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本发明公开一种串级控制的气体保护装置，包括充气回路、排气回路和控制回路，高压气瓶通过一三通阀分别与充气回路和排气回路连通，充气回路和排气回路的另一端分别连接容器的进气口和排气口；控制回路包括设置在排气回路上的变频泵。本发明采用串级加分程控制系统，当容器内部压力过低时，使用高压储能罐内预装的大量高压惰性气体进行补充，当容器内部压力过高时，将多余的惰性气体抽入至高压储能罐内备用。通过串级控制可以避免由于压力控制的滞后导致设备内压力的波动，采用分程控制可以控制设备内部充气和排气。