ARL9800XP真空系統原理分析

2016-06-27

9800的真空系統和以前的84/869400都不同,這是因為除了進樣方式和試樣室結構不同外還使用了分子泵。9800真空系統使用了二個泵:低真空油泵和高真空分子泵。


低真空油泵(
Pump2,,P2)主要用于試樣進出時的試樣室抽空以及光譜室的前期抽空,它有二種工作方式,即全工作方式( Full Mode,220V供電)和半工作方式(Half Mode,110V供電),按真空度情況由XQM控制自動切換。高真空分子泵(Pump1,P1)用于光譜室抽空,它的轉速可按光譜室真空狀態由XQM控制變化,通常處在12000--27000rpm(轉/分)。由于分子泵沒有油氣污染而且可以改變轉速從而維恃真空穩定,所以保證了光譜室有一個清潔穩定的分析環境。


一. 抽空順序:
儀器一通電,XQM首先獲取光譜室(SP)真空狀態參數。
1. 如SP<25KPa,XQM認為光譜室處于真空,給二個泵供電起動,使P2處在全工作方式而P1轉速升至15000rpm,同時打開光譜室抽氣閥門V1抽空。當SP<1000Pa,XQM會命令P1提速至27000rpm繼續抽空。在到達SP<13Pa,XQM將使P2改為半工作方式,P1繼續維恃高速。在整個過程中,試樣室始終處于大氣狀態,這時儀器處在待分析狀態。
2. 如SP>25KPa,ICS認為光譜室處在大氣或接近大氣狀態,二個泵都不供電起動,等待環境設置的命令。環境設置可用軟件設置或終端命令SE 1? 。
3. 環境設置命令輸入后,首先試樣室的Loading Lift下,Shutter關,使試樣室與外界隔離。1) 這時XQM對P2供電并使之處于全工作方式,打開試樣室抽氣閥門V2,對試樣室抽空。
2) 當PC<= SP時,XQM 命令打開輸送杯外框(shell)使試樣室和光譜室聯通,同時P1通電,轉速逐漸升至12000rpm。
3)當SP<25KPa,打開光譜室抽氣閥V1,P1轉速升至15000rpm,二個泵同時抽。
4)當SP<1000Pa,P1轉速升至27000rpm,繼續二個泵同時抽。
5)當SP<13Pa, P2改為半工作方式,P1繼續維恃高速抽光譜室。
6)緊接著XQM 命令關閉Shell使試樣室和光譜室隔離,試樣室抽氣閥門V2關閉,試樣室進氣閥V3打開使試樣室進氣成大氣然后V3再關閉,試樣室的Shutter打開,Loading Lift上,使試樣室與外界連通。
這時光譜室真空,試樣室大氣,儀器處在待分析狀態。

二. 抽空中止(Pumping suspended):
抽空中止是在抽空過程中的一個特殊狀態,這時V1和V2被關閉,P1和P2的供電被切斷。
上述的任一抽空過程出現問題,都會引發抽空中止。例:
1. 當上述3-2過程抽了30 分鐘后,還到不了SP<25KPa;
2. 當上述3-3過程抽了60 分鐘后,還到不了SP<1000Pa或又大于25KPa了;
3. 當上述3-4過程抽了60 分鐘后,還到不了SP<13Pa或又大于25KPa了;
4. 開機時SP真空,按上述1過程抽了5 分鐘后,還到不了SP<13Pa或又大于25KPa了;
5. 光譜室處在真空下,但突然SP>100Pa。
處在抽空中止狀態下要恢復抽空,必須重新設置環境。

三. 油泵(P2)的電路控制:
油泵控制涉及的電路有:Power Distrubution(板號S702593圖號S111852);XQM(板號S702416圖號S111556,S111853);XSP(板號S702594,圖號S111851)
油泵電路控制較為簡潔。油泵電機接的相中地三線由PD板的TS911輸出,其中僅相線(TS911-1)受控制。電源220V相線經繼電器IC2輸出至TS911-1;由生成24V的變壓器初級線圈中心抽頭引出的電源110V相線經繼電器IC3輸出至TS911-1。
油泵的控制采用微處理器輸出命令,由XSP板上的功率驅動片IC4(L293D)的輸出去驅動PD板上的IC2或IC3繼電器,從而供給油泵電機不同的電源。
有關的輸入信號路徑如下:
EnVacPmp2 由XQM PPI2/PA2?J151/15C?XSP J152/15C?IC4/1
In1VacPmp2 由XQM PPI2/PB3(In1MoPbLi)?J151/16B?XSP J152/16B?IC4/2
In2VacPmp2 由XQM PPI2/PB4(In2MoPbLi)?J151/16C?XSP J152/16C?IC4/7
有關的輸出信號路徑如下:
Pmp2Full 由XSP IC4/2?J152/15A?Power Distribution J921/3?IC2?TS911/1  220V 
Pmp2Half 由XSP IC4/6?J152/15B?Power Distribution J921/4?IC3?TS911/1  110V
XQM跟據真空度值按需要首先發出EnVacPmp2命令使泵能起動:
再發出In1VacPmp2命令,IC2動作,220V加在泵的電機上,油泵處在全工作方式狀態;
或發出In2VacPmp2命令,IC3動作,110V加在泵的電機上,油泵處在半工作方式狀態。
通過終端命令可查訊油泵目前處在什么工作狀態: RI 1,1,52H? 
回答顯示01001100Y是油泵處在全工作方式狀態,01010100Y油泵處在半工作方式狀態。

四. 分子泵(P1)的電路控制:
分子泵控制涉及的電路有:XQM(板號S702416圖號S111556,S111853);XSP(板號S702594圖號S111851)。 分子泵的接頭共有六個:1,a; 2,b; 3,c; 4,d; 5,e; 6,f。
1,a ?XSP J152/22A,22B?IC19/10  VacPmp1-  負電源
2,b ?XSP J152/21C,21B?IC19/2  VacPmp1+  正電源
3,c ?XSP J152/23C?IC17F/13    HallSensor  轉動方向信號
4,d ?XSP J152/18B? IC7/47      PtcPmp    溫度信號
5,e ?XSP J152/17A? DGND
6,f ?XSP J152/22C? +12v
分子泵的電源在XSP板上,由二個脈沖寬度調節器IC10;IC14(PWM,SC3525AN)和功放IC19(LMD18200)組成,分電壓控制;電流控制和功率輸出三部份。
該電路的輸入信號有:
電壓設置VpSetPoint?XQM IC20/7?J151/28C?XSP J152/28C?IC10/2,16
電流設置CuSetPoint?XQM IC20/6? J151/28B?XSP J152/28B?IC14/2,16
芯片選擇EnVacPump1?XQM IC5/1?J151/19C?XSP J152/19C?IC10/10
馬達方向HallSensor?XSP IC17F/13?J152/23C?Molecular Pump Motor 3,c
該電路的輸出信號有:
電流信號StsPmpiCur?XSP IC7/46
電壓信號StatueVp?XSP IC7/45
過熱信號DryThFlag?XSP J152/24C?XQM J151/24C?PPI1/PC1
VacPump1+?XSP J152/21C,21B?Molecular Pump Motor 1,a
VacPump1-?XSP J152/22A,22B?Molecular Pump Motor 2,b
分子泵運轉需55V電源,由電壓控制源逐步增加直至到達合適電壓,稱+VP。在加壓過程中,晶體管Q1(IRF9224)導通使二極管D8短路,這時具有雙極轉子的無刷馬達將用反相極化(Opposite phase polarisation)。當馬達轉速達到最高27000rpm時,Q1開路,二極管使雙相失去一相,馬達變成發生器(Generator)。

LMD18200構成的開關DC馬達電源(Switching DC motors Power Supplies),使用H撟式結構的脈沖寬度調節器(PWM)并使用Sign/Magnitude控制模式。當結點溫度超過125°C時,電路將發出過熱信號DrvThFlag。該電路還提供電流傳感用以電流控制,它連接至IC14的內差分放大器(Internal error amplifier),并同時以StsPmpiCur信號送入m控制器IC7/P0.6口。

五. 真空測量及真空探頭的校準(Vacuum Guage Calibration):
1. 真空測量:
光譜室(SP)和試樣室(PC)的真空測量方式相同并和9400也相同,都采用NTC探頭將真空度變化導致熱傳導變化作為測量依據的。其中NTC1為電橋溫度感應,NTC2為電橋平衡后用于反映真空度信息的。每個探頭有4個接頭,1號為NTC1;2號3號接地;4號為NTC2。涉及的電路為XQM板 (板號S702416圖號S111556,S111853)。二個探頭信號連接如下:
2號3號接地 接J151/30A
PC1號發出PCNtc2?J151/29C?IC5/40(平接IC20/9)
PC2號送入5V 信號PCNtc1?J151/29B ?IC5/41
SP1號發出SPNtc2?J151/30C?IC5/42(平接IC20/8)
SP2號送入5V 信號SPNtc1?J151/30B?IC/43
IC20為A/D轉換器(AD7225),將信號轉換后再計數供控制及顯示。
Ntc1為控制器(80C196KR)發出的高電位信號使5V送入探頭供電。

2. 真空探頭的校準(Vacuum gauge calibration):
真空探頭的校準是使用終端命令“CG”來完成的。
1) 定義溫度偏置(delta temperature offset):
定義delta temperature offset必須將試樣室和光譜室處在大氣環境下,然后輸入以下命令:
CG 1,0?  自動定義試樣室真空探頭溫度偏置。
CG 2,0?  自動定義光譜室真空探頭溫度偏置。
2) 定義倍增系數(multiplicative coefficient):
將要定義的探頭從試樣室或光譜室取下,將它裝在油泵抽氣管上抽空1分鐘,因抽空的體積很小,故可認為這時真空度很高了。
如定義的是試樣室探頭:輸入DY 1,1,2,0? 顯示其真空,其值應為1.5--2Pa,如不是可輸入命令CG 1,1,1.18? (1.18為例,可由1--3間選擇,直至顯示的真空度符合1.5--2Pa)。
如定義的是光譜室探頭:輸入DY 1,1,3,0? 顯示其真空,其值應為1.5--2Pa,如不是可輸入命令CG 1,2,1.33? (1.33為例,可由1--3間選擇,直至顯示的真空度符合1.5--2Pa)。
當然,最理想的是用一個已校準過的真空表插在油泵抽氣管上抽空1分鐘,記下它的讀數,然后裝上有關探頭抽,最后用CG命令定義倍增系數,使顯示的真空讀數和記下的一致。
為了進樣時較小擾動光譜室真空,通常將試樣室探頭的倍增系數調節得比光譜室探頭的倍增系數略小一些,即對同一真空度的測量,試樣室探頭值要略大于光譜室探頭值。
最后將定義好的二個探頭的系數數入文件INIT.MIO,以便Load時自動送入:
.TX “CG 1,1,1.18”
.DELAY 2          (以上二句是對試樣室探頭的,1.18值是例。)   
.TX “CG 1,2,1.33”
.DELAY 2          (以上二句是對光譜室探頭的,1.33值是例。)

六. 真空系統閥門的電路控制:
涉及真空系統的閥門共有四個:光譜室抽氣閥門V1;試樣室抽氣閥門V2;試樣室進氣閥門V3;光譜室進氣閥門V4。涉及閥門控制的電路有:XQM(板號S702416圖號S111556,S111853);XSP(板號S702594圖號S111851)。
四個閥門的控制方式相同,都采用微處理器輸出命令,由功率驅動片L293D驅動閥門。
V1和V4由XSP板上的IC3驅動;V2和V3由XSP板上的IC2驅動。
有關的輸入信號路徑如下:
V1閥 EnSpPmpVlv 由XQM PPI2/PA7?J151/20A?XSP J152/20A?IC3/1
V4閥 EnSpVntVlv  由XQM PPI2/PB0?J151/20B?XSP J152/20B?IC3/8
V2閥 EnPcPmpVlv 由XQM PPI2/PB1?J151/20C?XSP J152/20C?IC2/1
V3閥 EnPcVntVlv  由XQM PPI2/PB2?J151/21A?XSP J152/21A?IC2/8
IN1VlvDry 由XQM PPI2/PB5?J151/24A?XSP J152/24A?IC3/2,10(IC2/2,10)
IN2VlvDry 由XQM PPI2/PB6?J151/24B?XSP J152/24B?IC3/7,15(IC2/7,15)
有關的輸出信號路徑如下:
V1電源 SpPmpVlv+  XSP IC3/3?J152/25A?V1+
        SpPmpVlv-  XSP IC3/6?J152/25B?V1-
V4電源 SpVntVlv+  XSP IC3/11?J152/25C?V4+
        SpVntVlv-  XSP IC3/14?J152/26A?V4-
V2電源 PcPmpVlv+  XSP IC2/3?J152/26B?V2+
        PcPmpVlv-  XSP IC2/6?J152/26C?V2-
V3電源 PcVntVlv+  XSP IC2/11?J152/27A?V3+
        PcVntVlv-  XSP IC2/14?J152/27B?V3-

七. 真空系統涉及到的終端命令:
1. 分子泵開關命令:P1 < on/off >, < pump speed >?  on -- 1, 0ff--<>1, speed--0 to 27000。
  例:P1 1,15000?  開泵,轉速15000rpm。
2. 油泵開關命令:P2 < on/off >, < half voltage >?  on -- 1, 0ff--<>1;  230V--0 110V--<>0。
  例:P2 1,0?  開泵,220V供電,處在全工作方式。
3. 光譜室抽氣閥開關命令:V1 < open/close >?    open -- 1, close -- <>1。
  例:V1 1?  打開光譜室抽氣閥門;  V1 2?  關閉光譜室抽氣閥門。
4. 試樣室抽氣閥開關命令:V2 < open/close >?    open -- 1, close -- <>1。
  例:V2 1?  打開試樣室抽氣閥門;  V2 2?  關閉試樣室抽氣閥門。
5. 試樣室進氣閥開關命令:V3 < open/close >?    open -- 1, close -- <>1。
  例:V3 1?  打開試樣室進氣閥門;  V3 2?  關閉試樣室進氣閥門。
6. 光譜室進氣閥開關命令:VV < open/close >?    open -- 1, close -- <>1。
  例:VV 1?  打開光譜室進氣閥門;  VV 2?  關閉光譜室進氣閥門。
7. 真空讀數顯示命令:
  DY 1,1,2,0?  顯示試樣室真空度
  DY 1,1,3,0?  顯示光普室真空度
  DY 1,1,2,1,0--4  分別顯示PCNtc1的電壓;電阻;溫度;過濾溫度;外推溫度
  DY 1,1,2,2,0--4  分別顯示PCNtc2的電壓;電阻;溫度;過濾溫度;外推溫度
  DY 1,1,2,3,0--1  分別顯示PCNtc1和PCNtc2的溫度 offset and delta
  DY 1,1,3,1,0--4  分別顯示SPNtc1的電壓;電阻;溫度;過濾溫度;外推溫度
  DY 1,1,3,2,0--4  分別顯示SPNtc2的電壓;電阻;溫度;過濾溫度;外推溫度
  DY 1,1,3,3,0--1  分別顯示SPNtc1和SPNtc2的溫度 offset and delta

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