Устройство для регулирования соотно-шЕНия РАСХОдОВ пОТОКОВ Советский патент 1981 года по МПК G05D11/16 

1

Изобретение относится к регуляторам соотношения двух потоков; предназначено для автоматического регулирования соотношения массовых расходов двух потоков и может быть использовано для поддержания заданного соотношения постоянным.

Известен температурный регулятор соотношения двух потоков, содержаший термодатчики, измеряющие температуру потоков, параллельно к которым присоединен задатчик соотношения, который подключен последовательно к термодатчйкам, измеряющем температуру основного потока и смеси, и ко входу вторичного прибора, соединенного с исполнительным клапаном.

Перед смещиванием компонентов в смесителе термодатчиком измеряется разность температур основного и контролируемого компонентов. Эта разность температур, преобразованная в термо-ЭДС, поступает на делитель напряжения. Зная ,разность температур потоков, можно рассчитать разйость температур между потоком и смесью при заданном соотношении. Поэтому, установив на задатчике расчетную разность напряжения, соответствующую требуемому соотнощению при встречном включении термодатчика, величина соотношения двух потоков будет равна нулю, что зафиксирует вторичный прибор. При отклонении прибора потока одного компонента в ту или другую сторону с помощью клапана, которым регулируют вторичный прибор, изменится расход потока другого компонента до величины заданного соотнощения 1.

Недостатком такого регулятора является то, что точность регулирования и автоматического поддержания соотношений двух

0 потоков такого устройства недостаточно высока. Это объясняется тем, что соотношение расходов двух потоков есть функция соотношения разностей температур смеси каждого из них, но так как в большинстве случаев смешение сопровождается выделением или поглощением тепла за счет физико-химических реакций, то появляются существенные погрещности в измерении расходов.

Кроме того, устройство способно работать только при температурах потока выше температуры окружающей среды. Величина сигнала зависит от разности температур потоков и окружающей среды. При малой величине этой разницы снимают слабый сигнал. ЧТО в конечном счете приводит к погрешностям в точности регулирования. Известен также температурный регулятор соотношения двух потоков, содержаший трубопроводы подачи продуктов, смесительное устройство, дифференциальные термодатчики, термометры сопротивления, термопреобразователи ЭДС, вторичный прибор, регулируюш,ий клапан и переменные резисторы. Термодатчиками, термо-ЭДС которых преобразуется в ток преобразователей, измеряется разность температур между начальными температурами продуктов на входе и температурной смеси на выходе из смесителя. Током преобразователей, пропорциональным разности температур, запитываются цепи термометров сопротивления. Вторичный прибор регистрирует концентрацию компонентов в смеси, которая регулируется с помощью клапана. При использовании в качестве сопротивления расхода вторичного прибора по его шкале узнают соотношение потоков, которое определяется так же, как и концентрация компонента в смеси с учетом поправок на температурные изменения теплоемкости 2. Недостатком такого регулятора является то, что в нем нет возможности регулировать и измерять соотношение потоков с температурами, близкими к температуре внешней среды, так как сигнал с термопреобразователей прямо пропорционально зависит от разности температур внешней среды и потоков. На-иболее близким по технической сушности к предлагаемому является устройство для регулирования соотношения массовых расходов двух потоков, содержашее теплообменник, термобатареи (термопреобразователи), точка соединения которых связана со входом регулятора, потенциометрический задатчик и исполнительный механизм. Потенциометрическим задатчиком устанавливают требуемое соотношение расходов реагентов. Реагенты (потоки) с различнрй температурой, проходя через теплообменник, обмениваются теплом. Приращения температур Aii и At 2 измеряются термометрами первой и второй термобатарей. Выходной сигнал термобатарей поступает на вход регулятора. Регулятор воздействует на исполнительный механизм, перемещение регулирующего органа которого происходит до установления заданного соотношения расхода реагентов. Теплообмен реагентов осуществляется через стенку теплообменника, в результате чего между ними отсутствует непосредственный контакт. Это исключает энтальпийные изменения и связанную с ними погрешность регулирования массового соотношения расходов двух реагентов 3. Однако это устройство имеет ряд существенных недостатков, приводящих в конечном счете к неточности регулирования соотношений расходов потока. Во-первых, термобатареи установлены каждая на своем трубопроводе, т.е. находятся в разных температурных условиях. Погрешность в этом случае будет возникать из-, за изменения температуры окружаюш.ей среды. Во- вторых, при равенстве температур потоков и окружаюшей среды сигнала не будет, так как величина сигнала прямо пропор- . циональна разности температур окружающей среды и потоков. В-третьих, температура потоков может меняться, а это вызовет изменение сигнала. Все эти недостатки, приводящие к неточности регулирования, ограничивают область использования данного устройства. Цель изобретения - повышение точности регулирования соотношения массовых расходов потоков. Поставленная цель достигается том, что в устройство, содержащее термопреобразователи, например терморезисторы, и регулятор, один вход которого соединен с потенциометрическим задатчиком, а выход - со входом исполнительного механизма, установленного на трубопроводе одного из потоков, введен резистивный делитель напряжения, включенный в первое и второе плечи моста, одна диагональ которого подключена к источнику питания термопреобразователей, другая - к другому входу регулятора, а терморезисторы охватывают одновременно все трубопроводы и включены в третье и четвертое плечи моста. На чертеже изображено устройство для регулирования соотношения массовых расходов потоков. Терморезисторы 1 и 2 устройства последовательно соединены между собой, установлены на трубопроводах 3 и 4 таким образом, что каждый из них охватывает оба трубопровода 3 и 4, соединенные со смесителем 5. Резистивный делитель 6 напряжения и терморезисторы 1 и 2 образуют мостовую схему 4, в одну диагональ которой включен источник 7 питания термопреобразователей. Другая диагональ соединена с входом регулятора 8, выходы которого соединены с потенциометрическим задатчиком 9 и исполнительным механизмом 10. Регулятор 8 выполнен в виде последовательно соединенных усилителя 11, измерителя расхода 12 и компаратора 13. Устройство работает следующим обраВключают источник питания термопреобразователя для нагрева термопреобразователей 1 и 2. Потом подают потоки газов в тpyбoпJ)oвoды 3 и 4, которые нагреваются, проходя участки трубопроводов 3 и 4, охваченные термопреобразователями 1 и 2, охлаждая при этом собственно термопреобразователи 1 и 2. Так как они выполнень в виде терморезисторов, изготовленных из материала с высоким температурным коэффи циентом сопротивления, то они обладают высокой чувствительностью к изменению температуры, в частности при измерении массового расхода потока. То есть, функции термопреобразователей 1 и 2 совмещены с нагревателями. Блок балансировки, выполненный в виде резисторного делителя 6 напряжения, выделяет электрический сигнал с термопреобразователей I и 2 на выходе регулятора 9, с моста поступает выделенный электрический сигнал. Он поступает на регулятор 8, где усиливается усилителем 11. Измеритель 12 соотношения массовых расходов потоков позволяет визуально наблюдать и контролировать это соотношение. На компаратор 13 выдаются сигналы с измерителя 12 и потенциометрического задатчика 9. где сигналы сравниваются. То есть на выходе компаратора 13 появляется электрический сигнал разности между напряжением с задатчика и регулятора 8. Этот сигнал воздействует на исполнительный механизм 10, который регулирует один из потоков таким образом, чтобы отношение массовых расходов потоков вызывало сигнал с моста, усиленный усилителем 11 и равный сигналу с задатчика 9. Потенциометрическим задатчикОм 9 устанавливают требуемое соотношение (пропорцию) расходов потоков. В смеситель 5 поступают потоки в определенной пропорции по трубопроводам 3 и 4. Из смесителя 5 смесь используют для технологических процессов, таких, как например, эпитаксия, диффузия. Перед началом работы, в отсутствие расходов потоков (или при равенстве расходов потоков) после нагрева терморезисторов 1 и 2 мост балансируется блоком балансировки 6 по нулевому показанию измерителя 12. Изменяя напряжение, подаваемое на задатчик 9 с источника питания (на чертеже не показан), можно задать любую необходимую величину отношения массовых расходов потоков и поддерживать это отношение постоянным с высокой точностью. Изменение давления, температуры потока, действие физико-химических процессов при смешении потоков, действие внешней температуры и других факторов не влияет на точность и величину выходного сигнала, так как термопреобразователи находятся в одинаковых условиях относительно возмущаюших факторов и реагируют лишь на разность массовых расходов двух потоков. Применение резисторов по сравнению с термопарами (в известном) позволяет на порядок увеличить выходной сигнал, а значит и повысить точность регулирования. Кроме того, так как терморезисторы нагреты, то температура потока может быть любой, в том числе и равной температуре окружающей среды. Устройство может найти применение для регулирования массовых расходов испаряемого вещества в газе-носителе, например в полупроводниковом производстве на операции легирования и на операции наращивания эпитаксиальных слоев. При использовании этого устройства на операции легирования, например фосфором, и на операции эпитаксиального наращивания слоев увеличивается выход годных полупроводниковых пластин на Q,5°/o. Производительность при этом увеличивается на 5%. Формула изобретения Устройство для регулирования соотношения расходов потоков, содержащее термопреобразователи, например терморезисторы, и регулятор, один вход которого соединен с потенциометрическим задатчиком, а выход - со входом исполнительного механизма, установленного на трубопроводе одного из потоков, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит резистивный делитель напряжения, включенный в первое и второе плечи моста, одна диагональ которого подключена к источнику питания термопреобразователей, другая - к другому входу регулятора, а терморезисторы охватывают одновременно все трубопроводы и включены в третье и четвертое плечи моста. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 334555, кл. G 05 D 11/16, 1970. 2.Авторское свидетельство СССР № 536476. кл. G 05 D 11/16, 1976. 3.Авторское свидетельство СССР № 619907, кл. G 05 D 11/16, 1978 (протосх