Устройство для стабилизации вакуума Советский патент 1985 года по МПК F15B3/00 

I 1

Изобретение относится к области электропневмоавтоматики и может быть использовано в агрегатах нанесения покрытий, использующих, например, электронно-лучевое термическое испарение материалов в вакуумных камерах с нормированньм технологическим процентнБ1м отношением компонентов остаточного давления.

Известно устройство для частотно- .фазовой стабилизации вакуума, содержащее корпус с размещенным в нем подвижным плунжером, подводящий и отводящий каналы,электромеханический преобразователь с обмоткой управления, подключенной к системе управления, и блок сравнения 1 J.

Недостатком данного устройства является низкая точность из-за существенной нелинейности его характеристик.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство стабилизации вакуума,некритичное к внешним условиям и содержащеесистему импульсно-фазового управле-:-;-.; ния, включающую симистор, генератор пилообразного напряжения, компараторы (устройство сравнения), управляемьй ключи, диодные матрицы, резистивньй делитель, задатчик степени вакуума, датчик и элемент 2ИЛИ-НЕ, а также стабильньй генератор с подсоединенным делителем частоты, подключенным через управляемые ключи к усилителю-модулятору, и корректирующие резисторы, при этом исполнительньй орган выполнен в виде пролетного золотника, перекрывающего в крайних положениях входной и перепускной каналы натекателя в вакуумную камеру 2 J

Недостатки известного устройства заключаются в том, что оно не обеспечивает с достаточной точностью стабилизацию вакуума в широком диапазоне уставок вакуума, а также не позволяет проводить регулировку соотношения компонентов реагента остаточного давления.

Целью изобретения является увеличение точности устройства при обеспечении постоянства соотношения компонентов остаточного давления и расширения диапазона уставок вакуума.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для стабилизации вакуума, содержащее датчик давления, задатчик, блок сравнения.

490602

генератор стабильной частоты, подключ 2нньй к делителю частоты, управляющие ключи, кодовые коммутаторы, блок синхронизации, исполнительные 5 органы, причем обмотка управления каждого исполнительного органа подключена к сети через симисторный коммутатор, введен счетчик-дешифратор, первьй RS-триггер, элемент задержки,

10 выполненный в виде суммирующего счетчика-дешифратора, два элемента 2И-НЕ и первый счетчик, причем блок сравнения выполнен в виде реверсивного счетчика, подключенного

t5 разрешающим входом к выходу элемента 2И, а входами прямого и обратного счета - к выходам второго RS-триггера, входы которого попарно объединены с входами элемента 2И, блок

20 синхронизации выполнен в виде последовательно соединенных нуль-органа, инвертора, и третьего RS-триггера, симисторный коммутатор выполнен в виде симистора, подключенного управ5 ляюпу м электродом к выходам двух управлякицих ключей, задатчик выполнен в виде последовательно соединенных

кнопочного номеронабирателя и второго счетчика, при этом первый, втоO рой и третий кодовые коммутаторы

объединенными информационными входами подключены к выходам делителя частоты, а управляют ими входами первьй кодовьй коммутатор подключен к

, выходам первого счетчика, подключенного входом к датчику давления, второй кодовьй коммутатор управляющими входами подключен к в.ыходам второго счетчика, объединенным с информационными вхоДами реверсивного счетчика, связанного выходами с управляющими входами третьего кодового коммутатора, подключенного выходом через последовательно соединенные

5 счетчик-дешифратор и первьй RS-триггер к разрешакяцему входу, а непосредственно - к информационному входу четвертого кодового коммутатора, соединенного управляющими входами также

0 с выходами третьего RS-триггера, а выходами - с входами управляющих ключей первого симисторного коммутатора и с входами суммирующего счетчикадешифратора, подключенного выходом

5 к объединенньм первым входам двух

элементов 2И-НЕ, втйрые входы которых подключены к выходам третьего RSтриггера, один из выходов которого подсоединен к R-входу первого RS-триг гера, выходы элементов 2И-НЕ подключены к входам управляющих ключей второго симисторного коммутатора, а выходы первого и второго кодовых коммутаторов подключены к входам элемента 2И. Такая структура предлагаемого устройства обеспечивает следящий режим за заданным задатчиком давлением в вакуумной камере синхронным изменением интенсивности работы работающих с разной интенсивностью исполнительных органов, т.е. при отработке рассогла сований. При этом исключаются погреш ности широтно-импульсного управления образуемою нелинейностью генератора пилообразного напряжения и погрешнос тями срабатываний амплитудного компа ратора, так как в сравнении с извест ным устройством эти элементы в струк туре предлагаейого устройства отсутствуют. Синхронная обработка рассогласований исполнительных органов определяет постоянство порциальных отношений втекающих в вакуумную камеру компонентов. Диапазон уставок давления в вакуумной камере расширен счетчиком расширения до дискретно приближакндейся к координатной оси кривой, так как осуществлена синхронизация работы устройства с источником переменного напряжения в соответствии с изменени ем коэффициента деления i счетчика при срабатывании исполнительного органа в выбранньш полупериод питанщего напряжения переменного тока, причем порядковый (п+1) номер полуперио да срабатывания в группе пропущенных ij -полупериодов определяется коэффициентом деления. Цифровая задача номера обеспечива ет необходимую линейность без какихлибо подстроечных резисторов как, на пример, это осуществляется в известном устройстве. На фиг.1 изображена структурная блок-схема устройства; на фиг,2-4 структуры соответственно блоков срав нения и синхронизации и каждого симисторного коммутатора; на фиг.5 диаграммы, поясняющие принцип частот но-фазового управления (вместо известного широтно-импульсного управления симистором на базе сравнения амплитуд с линейно изменянщимся напряжением); на фиг,6 - диаграммма зависимости времени t от полупериода напряжения f. и периода t; на фиг.7 и 8 - диаграммы, поясняющие соответственно работу элементов импульсно-фазового управления, когда период измерительного импульса 2 короче частотно-нормированного импульса 3 и когда он длиннее частотно-нормированного (Q - диаграмма срабатьшаний RS-триггера в блоке сравнения, Г - диаграмма тактирования реверсивного счетчика этого блока в режиме суммирования и в режиме вычитания). Устройство для частотно-фазовой стабилизации вакуума содержит (фиг.1) исполнительные органы 1 и 2, датчик 3 давления,задатчик 4, блок 5i сравнения, генератор 6 стабильной частоты, подключенньш к делителю 7 частоты, кодовые коммутаторы 8-11, блок 12 синхронизации, симисторные коммутаторы 13 и 14, элемент 15 задержки, два элемента 2И-НЕ 16 и 17 и первый счетчик 18, подключенный к датчику 3, Блок 5 сравнения включает реверсивный счетчик 19 (фиг.2) с параллельным вводом информации по D--входам, подключенньй к элементу 2И 20 и к выходам второго RS-триггера 21i блок 12 синхронизации включает нульорган 22 (фиг.З), подключенный через инвертор 23 к третьему RS-триггеру 24; симисторные коммутаторы 13 и 14 включают (фиг,4) симистор 25, подключенный к выходам двух управлянщих ключей 26 и 27; задатчик 4 включает кнопочньй номеронабиратель 28 (фиг.1) с вторым счетчиком 29 шагового набора и счетчик-дешифратор 30, объединенньй с дешифратором, кото- рьй подключен к первому RS-триггеру 31; элемент 15 задержки состоит из суммирующего счетчика-дешифратора 32, объединенного с депшфратором. В качестве исполнительных органов 1 и 2 (фиг.1), обеспечивающих дозированное поступление компонентов в вакуумную камеру с производительностью, определяющей необходимое соотношение , где Q-, и Q производительность ,могут быть использованы либо пролетные механические золотники, перекрывающие перепускной канал в крайних положениях, либо сегнетоэлектрические элементы, обеспечивающие микроперемещения под действием проложенного напряжения, что требует создания микроклимата работы. В системе управления датчик 3 (фиг.1) преобразует остаточные давления в вакуумной камере в частотный функциональный сигнал-меандр, которьй при помощи счетчикаг-делителя 18 воздействует на управлякяцие S -входы Кодового коммутатора 8. Кодовые коммутаторы 8-10 в соответствии с кодом числа на управляющих S. -входах коммутаторов подключаю А.-шику входа на выход. Например, при коде числа 1 подключается пергвая шина, при коде числа 2 - вторая и т.д. . Кодовый коммутатор 11 подключает входную х-шину на выходах х и у в соответствии с двоичным кодом на управлякйцих А и 6 -входах, причем код определяется работой триггера 24 бло ка 12 синхронизации: в положительньй полупериод переменного напряжения сигнал на х-входной шине передается на X -выход, а в отрицательньй полупериод - на Уд-выход. Алгоритм работы кодового коммутатора 11 представлен в таблице (стрелками условно изображены подключения вход - выход). Из алгоритма видно, что при параллельном подключении к входам первого канала входов второго обеспечивается синх{ онная отработка рассогласований при масштабировании уставок требуемого соотношения компонентов к.2 (О выбором периода задержки элементом 15 задержки (фиг.1). Коэффициент К при отработке рассогласований - величина постоянная K const. Блок 12 синхронизации (фиг.З) обеспечивает посредством нуль-органа 22, формирукнцего строб-импульс перехода синусоиды через куль, сброс делителя 7 и счетчика 18 для формирования первым нормированных частотных импульсов (фиг.5) поджига симисторного коммутатора и измерительных импуль сов вторым, а также синхронные переключения триггера 24 в каждый полупериод напряжения f j.. Триггер 24 типа RS выполнен на базе IG логики, что обеспечивает высокую помехозащиту, так как при поступлении в положительньй полупериод единичного сигнала 1 с второго выхода нуль-органа 25 инвертором 23 формируется логический О, обеспечивающий переключение триггеров по С-входу. В отрицательный полупериод на втором выходе нуль-органа 25 формируется логический О и триггер 27 переключается по приоритетному R-входу в исходное состояние при высокой помехозащите и надежности работы. Задатчик 4 вакуума посредством кнопочного номеронабирателя 28 обеспечивает необходимое заполнение счетчика 29 в соответствии с технологическим требованием к степени давления в вакуумной камере. Блоком в составе дешифратора и индикатора (не изображено) обеспечивается возможность визуального контроля набранного в счетчике числа, причем в зависимости от этого числа коммутируется та или иная информащюнная шина кодового коммутатора 9. Таким образом, задатчиком 4 обеспечивается выбор частотно-нормированного импульса, с соответствующей фазой поджига симисторного коммутатора (фиг.З), что определяет шаговьй расход натяжения компонентов в вакуумную камеру. Если элемент 15 задержки (фиг.1) настроен на нулевую задержку, то условия поджига симис торных коммутаторов 13 и 14 одинаковые и отношение втекакяцих компонентов равно единице, а при задержке на f период коэффициент не равен единице. Возможно регулировать коэффициент отношения в диапазоне дискретных чисел . .Ci О посредством переключения шин дешифратора в счетчике-дешифраторе 32. Устройство для частотно-фазовой стабилизации вакуума работает следу- . ющим образом. Пусть задатчиком 4 вакуума (фиг.1) установлена фаза поджига симисторного коммутатора 13 (фиг,5, диаграмма 3), соответствующая визуальному наблюдению цифры 3 на индикаторах и q - расходу натекания первого компонента за полупериод при фазе (f . Элементом 15 задержки (фиг.1) обеспечиваются сзадержка импульса поджига симисторного коммутатора 14 (фиг.5) и, следовательно, другой расход натекания второго кOM-I понента QT; Р ЯдП; , где q Ч, расход в полупериоде, n - число полупериодов. Общий расход - Датчик 3 давления частотного преобразования формирует.частоту импульсов, пропорциональную давлению, f Ф (p)c;kp, где р - давление; k -.коэффициент пропорциональности. Число импульсов, записанное в счетчике. 18 с момента его сброса строб-импульсом нулевого перехода синусоиды fp (фиг.5, диаграмма Д), определяет выбор нормированного импульса на соответствующей шине А. кодового коммутатора 8, например, периодом t (фиг.5, диаграмма 2), который проходит на его выход и сравнивается в блоке 5 сравнения с импульсом, прохождение которого на выход кодового коммутатора 9 с делителя 7 определено задатчиком 4. Импульсы стабильного генератора 6 на выходах делителя 7 формируют нормированные частотные импульсы (фиг.5 с совпадающим передним фронтом, так как осуществляется сброс делителя по R-входу. Сравнение импульсов 2 и 3 (фиг.8) в блоке 5 сравнения (фиг.1) осуществляется по длительности периода (а не по амплитуде как в известном устройстве) на элементе 20 (фиг.2), выходной импульс которого периодом (T-tg) разрешает тактирование реверсивного счетчика 19, в которьй раэрешающим строб-импульсом нулевого перехода f J. записана параллельно введенная кодовая информация со счетчика 29 (фиг.1) по DJ-входам. При тактировании счетчика 19 он работает в режиме суммирования (фиг.7, диаграмма Г), так как триггер 21 (фиг.2) формирует импульс T (f-i} (фиг.7, диаграмма б от задних фронтов импульсов по RS-входам с переходом в состояние . Если импульс 2 имеет большую длительность периода t j / t, то триггер переходит в состояние Q(,Q(ew счетчик 19 тактирует в режиме вычитания (фиг. 8, диаграмма Г). Сигнал рассогласования к концу полупериода измерения представлен числом в счетчике 19 блока 5 сравнения. 114 8 одовое значение которого (в двоичном оде) воздействует на S, -входы управения кодового коммутатора 10 (фиг.1), пределяя выбор Л шины, которая подлючается к выходу, и, следовательно, нормированный импульс с выхода делиеля 7, определякяций фазу tf. поджига симистора в коммутаторе 13 и фазу Cf.-fp (фиг.5, диаграмма Д) поджига симистора в коммутаторе 14, возействует на х-вход кодового коммутатора 11. В зависимости от кодовой инормации (таблица) на А и 6-входах кодового коммутатора 11 в положительные полупериоды напряжения f, сигнал с х-шины (фиг.1) поступает на х -выход, а в отрицательное полуперирды на УО-выход, обеспечивая открывание соответственно управляемых ключей 26 и 27 (фиг.4) и поджиг симистора 25 в соответствующей фазе положительным и отрицательным напряжениями +Uj. и -Uj.блоков смещения. Если клюfчи 26 и 27 вьшолнены на ос-:; нове одновибраторов, ток управляющего электрода симистора отсекается заблаговременно до окончания коммутации симистора. Импульсы с выходов кодового коммутатора 11 (фиг.8 и 9, диаграмма А) фазовым фронтом производят сброс счетчика-дешифратора 32 (фиг.1), объединенного с дешифратором и появляется возможность его тактирования в f-период (фиг.5 , диаграмма А), длительность которого определяется подключением объединенного входа элементов 2И-НЕ 16 и 17 к выходной шине дешифратора с соответствующим номером. На выходе этих элементов формируется сигнал в полярные полупериоды напряжения f на вторых входах от блока 12 синхронизации. Рассмотрим работу элементов распмрения диапазона в задатчике 4, позволякнцую обеспечить напуск весьма малых объемов компонентов в вакуумную камеру при малых давлениях, 10 например мм рт.ст. Импульсы нормированной длительности, которыми формируется закон отработки рассогласования, тактируют счетчик-дешифратор 30 (фиг.1), заполняя его и последовательно коммутируя шины объединенного с ним дешифратора. При срабатьюании RS-триггера 31 по S-входу по окончании периода f (фиг.6) снимается запрет стробирования коммутатора 1t по W входу и в полупериоде (i+1) после пропуска (i Т/2) полупериодов сраба тывают исполнительные органы 1 и 2 (фиг.1). Возврат триггера 31 в исходное состояние осуществляется по R-входу от импульса блока синхронизации. Для отключения расширенного диапазона S-вход триггера 31 подклю чают к шине Общий,что переводит триггер в состояние Q(o|, разрешающе стробирование кодового коммутатора 11. Сравнение импульсов по длительности периода их формирования (фиг. и 8) обеспечивает качественно отлич ное формирование закона сигнала отработки рассогласования - напуск компонентов в вакуумную камеру с большей или меньшей производительностью по нелинейному закону со зна ком, обеспечивающим компенсацию отклонения давления от неравномерности откачки вакуумного насоса, от процесса испарения покрытия и т.д. при сохранении процентного соотноше ния напускаемьрс компонентов При частотном нормировании импуль-зо сов, которые сравниваются с импульсами, полученными в результате измерения давления по длительности периода, оказьюается возможным упразднить генератор линейно изменяющегося напряжения и компаратор в схеме сравнения и этим устранить погрешности нелинейности и. амплитудного сравнения, упростить наладку и обеспечить большую унификацию элементов структуры системы управления. Кроме того, обеспечивается расширение диапазона уставок, ограниченного только емкостью используемых счетчиков. 1 010 Предложенное техническое решение дает возможность использовать в качестве исполнительных органов или электромеханический преобразователь на базе пьезоэлементов, или преобразователи с пролетными золотниками, перекрывающими каналы в крайних положениях (последний использован в известном устройстве), т.е. функциональные возможности предложенного устройства расширены. Базовое устройство для стабилиза- ции - импортный натекатель газа (франция) с системой управления, которая не обеспечивает достаточной точности стабилизации вакуума при изменении внешних условий и достаточно стабильное соотношение напускаемых компонентов в результате использования широтно-импульсного управления (одна из причин). Модернизация системы управления на базе устройства частотно-фазовой стабилизации позволяет улучшить точность стабилизации при стабильных соотношениях компонентов, упростить наладку системы и автоматизировать процесс натекания и стабилизации. в частности, при двух компонентах натекания. Предлагаемое техническое решение перспективно, так как дает возможность использовать при безлюдном технологическом процессе микропроцессор с числовым управлением. Система управления реализуется в виде твердотельной схемы на сравнительно небольшой печатной плите. Экономический эффект от реализации предлагаемого изобретения определяется улучшением качества напыляемых изделий, упрощением наладочных работ и возможностью ведения безлюдного технологического процесса.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБШ1ИЗАЦИИ ВАКУУМА, содержащее датчик давления, задатчик, блок сравнения, генератор стабильной частоты, подключенный к делителю частоты, управляющие ключи, кодовые коммутаторы, блок синхронизации, исполнительные органы, причем обмотка управления каждого исполнительного органа подключена к сети через симисторный коммутатор, о т личающееся тем, что, с целью увеличения точности устройства при обеспечении постоянства соотношения компонентов остаточного давления и расширения диапазона уставок вакуума, в него введены счетчикдешифратор, первьй RS-триггер, элемент задержки, выполненньй в виде суммирующего счетчика-дешифратора, два элемента 2И-НЕ и первый счетчик, причем блок сравнения вьшолнен в виде реверсивного счетчика, подключен- . ного разрушающим входом к выходу элемента 2И, а входами прямого и об. ратного счета - к выходам второго RS-триггера, входы которого попарно объединены с входами элемента 2И, блок синхронизации вьшолнен в виде последовательно соединенных нуль-органа,инвертора и третьего RS-триггера, симисторный коммутатор выполнен в виде симистора, подключенного управляющим электродом к выходам двух управляющих ключей, задатчик вьшолнен в виде последовательно соединенных кнопочного номеронабирателя и второго счетчика, при этом первый, второй и третий кодовые коммутаторы объединенными информационными входами подключены к выходам делителя частоты, а управляющими входами первьй кодовьй коммутатор подключен к выходам первого счетчика, подключенного входом к датчику давления,второй кодовьй коммутатор управляющими входами подключен к выходам второго счетчика, объединенным с информационными входами реверсивного счетчи(Л ка, связанного выходами с управляющими входами третьего кодового коммутатора,-подключенного выходом через последовательно соединенные счетчик-дешифратор и дервьй RS-триггер к разрешающему входу, а непосредственно - к информационному входу четвер4 2 того кодового коммутатора, соединенСО ного управляклцими входами также с выо ходами третьего RS-триггера,а выходаО) ми - с входами управляющих ключей первого симисторного коммутатора и с входами суммирующего счетчика-дешифратора, подключенного выходом к объединенным первым входам двух элементов 2И-НЕ, вторые входы которых подключены к выходам третьего RS-триггера, один из выходов которого подсоединен к R-входу первого RS-триггера, выходы элементов 2И-НЕ подключены к входам управляющих ключей второго симисторного коммутатора, а выходы первого и второго кодовых коммутаторов подключены к входам элемента 2И.

X

Любая комбинация

Запрет

Отрицательньй

тактирования

Фиг.2

ФтМ

Фиг.5