Устройство для регулирования температуры электропечей Советский патент 1982 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автоматике и может использоваться в автоматических электропечах, например в ц ффузионных установках для проведения технологических процессов микроэлектро ники. Известно устройство для регулирования температура электропечей, содержащее нагреваемый объект, термопарный датчик температуры, усилитель постоянHDI4) тока, измерительный блок, блок зад ния температуры, регулятор мощности, вакуумные термоэлементы, делитель нап жения, переключатель режимов работы, Регулирование мощности, подводимой к нагревателю, производится в соответств с заданной температурой, температурой нагреваемого объекта, измеренной термо парным датчиком температуры, а также напряжением и током нагревателя, измеренным посредством вакуумных термоэлементов i . Недостатком данного устройства являются невозможность получет1Я равном ного разогрева нагреваемого объекта, а также низкая точность регулирования тем пературы в зоне действия термопарного дatчикa температуры, обусловленная наЛВчием погрешности .самого датчика и отсутствием компенсации нелинейнорти его характеристики и термо-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 трехсекционный нагреватель, подключенный к выходу регулятора мощности, три термопарных датчика температуры, положительные выводы которых подключены к входам усилителей постоянного тока, и блок задания температуры 2 . Недостатком данного устройства является относительно невысокая точность регулирования температуры, обусловленная рядом факторов: наличием большой остаточной погрешности регулирования темпера- туры вследствие использования пропо{ ционального закона регулирования, реалкзуемого в регуляторе мощности, которы состоит из генераторов пилообразного нап ряжения, блокинг-генераторов и тиристорных блоков; наличием некорректированной погрешности сравнения температур в центральной и боковых секциях нагревателя, вызванной разбросом градуировочных характеристик термопар (согласно ГОСТ ЗО44-61 в диапазоне температур 973-1473 К при использовании термопар типа ПР-ЗО/16 до ±3,5 К, для тертлопар ттша ПП-1 до +2,2 К))кроме того, на результат сравнения влияет дрейф.нуля и нестабильность коэффициентов усиления усилителей постоянного тока в контурах регулирования температуры боковых секций, в которых так же, как и в основном контуре, реализуется пропорциональный за кон регулирования, предполагающий стати™ ческую погрешность регулирования; наличием погрешности задания температуры, вызванной возможным отличием (согласц но ГОСТ 3044-61) характеристики термопары, установленной в зоне действия центральной секции нагревателя, от стандартной градуировочной характеристики, а TBiosce отсутствием компенсации температу ры съобокгы-ц концов термопар и изменением со временем термо-ЭДС. Цель изобретения - повышение точности регулирования температуры электропечи. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования температуры электропечей, содержащее трех- секционный нагреватель, подключенный к выходу регулятора мощности, по числу секций нагревателя термопары, первые вы воды которых подключены к входам соответствующих усилителей постоянного то ка, и блок задания температуры, введены вычислительный блок с АЦП на одном из входов, датчик температуры окружающей среды, источник опорного напряжения, блок погфавок, резистивный делитель напряжения, ключи и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый и второй распределители, причем выходы усилителей постоянного тока чере группу первых ключей подключены 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, подключен ным через пятый ключ к входу резисти&ного делителя напряжения, с выходом которого соединены вторые выводы термопар, управляющие входы всех ключей связаны с выходами соответствующих распределителей, вход второго распределителя, 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 б-Зпоотоянного тока. Вход АЦП 9 через первую группу ключей 1О-12 подключен соот-. ветственно к выходам первого, второго и третьего усилителей 6-8 постоянного гока. Через четвертый клюн 13 АЦП 9 подключен к выходу источника 14 опорного напряжения, через третий ключ 15 к общей шине питания устройства, через второй ключ 1 6 к выходу датчика 17 температуры окружающей среды. Управляк щие входы ключей 10-12 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого распределителя 18, .. тактовый вход которого подключен к генератору 19 тактовых импульсов. Четве1 тый выход первого распределителя 18 подключен к тактовому входу второго распределителя 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 отрицательные выводы термопарных датчиков 3-5 температуры. Выход АЦП 9 подклк чен 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 NP Л поправок для каждого из ( 1, 2, 3) термопарных датчиков 3-5 температуры

и для каждой itJ i точек проверки патчиков 3-5. При практической реализагши

i 1 5.

Кроме того, в этом блоке хранятся коды N g,i , 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 термопарных датчиков 3-5 температуры с данных предварительной проверкиФункционирование блока 24 поправок аналогично функционированию любого типо вого постоянного запоминающего устройства, связанного с процессором ЭВМ (в данном случае вычислительным бло- ком 23. В ходе вычислений ввычислительгном блоке, в моменты когда производятся соответствующие вычисления, опрашивается блок24 и хранящиеся в нем кодыМ, и Ngj 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 19 тактовых импульсов. Выход вычислительного блока 23 подключен к входу регулятора 26 мощности, к выходу которого подключен трехсекиионный нагреватель 2.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с тактовыми импульясами, вырабатываемыми генератором 19 тактовых, импульсов, первый распределитель 18 поочередно открывает ключи 1О12. При этом на вход АЦП 9 поочередно подаются усиленные усилителями 6-8 постоянного тока выходные сигналы термо парных датчиков 3-5 температуры, а с его выхода на первый вход вычислительного блока 23 поступают соответственно числа , соответствующие этим сигналам. Числа Мд(где i -1, 2, 3) заносятся в память вычислительного блока 23. Полный никл работы первого распределителя 18 равен 24 .тактам. Этот цикл можно разбить на 6 подциклов по 4 такта в каждом такте. Ключ 1О открывается в течение четвертого такта первого подцикла, а также в течение пери. вого такта всех шести подциклов, ключ 11 открывается в течение четвертого такта третьего подцикла, а также в течение второго такта каждого из шести not цяклов, ключ 12 открывается в течение

чегвертого такта пятого 1 одцикла, а такг же в течение греты.-п) такта всех шести подцшчлов. На каждом четвергом такте работы первого распределителя 18 меняется состояние второго распределителя 20.

При этом в течение четвертого такта второго подцикла вход АЦП 9 через ключ 13 подключается к выходу источника 14 опорного напряже 1ия, в течение четвертого такта четвертого подцикла через ключ 15 - к общей шине устройства, а в течение четвертого такта шестого подцикла - через ключ 16 - к выходу датчика 17 температуры окружающей среды. Поступающие с выхода АЦП 9 Iсоответствующие числа N , N 5 также заносятся в память вы числит ел 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 АЦП 9 числа hJj.; где ( i 1, 2, 3), соответствующие 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, (где -i 1, 2, 3) обрабатывается по формуле

Кут1Н5-М4)

,,-М,-К,) N3-N4-t U2lN5-N4)()

где KU, Кц - коэффициенты, определяемые зависимостью выходного напряжения источника 14 опорного напряжения от температуры окружающей среды;

Кц - коэффициент, определяющий зависимость смещений выходных сигналов усилителей 6-8 постоянного тока от температуры окружак щей среды.

Далее, с целью компенсации влияния термо-ЭДС свободных концов термопаркых датчиков 3-5 температуры и нелинейноотей их градуировочных характеристик чиопа Ц(, (i 1, 2, 3) обрабатываются по формуле

I п lN5-N4n ET „.

.-..-,.,.,,., гдеУ - хранящиеся в памяти вычисли тельного блока 23 чЗ шчения гра ниц К отрезков линеаризующей кривой; значения смешений граничных точек этих отрезков. С целью корректировки погрешности измерения температуры, вызванной раз&росом градуировочных характеристик тер мопарных датчиков 3-5 температуры, чиспа NY (i 1, 2, 3) обрабатываются по формуле Nn,;,i-,-lNErl 6.UNn,.i.(N6.;-NE,., 8.N,;, ЕГ.М °,H,jхранящиеся в памяти вычислительного блока 23 значения по№ равок для каждого термопарного датчика 3-5 температуры; iзначения величины термо-ЭДС термопарных датчиков 3-5 температуры для точек, относи гель.но которых вводятся поправки. Далее, в вычислительном блоке 23 чио ло сравнивается с числом NT-J , введе ным в вычислительный блок из блока 25 задания температуры, и по их разности определяется величина мощности Р , подводимой к средней секции нагревателя 2, в зоне действия которой расположен термопарный датчик 4 температуры. Числа Ng и сравниваются с числом Hg2 и по результату их сравнения опреде ляютея величины мощностей, подводимые к боковым секциям нагревателя. Числа (р ( « 1, 2, 3) с выхода вычислитель ного блока 23 подаются на вход регулятора 26 мощности, где в соответствии с ними изменяется мощность , подводимая к секциям нагревателя. Анализ работы устройства для регули ровки температуры эле1ктропечей произведен путем подстановки выражений, описы вающих сигналы его элементов с учетом погрешностей последних, в выражениях,по которым производится коррекция погрешно тей при работе устройства. Основные погрешности измерения терм ЭДС термопарных датчиков температуры могут быть оценевы по следующим соотношениям: для выходных сигналов каждого вз усилителей 6-8 постоянного тока чГSoИUчoП ч Пoiytoi)K,E,, (4) гдеЦцо; - смещение выходных сигналов усилителей постоянного тока. 95 определяющее аддитивную составляющую их погрешностей; - начальное значение коэффиште та усиления; - составляющая дрейфа коэффициента усиления, не связанная с тем- . пературой, - температурный коэффициент дрейфа коэффициента усиления; сигналы термопарных датчиков температуры. ффициент получен из анализа лентной схемы (фиг. 3) включения арных датчиков 3-5 температуры. каждого из трех входных напряусилителей 6-8 Уу,,, иьг, Ь, нного тока ЭЕ Ч . 1, 2. 3; входное сопротивление усилителей 6-8 лостоянного тока; внутреннее сопротивление термопарных датчиков 3-5, температуры;выходное сопротивление делителя 22 напряжения; - термо-ЭДС термопарных датчиков 3-5 температуры; число на выходе АЦП при подключении его входа к выходу одного из усилителей постоянного тока будет равно No-t-i... - аддитивная составляющая погреньности АЦП 9; Q- начальное значение коэффицие та преобразования АЦП 9; х- - величина дрейфа коэффициента преобразования, определяющая мультипликативную составляк щую погрешности АЦП 9. я моментов времени когда открыт 21 (фиг. 1) выражение (4) принивид:U4rVHi .Е,. ), U) - начальное значение выходного напряжения источника 14 om)j ного напряжения; 4 - коэффициент, определяющий aaf висимость его выходного напряжения от телтературы окружающей среды; - коэффгагаент передачи делителя 22 напряжения. Коэффициент kj получен из анализа эквивалентной электродной схемы (фиг. 3 включения термопарных датчиков 3-5 тем пературы. Для выходных напряжений U (где « 1, 2, 3) каждого из трех ус питеяей постоянного тока . гдеид - выходное напряжение д итедя 2 Тогда, в свою очередь, выражение (6) примёт вид: Ы -N+lk +V I 1л о по iji (9) 4wyiaN3,N4,N5 вносимые в память вычислительного блока 23 при подключ&НИИ входа АЦП 9 к выходу источника 14 опорного напряжения,, к общей шине устро ства и к выходу датчика 17 температуры окружающей среды соответственно 5-V(()-, N6 No4(kn+kn)K,to, (12) где К - коэффициент преобразования датчика 17 температуры окру жающей среды. Подставляя ;выражения (4), (7) в (6), (9) и (6) , (9), (10). (11). (12) в (1), заменяя коэффициенты - jUuo; , Uqokij .,1Uyo - известный коэффициент, где К -т- 3to определяющий завися мость смещения выхо1И ного сигнала усилителя постоянного тока от температуры окружающей среды . получим , 0 6810 Для значений параметров эквиваленРной схемы (фиг. 3) SO Ом; Т2 T-i 10 кОм; 41 0,5 Ом С величины коэффициентов равны 11, 0,994876; 2. 0.994975. Следовательно, выражение (13) можно заменить на )(14) из этого «вытекает, что числа N соответствуют действительным значениям термо термопарных датчиков 3-5 темпеРатуры. Погрешности, вызванные нелинейностямн и разбросом их градуировочных характеристик, корректируются после преобразования чисел в вычислительном бпоке 23 в соответствии с выражениями (2), /з Из изложенного материала, вытекает, погрешность измерения температуры с помощью каждого термопарного датчика снижается в среднем с ьЗ,5 К до +О,25 К без дополнительной подстройки и регулк- ровки. Применительно к диффузионной установке это позволяет уменьшить погрепьность задания среднего уровня темпера-f . туры в реакторе с +3,5 К до jiO,3 К и уменыиить неравномерность разогрева рабочей зоны реактора с +3,5 К до +О,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 уст)ойство позволяет осуществлять непосредственное, без помощи пртшодимых таблиц, riporpai мное управление температурой. Также в . сипу гибкости программы работы вычислительного блока в устройстве могут быть использованы современные алгоритмы управления температурой, позволяющие существенно уменьшить динамическую рш1 ку регулирования. Применительно к диффузионным установкам для технологических процессов микроэлектроники использование предлагаемого устройства в качестве регулятора температуры позволяет повысить коэффициент выхода годных ориентировочно на 2-3%. Формула изобретения Устройство для регулирования температуры электропечей, содержащее трехсек1гаон 1ый нагреватель, подключенный к выходу регулятора мощности, по числу секШ1Й нагревателя термопары, первые выво- ды которых подключены к входам соогвет, ствующих усилителей постоянного тока, и блок задания температуры, отличающееся тем, что, с цепью повышения точности устройства,в него введены вычислительный блок с аналого-цифровым преобразователем на одном из входов, датчик температуры окружающей среды, источник опорного .шпряженил, блок поп: эавок, резистивный делитель напряжения, ключк и последовательно соединенные гепнератор тактовых импульсов, первый и второй распределители, причем выходы усилителей постоянного тока через групну первых ключей подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, свя- раниш у через второй, третий и четвертый 1ШЮЧИ соответственно с выходами

Датчика температуры окружающей срецы, общей шиной питания и выходом источника опорного напряжения, подключенным через пятый ключ к входу резистивного делителя напряжения, с выходом которого соединены вторые термопар, управляющие входы всех ключей связаны с выхдами соответствующих распределителей, вход второго распределителя, выходы блока поправок, блока задания температутэы и генератора тактовых импульсов подключены к другим входам вычислительного %Лока, выходом связанного с входом регулятора мощности.

Источники информации, принятые ВО внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 441553, кл. GI 05 ) 23Л.Э, 1972.

2.Авторское свидетельство СССР ,Й 491124, кл. Q 05 IJ, 23/19, 1973 (прототип).