ARL9800XP真空系统原理分析

2016-06-27

9800的真空系统和以前的84/86及9400都不同，这是因为除了进样方式和试样室结构不同外还使用了分子泵。9800真空系统使用了二个泵：低真空油泵和高真空分子泵。

低真空油泵（Pump2,，P2）主要用于试样进出时的试样室抽空以及光谱室的前期抽空，它有二种工作方式，即全工作方式（ Full Mode，220V供电）和半工作方式（Half Mode，110V供电），按真空度情况由XQM控制自动切换。高真空分子泵（Pump1，P1）用于光谱室抽空，它的转速可按光谱室真空状态由XQM控制变化，通常处在12000--27000rpm（转/分）。由于分子泵没有油气污染而且可以改变转速从而维恃真空稳定，所以保证了光谱室有一个清洁稳定的分析环境。

一. 抽空顺序：
仪器一通电，XQM首先获取光谱室（SP）真空状态参数。
1. 如SP<25KPa，XQM认为光谱室处于真空，给二个泵供电起动，使P2处在全工作方式而P1转速升至15000rpm，同时打开光谱室抽气阀门V1抽空。当SP<1000Pa，XQM会命令P1提速至27000rpm继续抽空。在到达SP<13Pa，XQM将使P2改为半工作方式，P1继续维恃高速。在整个过程中，试样室始终处于大气状态，这时仪器处在待分析状态。
2. 如SP>25KPa，ICS认为光谱室处在大气或接近大气状态，二个泵都不供电起动，等待环境设置的命令。环境设置可用软件设置或终端命令SE 1 。
3. 环境设置命令输入后，首先试样室的Loading Lift下，Shutter关，使试样室与外界隔离。1) 这时XQM对P2供电并使之处于全工作方式，打开试样室抽气阀门V2，对试样室抽空。
2) 当PC<= SP时，XQM 命令打开输送杯外框(shell)使试样室和光谱室联通，同时P1通电，转速逐渐升至12000rpm。
3）当SP<25KPa，打开光谱室抽气阀V1，P1转速升至15000rpm，二个泵同时抽。
4）当SP<1000Pa，P1转速升至27000rpm，继续二个泵同时抽。
5）当SP<13Pa， P2改为半工作方式，P1继续维恃高速抽光谱室。
6）紧接着XQM 命令关闭Shell使试样室和光谱室隔离，试样室抽气阀门V2关闭，试样室进气阀V3打开使试样室进气成大气然后V3再关闭，试样室的Shutter打开，Loading Lift上，使试样室与外界连通。
这时光谱室真空，试样室大气，仪器处在待分析状态。

二. 抽空中止（Pumping suspended）：
抽空中止是在抽空过程中的一个特殊状态，这时V1和V2被关闭，P1和P2的供电被切断。
上述的任一抽空过程出现问题，都会引发抽空中止。例：
1. 当上述3-2过程抽了30 分钟后，还到不了SP<25KPa；
2. 当上述3-3过程抽了60 分钟后，还到不了SP<1000Pa或又大于25KPa了；
3. 当上述3-4过程抽了60 分钟后，还到不了SP<13Pa或又大于25KPa了；
4. 开机时SP真空，按上述1过程抽了5 分钟后，还到不了SP<13Pa或又大于25KPa了；
5. 光谱室处在真空下，但突然SP>100Pa。
处在抽空中止状态下要恢复抽空，必须重新设置环境。

三. 油泵（P2）的电路控制：
油泵控制涉及的电路有：Power Distrubution(板号S702593图号S111852)；XQM(板号S702416图号S111556，S111853)；XSP(板号S702594，图号S111851)
油泵电路控制较为简洁。油泵电机接的相中地三线由PD板的TS911输出，其中仅相线(TS911-1)受控制。电源220V相线经继电器IC2输出至TS911-1；由生成24V的变压器初级线圈中心抽头引出的电源110V相线经继电器IC3输出至TS911-1。
油泵的控制采用微处理器输出命令，由XSP板上的功率驱动片IC4(L293D)的输出去驱动PD板上的IC2或IC3继电器，从而供给油泵电机不同的电源。
有关的输入信号路径如下：
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
有关的输出信号路径如下：
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跟据真空度值按需要首先发出EnVacPmp2命令使泵能起动：
再发出In1VacPmp2命令，IC2动作，220V加在泵的电机上，油泵处在全工作方式状态；
或发出In2VacPmp2命令，IC3动作，110V加在泵的电机上，油泵处在半工作方式状态。
通过终端命令可查讯油泵目前处在什么工作状态： RI 1,1,52H
回答显示01001100Y是油泵处在全工作方式状态，01010100Y油泵处在半工作方式状态。

四. 分子泵（P1）的电路控制：
分子泵控制涉及的电路有：XQM(板号S702416图号S111556，S111853)；XSP(板号S702594图号S111851)。分子泵的接头共有六个：1,a; 2,b; 3,c; 4,d; 5,e; 6,f。
1,a XSP J152/22A,22BIC19/10 VacPmp1- 负电源
2,b XSP J152/21C,21BIC19/2 VacPmp1+ 正电源
3,c XSP J152/23CIC17F/13 HallSensor 转动方向信号
4,d XSP J152/18B IC7/47 PtcPmp 温度信号
5,e XSP J152/17A DGND
6,f XSP J152/22C +12v
分子泵的电源在XSP板上，由二个脉冲宽度调节器IC10;IC14(PWM,SC3525AN)和功放IC19(LMD18200)组成，分电压控制；电流控制和功率输出三部份。
该电路的输入信号有：
电压设置VpSetPointXQM IC20/7J151/28CXSP J152/28CIC10/2,16
电流设置CuSetPointXQM IC20/6 J151/28BXSP J152/28BIC14/2,16
芯片选择EnVacPump1XQM IC5/1J151/19CXSP J152/19CIC10/10
马达方向HallSensorXSP IC17F/13J152/23CMolecular Pump Motor 3,c
该电路的输出信号有：
电流信号StsPmpiCurXSP IC7/46
电压信号StatueVpXSP IC7/45
过热信号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
分子泵运转需55V电源，由电压控制源逐步增加直至到达合适电压，称+VP。在加压过程中，晶体管Q1(IRF9224)导通使二极管D8短路，这时具有双极转子的无刷马达将用反相极化(Opposite phase polarisation)。当马达转速达到最高27000rpm时，Q1开路，二极管使双相失去一相，马达变成发生器(Generator)。

LMD18200构成的开关DC马达电源(Switching DC motors Power Supplies)，使用H挢式结构的脉冲宽度调节器(PWM)并使用Sign/Magnitude控制模式。当结点温度超过125°C时，电路将发出过热信号DrvThFlag。该电路还提供电流传感用以电流控制，它连接至IC14的内差分放大器(Internal error amplifier),并同时以StsPmpiCur信号送入m控制器IC7/P0.6口。

五. 真空测量及真空探头的校准（Vacuum Guage Calibration）：
1. 真空测量：
光谱室(SP)和试样室(PC)的真空测量方式相同并和9400也相同，都采用NTC探头将真空度变化导致热传导变化作为测量依据的。其中NTC1为电桥温度感应，NTC2为电桥平衡后用于反映真空度信息的。每个探头有4个接头，1号为NTC1；2号3号接地；4号为NTC2。涉及的电路为XQM板 (板号S702416图号S111556，S111853)。二个探头信号连接如下：
2号3号接地接J151/30A
PC1号发出PCNtc2J151/29CIC5/40(平接IC20/9)
PC2号送入5V 信号PCNtc1J151/29B IC5/41
SP1号发出SPNtc2J151/30CIC5/42(平接IC20/8)
SP2号送入5V 信号SPNtc1J151/30BIC/43
IC20为A/D转换器(AD7225)，将信号转换后再计数供控制及显示。
Ntc1为控制器(80C196KR)发出的高电位信号使5V送入探头供电。

2. 真空探头的校准(Vacuum gauge calibration)：
真空探头的校准是使用终端命令“CG”来完成的。
1) 定义温度偏置(delta temperature offset)：
定义delta temperature offset必须将试样室和光谱室处在大气环境下，然后输入以下命令：
CG 1,0 自动定义试样室真空探头温度偏置。
CG 2,0 自动定义光谱室真空探头温度偏置。
2) 定义倍增系数(multiplicative coefficient)：
将要定义的探头从试样室或光谱室取下，将它装在油泵抽气管上抽空1分钟，因抽空的体积很小，故可认为这时真空度很高了。
如定义的是试样室探头：输入DY 1,1,2,0 显示其真空，其值应为1.5--2Pa，如不是可输入命令CG 1,1,1.18 (1.18为例，可由1--3间选择，直至显示的真空度符合1.5--2Pa)。
如定义的是光谱室探头：输入DY 1,1,3,0 显示其真空，其值应为1.5--2Pa，如不是可输入命令CG 1,2,1.33 (1.33为例，可由1--3间选择，直至显示的真空度符合1.5--2Pa)。
当然，最理想的是用一个已校准过的真空表插在油泵抽气管上抽空1分钟，记下它的读数，然后装上有关探头抽，最后用CG命令定义倍增系数，使显示的真空读数和记下的一致。
为了进样时较小扰动光谱室真空，通常将试样室探头的倍增系数调节得比光谱室探头的倍增系数略小一些，即对同一真空度的测量，试样室探头值要略大于光谱室探头值。
最后将定义好的二个探头的系数数入文件INIT.MIO，以便Load时自动送入：
.TX “CG 1,1,1.18”
.DELAY 2 (以上二句是对试样室探头的，1.18值是例。)
.TX “CG 1,2,1.33”
.DELAY 2 (以上二句是对光谱室探头的，1.33值是例。)

六. 真空系统阀门的电路控制：
涉及真空系统的阀门共有四个：光谱室抽气阀门V1；试样室抽气阀门V2；试样室进气阀门V3；光谱室进气阀门V4。涉及阀门控制的电路有：XQM(板号S702416图号S111556，S111853)；XSP(板号S702594图号S111851)。
四个阀门的控制方式相同，都采用微处理器输出命令，由功率驱动片L293D驱动阀门。
V1和V4由XSP板上的IC3驱动；V2和V3由XSP板上的IC2驱动。
有关的输入信号路径如下：
V1阀 EnSpPmpVlv 由XQM PPI2/PA7J151/20AXSP J152/20AIC3/1
V4阀 EnSpVntVlv 由XQM PPI2/PB0J151/20BXSP J152/20BIC3/8
V2阀 EnPcPmpVlv 由XQM PPI2/PB1J151/20CXSP J152/20CIC2/1
V3阀 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)
有关的输出信号路径如下：
V1电源 SpPmpVlv+ XSP IC3/3J152/25AV1+
SpPmpVlv- XSP IC3/6J152/25BV1-
V4电源 SpVntVlv+ XSP IC3/11J152/25CV4+
SpVntVlv- XSP IC3/14J152/26AV4-
V2电源 PcPmpVlv+ XSP IC2/3J152/26BV2+
PcPmpVlv- XSP IC2/6J152/26CV2-
V3电源 PcVntVlv+ XSP IC2/11J152/27AV3+
PcVntVlv- XSP IC2/14J152/27BV3-

七. 真空系统涉及到的终端命令：
1. 分子泵开关命令：P1 < on/off >, < pump speed > on -- 1, 0ff--<>1, speed--0 to 27000。
例：P1 1,15000 开泵，转速15000rpm。
2. 油泵开关命令：P2 < on/off >, < half voltage > on -- 1, 0ff--<>1; 230V--0 110V--<>0。
例：P2 1,0 开泵，220V供电，处在全工作方式。
3. 光谱室抽气阀开关命令：V1 < open/close > open -- 1, close -- <>1。
例：V1 1 打开光谱室抽气阀门； V1 2 关闭光谱室抽气阀门。
4. 试样室抽气阀开关命令：V2 < open/close > open -- 1, close -- <>1。
例：V2 1 打开试样室抽气阀门； V2 2 关闭试样室抽气阀门。
5. 试样室进气阀开关命令：V3 < open/close > open -- 1, close -- <>1。
例：V3 1 打开试样室进气阀门； V3 2 关闭试样室进气阀门。
6. 光谱室进气阀开关命令：VV < open/close > open -- 1, close -- <>1。
例：VV 1 打开光谱室进气阀门； VV 2 关闭光谱室进气阀门。
7. 真空读数显示命令：
DY 1,1,2,0 显示试样室真空度
DY 1,1,3,0 显示光普室真空度
DY 1,1,2,1,0--4 分别显示PCNtc1的电压；电阻；温度；过滤温度；外推温度
DY 1,1,2,2,0--4 分别显示PCNtc2的电压；电阻；温度；过滤温度；外推温度
DY 1,1,2,3,0--1 分别显示PCNtc1和PCNtc2的温度 offset and delta
DY 1,1,3,1,0--4 分别显示SPNtc1的电压；电阻；温度；过滤温度；外推温度
DY 1,1,3,2,0--4 分别显示SPNtc2的电压；电阻；温度；过滤温度；外推温度
DY 1,1,3,3,0--1 分别显示SPNtc1和SPNtc2的温度 offset and delta