Устройство для регулирования температуры электропечей

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социапистичес них

Республик ()954968 (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заявлено 21.12.79(2! ) 2855849/18-24 (5l)M. Кл. Ц 05 D 23/19 с присоединением заявки М. Веударстмниый квмктет

СССР ав лелем лзавретеикк и опрытвк (23) Приоритет(53) УДК 621

555 6(088 8) Опубликовано 30,08.82. Бюллетень .% 32

Дата опубликования описания 30.08.82 (72) Авторы изобретения

И.Г. Блинов, В.И.Иванов, А.Ю. Лукичев, А.E. Моррзов, Б.С. Мухин, В. Б. Никулин и А.N. Петров (7l ) Заявитель

Изобретение относится к автоматике и может использоваться в автоматических электропечах, напрттмер в диффузионных установках для проведения технологических пропессов микроэлектроHHKH.

Известно устройство для регулирования температуры электропечей, содержашее нагреваемый объект, термопарный датчик температуры, усилитель постоянного тока, измерительный блок, блок задания температуры, регулятор мошности, вакуумные термоэлементы, делитель напряжения, переключатель режимов работы, Регулирование мошности, подводимой к нагревателю, производится в соответствии с заданной температурой, температурой нагреваемого объекта, измеренной термопарным датчиком температуры, а также напряжением и током нагревателя, изме- щ ренным посредством вакуумных термоэлементов (1) .

Недостатком данного устройства являются невозможность получения равномер»2 ного разогрева нагреваемого объекта, а также низкая точность регулирования температуры в зоне действия термопарного датчика температуры, обусловленная на-. личием погрешности .самого датчика и отсутствием компенсации нелинейности его характеристики и термы-ЭДС свободных концов, а также наличием нескорректированной погрешности измерительного блока.

Наиболее близким по технической сушности к предлагаемому, является устройство для регулирования температуры электропечей, которое содержит трехсекдионный нагреватель, подключенный к выходу регулятора мошности, три термопарных датчика температуры, положительные выводы которых подключены к входам усилителей постоянного тока. и блок задания температуры j2) .

Недостатком данного устройства является относительно невысокая точность регулирования температуры, обусловленная рядом факторов наличием большой остаточной погрешности регулирования темпера3 9549 туры вследствие использования пропорционального закона регулирования, реализуемого в регуляторе мощности, который состоит из генераторов пилообразного напряжения, блокинг-генераторов и тиристорных блоков; наличием некорректированной погрешности сравнения температур в центральной и боковых секциях нагревателя, вызванной разбросом градуировочных характеристик термопар (согласно ГОСТ 16

3044-61 в диапазоне температур

973-1473 К при использовании термопар типа HP-30/16 до <3,5 К, цля термопар типа ПП-l до +2,2 К) кроме того, на результат сравнения влияет дрейф нуля, и 1$ нестабильность коэффициентов усиления усилителей постоянного тока в контурах регулирования температуры боковых секций, в которых так же, как и в основном контуре, реаЛизуется пропорциональный за-gg кон регулирования, предполагающий статическую погрешность регулирования; на.личием погрешности задания температуры, вызванной возможным отличием (соглас- l но ГОСТ 3044-61) характеристики тер- ру мопары, установленной в зоне действия центральной секции нагревателя, от стандартной градуировочной характеристики, а также отсутствием ксипенсации температуры свободных концов термопар и изменением со временем термо-ЭДС.

Цель изобретения - повышение точности регулирования температуры электропечи.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования тем35 пературы электропечей, содержащее трехсекционный нагреватель, подключенный к выходу регулятора мощности, по числу секций нагревателя термопары, первые вы40 воды которых подключены к входам соответствующих усипителей постоянного то ка, и блок задания температуры, введены вычислительный блок с АЦП на одном из входов, датчик температуры окружающей среды, источник опорного напряжения, 45 блок поправок, резистивный делитель напряжения, ключи и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый и второй распределители, причем выходы усилителей постоянного тока через группу первых ключей пош лючены к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), связанному через второй, третий и четвертый ключи соответственно с выходами датчика температуры окружающей среды, общей шиной питания и выходом источника опорного напряжения, подключенным через пятый ключ к входу резистив

68 ф ного делителя напряжения, с выходом которого соединены вторые выводы термопар, управляющие входы всех ключей связаны с выходами соответствующих распределителей, вход второго распределите-. ля, выходы блока поправок, блока задания темйературы и генератора тактовых импульсов подключены к другим входам вычислительного блока, выходом связанного с входом регулятора мощности.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства регулирования температуры; на фиг. 2 - временная диаграмма полного цикла работы семи аналоговых ключей; на фиг. 3 - эквивалентная электрическая схема включения термопарных датчиков температуры.

На нагреваемом объекте 1 (фиг. 1) в зонах действия каждой секции трехсек, ционного нагревателя 2 расположены три датчика 3-5 температуры - термопары, положительные выводы которых подключены к входам трех усилителей 6- 8 постоянного тока. Вход АЦП 9 через первую . группу ключей 10-12 подключен соответственно к выходам первого, второго и третьего усилителей 6-8 постоянного roа ка. Через четвертый ключ 13 вход AIIH 9 подключен к выходу источника 14 опорного напряжения, через третий ключ 15к обшей шине питания устройства, через второй ключ 16 к выходу датчика 17 температуры окружающей среды, Управляющие входы ключей 10-12 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого распределителя 18, тактовый вход которого подключен к генератору 1 9 тактовых импульсов. Четвертый выход первого распределителя 1 8 подключен к тактовому входу второго ра пределителя 20, первый,, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам ключей 1316, а четвертый - к управляющему входу пятого ключа 21. Вход ключа 21 подключен к выходу источника 14 опорного напряжения, а выход - к входу резистивного делителя 22 напряжения, К выходу делителя 22 напряжения подключены отрица.тельные выводы термопарных датчиков

3-5 температуры, Выход АЦП 9 подключен к первому входу вычислительного блока 23, второй которого подключен к выходу блока 24 поправок.

Блок 24 поправок реализован в виде постоянного запоминающего устройства, в которое вводятся и сохраняются значения

Йz „ поправок для каждого из (j =1, 2, 3) термопарных датчиков 3-5 температуры

S !>ñ-4! и для каждой из точек проверки патчиков 3-5. 11ри практической реализации

=1, ..., 5.

Кроме того, в этом блоке хранятся коды N E, соответствующие значениям термо-ЭДС термопарных датчиков 3-5 температуры, в точках для которых проИзводятся поверка,. термопарных датчиков и вводятся поправки. Поправки в блок

24 поправок вводятся при замене термо- 16 парных датчиков 3-5 температуры с уче» том данных предварительной проверки.

Функционирование блока 24 поправок аналогично функционированию любого типо вого постоянного запоминающего устройства, связанного с процессором ЭВМ (в данном случае вычислительным блоком 23. В ходе вычислений в вычислител! ном блоке, в моменты когда производятся соответствующие вычисления, опрашивается20 блок 24 и хранящиеся в нем коды N„„ и

1 вводятся в арифметическое устройство !! вычислительного блока, Третий вход вычислительного блока 23 подключен к четвертому выходу первого распределителя 18. Четвертый вход вычислительного блока 23 подключен к выходу блока 25 задания температуры и пятый вход - к выходу генератора 1 9 тактовых импульсов. Выход вычислительного блока 30

23 подключен к входу регулятора 26 мощ- ности, к выходу которого подключен трехсекционный нагреватель 2.

Устройство работает следующим образом. 35

В соответствии с тактовыми импульс сами, вырабатываемыми генератором 19 тактовых импульсов, первый распределитель 18 поочередно открывает ключи 1012. При этом на вход АЦП 9 поочеред-,щ но подаются усиленные усилителями 6-8 постоянного тока выходные сигналы термопарных датчиков 3-5 температуры, а с его выхода на первый вход вычислительного блока 23 поступают соответственно 4 числа Н !, Nq, М з, соответствующие этим сигналам. Числа N«(me =1, 2, 3) .заносятся в память вычислител ного блока 23. Полный цикл работы первого распределителя 18 равен 24 тактам.

Этот цикл можно разбить на 6 подциклов по 4 такта в каждом такте. Ключ 10 открывается в течение четвертого такта первого подцикла, а также в течение первого такта всех шести подциклов, ключ

1 1 открь>вается в течение четвертого такта третьего подцикла, а также в тече ние второго такта каждого из шести подциклов, ключ 12 открывается в течение етверт ого TBKTH пя ого (Одц!кукла, a TQK f же в течение греть =г:, такта всех шести подииклов. Па каждом четвертом такте работь! первого распределителя 1 8 меняется состояние второго распределит ля 20.

При этом в течение четвертого такта второга подцикла вход AIlH 9 через ключ 13 подключается к выходу источника 14 опорного напряжения, в течение четвертого такта четвертого подциклачерез ключ 15 — к общей шине устрой» ства, а в течение четвертого такта шестого подпикла — через ключ 16 — к выходу датчика 17 температуры окружающей среды. Поступающие с выхода АЦП 9 соответствующие числа N т, N 4, Й g также заносятся в память вычислительного блока 23.

Кроме этого, в моменты времени, соответствующие четвертому такту 1, 3 и 5 подциклов, открывается ключ 21.

При этом в память вычислительного блока

23 заносятся поступающие с выхода

A1IH 9 числа N>,. где (i = 1, 2, 3), соот ветствующие напряжениям, полученным в результате суммирования выходного напряжения с делителя 22 и термодатчиков

3-5.

В вычислительном блоке 23 с целью коррекции погрешностей измерения термоЭДС термопарных датчиков 3-5 температуры, каждая пара чисел N 4„, N2, (где ! = 1, 2, 3) обрабатывается по формуле

1114 115 "9T(5 !4)

N1„=

21 « U((N5 4) 3 4 !!2(,115 "4)(4) где К„, Кн — коэффициенты, определяемые зависимостью выходного напряжения источника 14 опорного напряжения от

1 температуры окружающей среды;

К т - коэффициент, определяющий зависимость смешений выходных сигналов усилителей 6-8 постоянного тока от температуры окружак>щей среды.

Далее, с целью компенсации влияния термо-ЭДС свободных концов термопарных датчиков 3-5 температуры и нелинейноотей их градуировочных характеристик чио» ла N „ (! 1, 2, 3) обрабатываются по формуле

7 954 968 глеН - хранящиеся в памяти вычислиЕ,И тельного блока 23 значения гра« ниц К отрезков линеаризующей кривой;

К„значения смешений граничных точек этих отрезков.

С целью корректировки погрешности измерения температуры, вызванной разбросом градуировочных характеристик тер» мопарных датчиков 3-5 температуры, чис-10 ла Ny (< 1, 2, 3) обрабатываются по формуле « If,i,j-q Е7 6 01 1 (6 Е,j-1

Е1 Е, -1 (М

rIIeN> хранящиеся в памяти вычисли

П,,) тельного блока 23 значения поп-: равок для каждого термопарного датчика 3-5 температуры; значения величины термо-ЭДС

) термопарных датчиков 3-5 темIIepaTóðû для точек, относи гельно которых вводятся поправки. 25

Далее, в вычислительном блоке 23 число 18д сравнивается с числОм Ny, введенным в вычислительный блок из блока 25 задания температуры, и по их разности определяется величина мощности Р, под- 50 водимой к средней секции нагревателя 2, в зоне действия которой расположен термопарный датчик 4 температуры.

Числа Мц,1 и Ng сравниваются с числом и по Результату их сРавнения опреде35 ляютяя величины мощностей, подводимые к боковым секциям нагревателя. Числа

"р < (4 1, 2, 3) с выхода вычислителю ного блока 23 подаются на вход регулятора 26 мощности, rae в соответствии с 40 ними изменяется мощность, подводимая к секпиям нагревателя.

Анализ работы устройства для регулировки температуры элбктропечей произведен путем подстановки выражений, описы -45 вающих сигналы его элементов с учетом погрешностей последних, в выражениях,по которым производится коррекция погрешнос тей при работе устройства.

Основные погрешности измэрения термсг50

ЭДС термопарных датчиков температуры могут быть оценены по следующим соотношениям: для выходных сигналов каждого из усилителей 6-8 постоянного тока

"Ц1 "УО ("ЦО " « У О ) kq< FT< 7 (4)

55 где0у,>, - смещение выходных сигналов усилителей постоянного тока, Г

8 определяющее аддитивную составляющую их погрешностей;

К; - начальное значение коэффициен та усиления;

К„„«составляющая дрейфа коэффициеи та усиления, не связанная с тем° пературой „

Ку - температурный коэффициент дрейфа коэффициента усиления;

E - сигналы термопарных датчиков

Т4 температуры.

Коэффициент К„„получен из анализа эквивалентной схемы (фиг. 3) включения термопарных датчиков 3-5 температуры.

Для каждого из трех входных напряжений Ug„, Ug,, Ubç усилителей 6-8 тоянного I oKa Ъ гу

К

11 г тц„ о т "т у

® где 1, 2,3; р„ - входное сопротивление усилитеу1 лей 6-8 постоянного тока; „ - внутреннее сопротивление термопарных датчиков 3-5, температуры; гg - выходное сопротивление делителя 22 напряжения;

E т. - термо-ЭДС термопарных да7 чиков 3-5 температуры.

7 - число на выходе АЦП при подключении его входа к выходу одного из усилителей постоянного тока будет равно

g„f = N0+("7l0iK ©) U „7

I где ЙО аддитивная составляющая поррешности АЦП 9;

КТО-- начальное значение коэффициента преобразования АЦП 9;

Для моментов времени когда открыт ключ 21 (фиг. 1) выражение (4) принимает. вид:

0 „=0)o lК„ „ „ -+ „< „ „

«(k«„E „«К „Ы (ц„ i««

0(,4 коэффициент, Определяющий за f висимость его выходного

954 9

N>=Nî (яд "в Я"ц + ) (10) с QUOo i 2 ЦМ4 g (у

"т

М4

К

«и

Т

I 4о " т т О "2Кт

1 090 где К ный к эффициент ких процессов микроэлектроники исполь» ий .з-ависи.. зование предлагаемого устройства в камость смещения выход- честве регулятора температуры поэволяе ного сигнала усилителя силителя повысить коэффициент выхода годных ор температуры окружающей среды, получим, Формула и"- обретения напряжения от температуры окружающей среды;

К - коэффициент передачи делите ля 22 напряжения;

Коэффициент k >, получен из анализа эквивалентной электродной схемы (фиг. 3) включения термоцарных датчиков 3-5 температуры. Для выходных напряжений Ub, (где < *= 1, 2, 3) каждого .иэ трех усилителей постоянного тока о

Sub, ГЧ1

К

ЭЦ з 4 @

4 (r ..; 14.г Z.

Ч, C. pp,„,„„„i() где U$ - выходное напряжение делителя 22„

Тогда, в свою очередь, выражение (6) примет вид: " „= "p (""по п 1 "ц ° . (9)

Числа М, N4, Я вносимые в память вычислительного блока 23 при подключе- 20 нии входа АЦП 9 к выходу источника 14 опорного напряжения,, к общей шине устройства и к выходу датчика 17 температуры окружающей среды соответственно равны: 25

4="о 1 (11)

"6 4о Кп+ keg К о (12) где К.„- коэффициент преобразования датчика 17 температуры окру жающей среды.

Подставляя выражения (4), (7) в 35 (6), (9) и (6), (9), (10), (11), (12) в (1 ), заменяя коэффициенты

68 10

Для значений параметров эквиваленгной схемы (фиг. 3)

50 Ом

l, — q2 -ГЧ 10 кОМ

rg =* 0,5 Ом величины коэффициентов равны

К „= 0,994876;

К 2„ =0,994975, Следовательно, выражение (13) можно заменить на

"6i т > (14) нз этого вытекает, что числа 1 6 соответствуют действительным значениям термо»

ЭДС термопарных датчиков 3-5 температуры. Погрешности, вызванные нелинейностями и разбросом их градуировочиых характеристик, корректируются после преобразования чисел в вычислительном блоке 23 в соответствии с выражениями (2), (3).

Иэ изложенного материала, вытекает,что погрешность измерения температура с помощью каждого термопарного датчика снижается в среднем с +3,5 К до +0,25 К беэ дополнительной подстройки и регули ровки, Применительно к диффузионной установке это позволяет уменыцнть погрешность задания среднего уровня темпера туры в реакторе с +3,5 К до -Ю,З К и уменьшить неравномерность разогрева рабочей эоны реактора с +3,5 К до +0,3 К без дополнительной подстройки. При этом указанные погрешности не возрастают при переходе на другой заданный температурный режим, и практически не зависят от температуры окружаихцей среды.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет осуществлять непосредственное, без помощи приводимых таблиц, програм» мное управление температурой. Также в .

cmy гибкости программы работы вычислительного блока в устройстве могут быть использованы современные алгоритмы управления температурой, позволяющие су щественно уменьшить динамическую ошиб-. ку регулирования. Применительно к диффузионным установкам для технологичео т иК,1

=Е

"к

Устройство для регулирования температуры электропечей, содержащее трехсек954968 7УГЮЛЮМ

Ьт

ВНИИПИ Заказ 6433/49 Тираж 914 Подписное

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4