaufnehmer in automatischen Druck- Regelungsanlagen wegen seiner im Veryleich mit anderen Druckaufnehmern hohen Zeitkonstante und der dadurch bedingten Anzeigeträgheit nicht ersetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regelkreis zu schaffen, der geeignet ist, eine schnelle Druckregelung in Vakuumanlagen bei gleichzeitig hoher Langzeitstabilität des jeweils vorgegebenen Druckes im evakuierten Raum zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird bei einem Regelkreis der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Stellglieder von einem ersten Druckaufnehmer mit im Vergleich zur Regelzeitkonstante des Regelkreises geringer Zeitkonstante und von einem zweiten Druckaufnehmer mit im Vergleich zum ersten Druckaufnehmer hoher Langzeitstabilität der Druckanzeige gesteuert wird, wobei die Ausregelung von kurzzeitigen Druckschwankungen im wesentlichen von dem ersten Druckaufnzhmer in an sich bekannter Weise gesteuert wird, während der zweite Druckaufnehmer im wesentlichen langsame Druckschwankungen ausgleicht. Langsame Druckschwankungen werden insbesondere durch die Drift des ersten Druckaufnehmers verursacht. Diese Drift wird vom erfindungsgemäßen Regelkreis in vorteilhafter Weise kompensiert.
Bevorzugt wird als zweiter Druckaufnehmer ein Gasreibungsvakuummeter verwendet, das wegen seines berührungslos gelagerten rotierenden Druckmeßkörpers eine sehr stabile Druckanzeige aufweist.
Anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung wiedergegeben ist, wird die Erfindung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt einen Regelkreis zur Regelung des Druckes in einem evakuierten Raum 1. Der Druck im Raum 1 wird im wesentlichen vom Leitwert eines Regelventils 2 zum Einleiten von Gas aus einem Gas speicher 3 sowie vom Leitwert eines Regelventils 4 an einer Vakuumpumpe 5 bestimmt. Einem ersten an den evakuierten Raum 1 angeschlossenen Druckaufnehmer 6 mit im Vergleich zur Regelzeitkonstante des Regelkreises geringer Zeitkonstante, bezdihungsweise mit vergleichsweise hoher Zeitauflösung der Druckanzeige, ist ein Vorverstärker 7 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal mittels eines ersten Differenzverstärkers 8 mit dem Ausgangssignal eines Sollwertgebers 9 verglichen wird. Das erhaltene Differenzsignal wird über ein Widerstands-Kondensator-Netzwerk 10 einem Ausyangsverstärker 11 zugeführt, der das Regelventil 4 an der Vakuumpumpe 5 steuert.
Die Zeitkonstante des Widerstands-Kondensator-Netzwerkes 1o ist bevorzugt so ausgelegt, daß schnelle Druckänderungen im evakuierten Raum 1 ausgeregelt und gedämpft werden (PD-Charakteristik). Einem zweiten am evakuierten Raum 1 angeschlossenen Druckaufnehmer 12 mit im Vergleich zum ersten Druckaufnehmer 6 hoher Langzeitstabilität der Druckanzeige ist ein Vorverstärker 13 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal mittels eines zweiten Differenzverstärkers 14 ebenfalls mit dem Ausgangssiynal des Sollwertgebers 9 verglichen wird. Dieses Differenzsiyndl wird einem Verstärker 15 zugeführt. Ein Widerstan«-Kondensator-Netzwerk 16 für den Verstärker 15 ist so ausgelegt, daß an dessen Ausgang nur langsame Druckänderungen im evakuierten Raum 1 zur Wirkung kommen (PI-Charakteristik). Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 wiX dem Ausgangssignal des Widerstands-Kondensator-Netzwerks10 am Eingang des Ausgangsverstärkers 11 überlagert. Das dem Regelventil 4 zum Absaugen des Raumes 1 beziehungsweise dem Regelventil 2 zum Einleiten von Gas in den Raum 1 zugeführte Signal setzt sich somit zusammen aus einem von dem ersten Druckaufnehmer 6 abgeleiteten Signal zur Ausregelung und Dämpfung von kurzzeitigen Druckschwankungen und einem von dem zweiten Druckaufnehmer 12 abgeleiteten Signal zur Ausregelung von langsamen Druckabweichungen (Driften).
Für die Verwendung als erster Druckaufnehmer eignen sich prinzipiell alle im Bereich unterhalb von etwa 1 mbar arbeitenden Meßköpfe mit Totaldruckanzeige oder massenselektiver Anzeige, die ein zeitlich kontinuierliches Ausgangssignal mit im Vergleich zu der Regelzeitkonstante des Regelkreises geringer Zeitkonstante aufweisen, zum Beispiel Ionisations-Vakuummeter, Massenspektrometer, Penningröhren, Hitzdraht-oder Membranvakuummeter.
Als zweiter Druckaufnehmer wird im Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise ein Gasreibungsvakuummeter mit berührungslos gelagertem, rotierendem Körper verwendet, dessen gasreibungsbedingte Abbremsung mit dem Gasdruck in einem zeitlich sehr konstanten Zusimmenhang steht. Die Langzeitstabilität der mittels eines solchen Druckaufnehmers ermittelten Druckanzeigen ist mit +1 % etwa um eine Größenordnung besser als bei den vorerwähnten Druckaufnehmern mit geringer Zeitkonstante. Der Nachteil von Gasreibungsvakuummetern, nämlich deren hohe Zeitkonstante, kommt im Regelkreis gemäß der Erfindung nicht zur Wirkung, da der mit dem zweiten Druckaufnehmer 12 wirksam verbundene Zweig des Regelkreises mit Widerstands-Kondensator-Netzwerk lo ohnehin nur langsame Signaischwankungen passieren läßt.
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Claims

Patentansprüche 1.l Regelkreis zur Regelung des Druckes in Vakuumanlagen, bei dem am evakuierten Raum angeschlossene Druckaufnehmer in Wirkverbindung mit Stellgliedern zum Einleiten oder Absaugen von Gas in oder aus dem evakuierten Raum stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (2, 4) von einem ersten Druckaufnehmer (6) mit im Vergleich zur Regelzeitkonstante des Regelkreises geringer Zeitkonstante und von einem zweiten Druckaufnehmer (12) mit im Vergleich zum ersten Druckaufnehmer (6) hoher Langzeitstabilität der Druckanzeige gesteuert werden, wobei die Aus regelung von kurzzeitigen Druckschwankungen im wesentlichen vom ersten Druckaufnehmer (6) in an sich bekannter Weise gesteuert wird, während der zweite Druckaufnehmer (12) im wesentlichen langsame Druckschwankungen ausgleicht.
2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Druckaufnehmer (12) ein Gasreibungsvakuummeter verwendet wird.