Устройство для регулирования температуры электропечей

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскиаСоциапистичесиикРеспублик 11 954968(5М. Кл. 6 05 0 23/19 с присоединением заявки М 3 Ъеударстмнаьй каметет СССР ав делам лзебретеикк и опрытвк(7) Заявитель тя равномер. Изобретение относится к автоматике и может использоваться в автоматических электропечах, напрттмер в диффузионных установках для проведения технологических процессов микроэлектроники,Известно устройство для регулирования температуры электропечей, содержащее нагреваемый объект, термопарныйдатчик температуры, усилитель постоянного тока, измерительный блок, блок задания температуры, регулятор мощности,вакуумные термоэлементы, делитель напряжения, переключатель режимов работы,Регулирование мощности, подводимой кнагревателю, производится в соответствиис заданной температурой, температуройнагреваемого объекта, измеренной термопарным датчиком температуры, а такженапряжением и током нагревателя, измеренным посредством вакуумных термоэлементов 11 .Недостатком данного устройства являются невозможность получе 1 п ного разогрева нагреваемого объекта, а также низкая точность регулирования тем пературы 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 сущности к предлагаемому, является устройство для регулирования температуры электропечей, которое содержит трехсекционный нагреватель, подключенный к выходу регулятора мощности, три термопарных датчика температуры, положительные выводы которых подключены к входам усилителей постоянного тока. и блок задания температуры Я .Недостатком данного устройства является относительно невысокая точность регулирования температуры, обусловленная рядом факторов наличием большой остаточной погрешности регулирования темпера3 9549туры вследствие использования пропорционального закона регулирования, реализуемого в регуляторе мощности, которыйсостоит из генераторов пилообразного напряжения, блокинг генераторов и тиристорных блоков; наличием некорректированнойпогрешности сравнения температур в центральной и боковых секциях нагревателя,вызванной разбросом градуировочных характеристик термопар (согласно ГОСТ 163044-61 в диапазоне температур973-1473 К при использовании термопартипа ПР/16 до 13,5 К, для термопар типа ППдо +2,2 Ккроме того, нарезультат сравнения влияет дрейф нуля, и 15нестабильность коэффициентов усиленияусилителей постоянного тока в контурахрегулирования температуры боковых секций, в которых так же, как и в основномконтуре, реаЛизуется пропорциональный заОкон регулирования, предполагающий статическую погрешность регулирования; на.личием погрешности задания температуры,вызванной возможным отличием (соглас.+но ГОСТ 3044-61) характеристики тер- румопары, установленной в зоне действияцентральной секции нагревателя, от стандартной градуировочной характеристики, атакже отсутствием ксипенсации температуры свободных концов термопар и изменением со временем термо-ЭДС,Цель изобретения - повышение точности регулирования температуры электрпечи.Поставленная цель достигается тем,что в устройство для регулирования тем 3пературы электропечей, содержашее трехсекционный нагреватель, подключенный квыходу регулятора мощности, по числусекций нагревателя термопары, первые вы 40воды которых подключены к входам соответствующих усилителей постоянного то:ф,ка, и блок задания температуры, введенывычислительный блок с АЦП на одном извходов, датчик температуры окружающейсреды, источник опорного напряжения,45блок поправок, резистивный делитель напряжения, ключи и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов,первый и второй распределители, причемвыходы усилителей постоянного тока черезгруппу первых ключей пошцтючены к входу аналого-цифрового преобразователя(АЦП), связанному через второй, третийи четвертый ключи соответственно с выходами датчика температуры окружаюшейсреды, обшей шиной питания и выходомисточника опорного напряжения, подключенным через пятый ключ к входу резистив 68 фного 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 гоэ ка. Через четвертый ключ 13 вход АЦП 9 подключен к выходу источника 14 опорного напряжения, через третий ключ 15- к общей шине питания устройства, через второй ключ 16 к выходу датчика 17 температуры окружаюшей 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 13- 16, 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 Йппоправок для каждого из ( =1, 2, 3) термопарных датчиков 3-5 температуры7 954 068 где - хранящиеся в памяти вычислиЕ,Ительного блока 23 значения грвниц К отрезков линеаризующейкривой;К, значения смещений граничныхточек этих отрезков,С целью корректировки погрешности измерения температуры, вызванной разбросом градуировочных характеристик тер мопврных датчиков 3-5 температуры, числа йт, (1, 2, 3) обрабатываются по Формуле(Мгдето- храняциеся в памяти вычислиП,цтельного блока 23 значения поп-.равок для каждого термопарно й,го датчика 3-5 температуры;значения величины термо-ЭДС)термопарных датчиков 3-5 температуры для точек, относитель.но которых вводятся поправки. 2Далее, в вычислительном блоке 23 число 88сравнивается с числом Нт, введенным в вычислительный блок из блока 25задания температуры, и по их разностиопределяется величина мощности Р, под- Зйводимой к средней секции нагревателя 2,в зоне действия которой расположен термопарный датчик 4 температуры.Числа Мви Йсравниваются с числоми по результату их сравнения опреде ЗВляютея величины мощностей, подводимыек боковым секциям нагревателя. ЧислаЙр( 1, 2, 3) с выхода вычислительного блока 23 подаются на вход регулятора 26 мощности, где в соответствии с 40ними изменяется мощность, подводимаяк секпиям нагревателя.Анализ работы устройства для регулировки температуры элбктропечей произведен путем подстановки выражений, описы -4 Звающих сигналы его элементов с учетомпогрешностей последних, в выражениях,покоторым производится коррекция погрешностей при работе устройства,Основные погрешности измерения термидорЭДС термопарных датчиков температурымогут быть оценены по следующим соотношениям: для выходных сигналов каждогоиз усилителей 6-8 постоянного тока Ч 1 Чо 1" Чо 1 ф КЧ, Что) Ка т (4)5 где 00, - смещение выходных сигналов усилителей постоянного тока,Г8определяющее аддитивную составляющую ик погрешностей;К; - начальное значение коэффициента усиления;К составляющая дрейфа коэффициеата усиления, не связанная с тем пературойкЧ - температурный коэффициент дрейфа коэффициента усиления;Е - сигналы термопарнък датчиковттемпературы.Коэффициент Кполучен из анализа эквивалентной схемы (фиг. 3) включения термопарных датчиков 3-5 температуры.Для каждого иэ трех входных напряжений Ьусилителей постоянного тока ЭЬ гуКтиг тот "тф Ч1где1,2,3;р - входное сопротивление усилитерлей 6-8 лостоянного тока;т - внутреннее сопротивление термопарных датчиков 3-5, температуры;г - выходное сопротивление делителя 22 напряжения;Е т - термо-ЭДС термопарных датчиков 3-5 температуры;- число на выходе АЦП при подключении его входа к выкодуодного из усилителей постоянного тока будет равно М = "о+ 1 "оф) ОЧгде Н, . аддитивная составляющая поррешности АЦП 9;Ко.- начальное значение коэффициента преобразования АЦП 9;Ко - величина дрейфа коэффициентапреобразования, определяющаямультипликативную составляющую погрешности АЦП 9.Для моментов времени когда открыт ключ 21 (фиг, 1) выражение (4) принимает. вид:ОЧ=0 Чо КЧо МЧ+жСо сГ М 1 ООМ), 11 где 0 о - начальное значение выкодногонапряжения источника 14 опорного напряжения;О( 4 коэффициент, определяющий зввисимость его выходного"цо "ЦтЦто г Кт"цогде К ный к эффициент ких процессов микроэлектроники исполий завися;. зование предлагаемого устройства в камость смещения выход- честве регулятора температуры позволяе ного сигнала усилителяповысить коэффициент выхода годных ор температуры окружающей среды, получим,формула изобретения напряжения от температурыокружающей среды;- коэффициент передачи делителя 22 напряжения;Коэффициент 1 г; получен из анализа эквивалентной электродной схемы (фиг. 3) включения термоцарных датчиков 3-5 температуры. Для выходных напряжений Ц, (где Ф - 1, 2, 3) каждого иэ трех усилителей постоянного тока оЭО;,К ьгц ц4 1г;1 Нг ,ЕИ 1=1 Гтт+ "цв гдето - выходное напряжение делителя 225Тогда, в свою очередь, выражение (6) примет вид:Я .:М ККИ 10 (9)Числа М, М 4, М вносимые в память Вычислительного блока 23 при подключе 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 ф(6), (9) и (6), (9), (10), (11), (12)1 в (1), заменяя коэффициенты 68 10Для значений параметров эквивалентной схемы (фиг. 3)е гт. 50 Ом,-10 кОмфг =ф 0,5 Омвеличины коэффициентов равныК= 0,994876;К г =0 С 94975Следовательно, выражение (13) можно заменить на1" 61 т(14) нз этого вытекает, что числа 1 6 соответствуют действительным значениям термэ- 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 уменыпитьпогрешность 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 окружающей среды.Кроме того, предлагаемое устройство позволяет осуществлять непосредственное, без помощи приводимых таблиц, програм мное управление температурой. Также в , стшу 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 технологичеот ифУстройство для регулирования температуры электропечей, содержащее трехсек11 9=) 49 ционный нагреватель, подключенный к,зыходу регулятора мощности, по числу секций нагревателя термопары, первые выводы которых подключены к входам соответ; ствующих усилителей постоянного тока, и блок задания температуры, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройствав него введены вычислительный блок с аналого-цифровым преобразователем на одном из входов, 1 О датчик температуры окружающей среды, Источник опорного,впряжения, блок поп,равок, резистивный делитель напряжения, ключи и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый и 1 Б второй распределители, причем выходы усилителей постоянного тока через группу первых ключей подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, свяданному через второй, третий и четвер- . 2 р тый ключи соответственно с выходами 6 Й 1датчика температуры окружающей среды,общей шиной питания и выходом истоника опорного напряжения, подключеннымчерез пятый ключ к входу резистивногоделителя напряжения, с выходом которогосоединены вторые выводы термопар, управляющие входы всех ключей связаны с выхсдами соответствующих распределителей,вход второго распределителя, выходы блока поправок, блока задания температоыи генератора тактовых импульсов подключены к другим входам вычислительногоЪока, выходом связанного с входом регулятора мощности.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРМо 441553, кл. б 05 Й 23/19, 1972.2, Авторское свидетельство СССР