Способ автоматического управления испытанием карбидкремниевых электронагревателей Советский патент 1983 года по МПК G01N27/14 H05B3/64 

Изобретение относится к технике испытаний и может быть, применено при испытаниях карбидкремниевых электронагревателей на гарантийную наработку.Известен способ автоматического

управления испытанием электронагревателей в высокотемпературных электропечах с карбидкремниевыми электронагревателями, заключающийся в том, что управление испытанием осуществляют путем нерегулируемого подъема температуры в камере и ее сравнения с заданной. Если эта температура ниже заданной, то подается полная мощность на электронагреватели. Если действительная температура становится выше защанной, то осуществляют полный съем мощности с электронагревателей. По окончании испытаний осуществляют -Неуправляемое естественное охлаждение электропечи.

Испытание на. гарантийную наработку выполняют путем установки испытуемых электронагревателей в холодную электропечь, при этом они выполняют функции как регулирующих, так и испытуемых. Это значит, что с помощью испытуемих электронагревателей осуществляют разогрев пени до заданной температуры, а затем, используя эти же электронагреватели, стабилизируют описанным выше стособом достигнутое заданное значение температуры в электропечи I .

К недостаткам известного способа следует отнести то, что при управлеНИИ испытанием электронагревателей они работают при переменной удельной ваттной нагрузке на их активной рабочей поверхности, не обеспечивается при управлении: испытанием разогрев активной (рабочей) поверхности электродвигателей до заданной температуры за конечное заданное время, отсутствует возможность поддержания на каждом испытуемом электронагревателе эаданн{ Й мощности, не обеспечивается возможность получения допустимых колебаний температуры на активной (рабочей) поверхности испытуемых электронагревателей, что, в свою очередь, приводит к интенсивному образованию микротрещин на активной поверхности испытуемых электронагревателей (и преждевременному их разрушению, снижается срок их службы.

Кроме того, электронагреватели выполняют совмещенную функцию (регулирукацие и испытуемые одновременно) , что не дает четкой информации о старении испытуемых электронагревателей и, следовательно, об их гарантийных возможностях.

Все отмеченные недостатки снижают качество испытаний карбидкремниеБых электронагревателей, не дают возмозкности/иметь достоверное представ

дение о времени их гарантийной наработки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо соб автоматического упрайления испытанием карбидкремниевых электронагре{вателей, при котором разогревают рабочее пространство камеры с испытуемыми электронагревателями до конечной температуры путем подачи напряжения на нагреватели камеры и поддерживают указанную температуру в камере изменением напряжения на нагревателях камеры, затем подают питание на испытуемые электронагреватели, увеличивают поверхностную мощность на них до заданного значения и испытывают их на наработку, поддерживая это значение поверхностной мощности все время испытания, после чего снимают напряжение с испытуемых электронагревателей и уменьшают до нуля мощность нагревателей камеры. В данном способе функции испытуемых и разогревающих нагревателей разделены, что повьниает качество испытания 2.

Однако данный способ характеризуется недостаточным качеством испытаний особенно в камерах с водоохлажяаемой тонкой футеровкой.

Это объясняется тем, что подъем и снижение температуры камеры нерегулируемые, а поддержание температуры позиционное. Кроме того, йерегламентирован процесс вьтода испытуемых электронагревателей на паспортную мощность. Все отмеченные недос±атки сильнее всегр проявляются при испытаниях в водоохлаждаемой камере с тонкой футеровкой.

Цель изобретения - повышение качества испытаний электронагревателей

Указанная.цель достигается тем, что согласно способу автоматического управления испытанием карбидкремниевьк электронагревателей,.при котором разогревают рабочее пространство камеры с испытуемыми электронагревателями до конечной температуры путем подачи напряжения на электронагреватели камеры и поддерживают указанную температуру в камере изменением напряжения на нагревателях камеры, затем подают питание на испытуемые электронагреватели, увеличивают поверхностную мощность на них до заданного значения И испытывают их на на-работку, поддерживая это значение поверхностной мощности все время испытания, .. после чего снимают напряжение с испытуемых электронагревателей и уменьшают до нуля мощность нагревателей камеры, разогрев рабочего пространства ведут по экспоненциально-ступенчатому закону путем 4-8 ступенчатого повышения напряжения на нагревателях камеры через « заданные промежутки времени со стаб.илизацией мощности на каждой ступени, подцер живают конечную температуру в камере путем формирования на нагревателях камеры реверсивных шагов напряже ния со скважностью, выбранной в соот ветствии с температурой, увеличение: поверхностной мощности на испытуемых электронагревателях .проводят подачей на них 10-100 ступеней напряжения, .поддержание мощности - формированием реверсивных шагов напряжения на каждом из них со скважностью,выбранной в соответствии с мощностью на электронагревателях, а снижение до нуля мощности нагревателей камеры осуществляют снижением напряжения на них в 10-20 ступеней. Формирование процесса управлени$1 испытанием электронагревателей обусловлен1Э ограничениями, которые связаны как с самцм объектом регулирования (водоохлаждаемой камерой с тонкой футеровкой),так и с- такими элементами,как нагреватели камеры и исрытуемые электронагреватели. Для водоохлаждаемых тонких футеро вок характерна нечувствительность внутреннего пространства камеры к значению подводимой к нагревателям камеры мсяцности, выше которой начинается И31 енение температуры этого пространства с требуемой скоростью. Такая нечувствительность может быть оценена значениями мощности, различными для холодной и разогретой камеры, г Это обстоятельство исключает возможность изменения подводимой к нагревателям камеры мощности по непрерывному закону,поскольку такое изменениё в определенных пределах не будет давать нужного эффекта.,что,в сво очередь, приведет к потере времени разогрева камеры, а это неприемлемо. Наиболее целесообразным является ступенчатый закон увеличения мощноети на нагревателях камеры, при этом, если учесть ограничения на допустимые перепады температур, о которых было указано выше, то этот закон дол жен носить многоступенчатый характер а не одноступенчатый, как в известном способе управления.л. Важным условием (ограничением) уп равления регулируемым подъемом темпе ратуры в камере является достижение ее заданного значения за конечное за данное время. Это значит, что время введения каждой ступени увеличения мощности, подводимой к нагревателям камеры, должно быть выбрано так.им. у обра зом, чтобы с. одной стороны введения . последней ступени было мёнь ше конечного заданного времени дости жения заданной температуры в камере, а с другой стороны, чтобы бьто вьщер ано общее конечное заданное время достижения необходимой температуры в камере-i Известно, что в тепловых объектах регулирования, к которым также относится испытательная камера с водоохлаждаемой тонкой футеровкой, процесс изменения температуры происходит по нелинейному экспоненциальному закону. Вследствие этого регулируемый подъем температуры в камере будет складываться из элементарных экспонент, количество крторых будет равно количеству ступеней мощности на нагревателях камеры. Таким образом, регулируе ллй подъем температуры в камере выполняется по экспоненциально-ступенчатому закону. В конечном итоге значение мощности каждой ступени и их количество должно выбираться с учетом нечувствительности и допустимого перепада температур, о чем было изложено вьпие, при этом отклонение каждой элементарной экспоненты от теоретически прямолинейного закона изменения температуры не должно быть больше допустимого перепада температур. Предлагаемый способ управления пре цусматривает возможность увеличения ступеней мощности, но не более восьми, поскольку при таком их количестве еще соблюдаются ограничения по нечувствительности, т.е. величина ступеней дает возможность получать изменение температуры внутреннего пространства камеры с требуемой скоростью. При этом следует учесть, что мощность первой ступени и конечное значени-е мощности, необходимой для , достижения конечной заданной температуры в камере, остаются неизменны, а при увеличении количества ступеней их мощности получаются за счет дробления мощности ранее существовавших до увеличения ступеней. Однако свойство нечувствительности каМер с водоохлажцаемой тонкой футеровкой не дает возможности использовать для поддержания температуры непрерывный закон регулирования, например ПИ-закон, при котором не представляется возможным получить необходимую точность поддержания, температуры в камере. В этих условиях для обеспечения заданной точности и быстродействия регулирования применен принцип принудительного формирования реверсируемых шагов напряжения на нагревателях камеры с задаваемой периодичностью (скважностью). Величина напряжения шага и их периодичность должна выбираться с учетом допустимых колебаний температур как на поверхности нагревателей камеры и испытуемых электронагревателей, так и внутри камеры, а также обеспечивать тр.ебуемое быстродействиё. Если учесть, что нагреватели камеры, являясь также карбидкремниевыми, имеют свойство увеличивать при работе в функции времени свое сопротивление (стареть), то при мененный принцип принудительного фор мирования реверсируемых шагов напряжения в функции температуры в камере дает возможность все время отыскиват экстремальное значение мощности, сни маемой с нагревателей камеры. Для поддержания заданной мощности на каждом испытуемом электронагревателе использован принцип, аналогичный указанному выше, но для него характерны своя величина напряжения ша га и их периодичность, являкнциеся об щими для всех испытуемых электронагревателей. Если учесть, что в камере одновре менно функционирует несколько (например, шесть) каналов- управления поддержанием згщанной мощности, каждый из KOTopfcDC относится к-соответствующему испытуемому электронагревателю, то возникает ситуация, при которой эти каналы управления.вносят на канал управления температурой в камере возмущающие воздействия. Ввиду этого использование принципа принудительного формирования периодичес ки реверсируемых шагов напряжения в функции заданной мощности на каждом испытуемом электронагревателе дает возможность, во-первы14. отыскивать ввиду их старения экстремальн ое значение мощности-на каждом из них, а во-вторых, создать благоприятные, условия функционирования канала управления температурой в камере в отношении быстродействия обработки указанных выше возмущающих воздейстВИЙ... В условиях водоохлаждаемой тонкой футеровки полный сброс мощности может привести к недопустимым перепадам температур на водоохлаждаемой и неводоохлаждаемой сторонах тонкой фу теровки, что приведет еа к преждевре менному растрескиванию и выходу из строя.Кроме того,с помощью принудительного водоохлаждения будет с недо пустимой скоростью происходить сниже ние температуры как внутри простран.ства камеры,так и на поверхности эле тронагревателей, что. в к.о..нечном итоге будет снижать срок службы. Для того, чтобы избежать этих недост.атков, в предлагаемом способе уп равления принят принцип периодического ступенчатого снижения напряжения и, следоватБльно, мощности на йагревателях камеры до нулевого зна чения. Задаваемые периодичность (скважность) и величина ступени напряжения, выбираемая с учетом нечувствительносй и объекта регулирования, дают возможность обеспечить управляе мое остывание нагревателей, футеровки и камеры в целом. Для управления испытанием необходимо задать информацию о количестве ступеней мощности, величине мощности кажцой ступени промежутке времени, через которые эти ступени будут .вводиться, конечном значении температуры- в камере, первой згщанной сква,жности для реверсируемых шагов напряжения на нагревателях камеры, которая содержит такие показатели, как величина шага напряжения и периодичность их формирова.ния, заданном зн-ачении- стабилизируемой мощности на каждом испытуемом электронагревателе, второй заданной скважности для реверсируемых шагов напряжения на испытуемых электронагревателях, котора-я содержит такие показатели, как величи- на шага напряжения и периодичность их формирования, длительности испытаний, и третьей заданной скважности для нагревателей камеры при управляемом остывании камеры, которая содержит .такие показатели, как величина ступеней напряжения и периодичность их формирования, . П р и м.е р. Используют камеру с испытуемыми электронагревателями, у которЕлх длина активной (рабочей) части 150 мм и диаметр этой части.8 мм. Исходя из заданной информации управление испь)танием происходит следующим образом. Осуществляют в отсутствии напряжения на испытуемых электронагревате- лях регулируемый подъем температуры в камере с водоохлаждаемой тонкой .фу-. теровкой по экспоненциально-ступенчатому закону. Такое изменение температуры получается благодаря тому, что мощность на нагревателях камеры изменяется (увеличивается) по ступен чатому закону, причем ступени вводится через задаваемые промежутки. Общее количество ступеней может быть от четырех до восьми. Учитывая что нагреватели камеры выполнены из карбида кремния и имеют свойство стареть в функции времени, т.е. увеличивать свое первоначальное значение активного сопротивления, в предлагае- мом способе предусмотрена стабилизация мощности каждой ступени. Это позволяет при изменяющемся значении сопротивления нагревателей камеры иметь всегда од.но и то же значение мощности каждой ступени/ однако это значение будет по мере старения компенсироваться все возрастающим значением напряжения на них. Так, например, при количестве ступеней мо1дности для регулируемого подъема температура (разогрева) в камере четыре значение мощности первой ступени составляет 6;, кВт, ДЛЯ второй ступени мощность увеличивается до 11,3 кВт,ДЛЯ треть

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАНИЕМ КАРБИД-КРЕМНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ, при котором разогревают рабочее пространство камеры с испытуемыми электронагревателями до конечной температуры путем подачи напряжения- на нагреватели ка меры и поддерживают указанную темпе-г ратуру в камере изменением напряже-ния на нагревателях камеры,затем ; подают питание на испытуемые электронагреватели, увеличивают поверхностную мсяцность на них до заданного эйаг у ,. , .;V. ,..: 1 / -%V/ .ft. ,/.. ,, { ;-„-.,, / - -sf чения и испытывают их на наработку, поддерживая это значение поверхности /ной мощности все время испытания, после чего снимают, напряжение с испытуемых электронагревателей и уменьшают до нуля мощность нагревателей камеры, отличающийс я тем, что, с целью повышения качества испытаний в камере с водоохлаждаемой тонкой футеровкой, разогрев рабочего пространства ведут по экспериментально-ступенчатому закону путем ступенчатого повышения напряжения на нагревателях камеры через згщанные промежутки времени со стабилизацией мощности на каждой ступени, поддер- живают конечную температуру в каме- JP ре путем формирования на нагревателях камеры реверсивных шагов напряже-f/1 ния со скважностью, выбранной в соот- и ветствии с температурой, у зеличение поверхностной -мсядности на испытуемых электро-нагревателях проводят пода- 2 чей на них 10-100 ступеней напряже ния, поддержание мощности - формированием реверсивных шагов напряжения на каждом из них со скважностью, выбранной в соответствии с мощностью на электронагревателях, а снижение до нуля мощности нагревателей камеры СО осуществляют снижением напряжения со на них в 10-20 ступеней. О1