真空爐中超高溫加熱元件的控制方法 蒲　 　 勇 彭學(xué)新 　 　 王 慧 ( 南昌大學(xué)材料科學(xué)研究所 　 330047) 摘 　 : 介紹了電阻溫度系數(shù)較大的幾種加熱元件的特性 ,報(bào)道了具有通用性的自動(dòng) 要 分段調(diào)壓電路工作原理及調(diào)試方法 。該技術(shù)主要適用于高電阻溫度系數(shù)加熱元件的控制 及保護(hù) ,設(shè)計(jì)了通用性很好的調(diào)整加熱電壓的電路 ,現(xiàn)已成功地應(yīng)用于真空爐中超高溫度 的控制 ,加熱器的使用壽命得到了顯著提高 。 關(guān)鍵詞 : 真空爐 　 電阻溫度系數(shù) 　 自動(dòng)分段調(diào)壓 1　 引言 操作而損壞加熱元件 。 某些真空爐使用了鎢 、 鉬或其他超高溫的 加熱材料 ,使用中發(fā)現(xiàn)加熱器壽命較短 ,除操作 中人為的因素造成加熱器的損壞以外 , 設(shè)備缺 乏必要的控制和保護(hù)措施是造成加熱器損壞的 主要因素 。為提高加熱器壽命和自動(dòng)化生產(chǎn)的 需要 , 這里設(shè)計(jì)了自動(dòng)分段調(diào)整加熱電壓的電 路。 2　 自動(dòng)分段調(diào)壓電路工作原理 在真空爐上進(jìn)行快速的升降溫工藝要用到 超高溫加熱材料 ,另外其他高溫?zé)崽幚?、 真空釬 焊、 、 燒結(jié) 和一些需要快速升溫的設(shè)備中 , 都可 能需要用到超高溫的加熱元件 。常用溫度高于 1500 ℃ 的加熱材料有金屬材料 ( 如鎢 、 ) 、 鉬 非金 屬材料 ( 如石墨 ) 、 金屬化合物 ( 如硅鉬棒 ) 和合 金材料 ( 如鎢鉬合金 ) 等 , 這些材料大多是正電 阻溫度系數(shù)材料 。這些材料的最大特點(diǎn)是 : 常 溫下的電阻值與高溫下的電阻值相差巨大 , 如 鎢絲 , 其電阻率在 1600 ℃時(shí)是 20 ℃時(shí)的 10 倍 左右 , 因而在升溫過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行控制也帶來(lái) 了一定的難度 。常用的辦法 ; 變壓器分段調(diào)壓 、 可控硅移相調(diào)壓 、 程控斜率升溫等方法 。手動(dòng) 調(diào)節(jié)固然簡(jiǎn)單 ,但難以適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求 , 工藝重復(fù)性也不好 , 更大的缺點(diǎn)是可能因?yàn)檎` 如圖 1 電路中 ,在爐溫上升的各個(gè)設(shè)定點(diǎn) , 分別設(shè)置不同的輸入電壓限制值或?qū)⑤斎腚妷?按一定比例進(jìn)行分配 ,然后輸出到可控硅 ,以得 到不同的等效加熱電壓 ( 或等效加熱電流) 。用 戶可以根椐具體情況來(lái)設(shè)置分段的數(shù)量 、 、 位置 限壓大小或電壓輸出的比例 。 ? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　 2003 年 6 月 真空爐中超高溫加熱元件的控制方法 　　　 85 3. 電路解析 PNP 型管 ,并調(diào)整相應(yīng)的穩(wěn)壓管或電阻即可 。 4. 電路調(diào)試 如圖 1 ,電路信號(hào)處理主要由 5 個(gè)運(yùn)放完 成 [1 ] ,由爐溫取樣放大 、 分段點(diǎn)溫度設(shè)置 、 輸出 電壓限制或比例設(shè)置 、 電壓輸入 、 電壓輸出等五 部分組成 。爐溫取樣放大采用簡(jiǎn)單的電壓放大 和偏置電路 , 信號(hào)采集可從單獨(dú)設(shè)置的熱電偶 取得 ,也可直接從控制熱電偶取得 。由于分段 點(diǎn)溫度無(wú)須特別精確 , 故電路去除了常用的溫 度補(bǔ)償 。圖中溫度分段點(diǎn)為三段 ,小 U2 、 進(jìn) U3 行爐溫與設(shè)置點(diǎn)的比較 。電路中 : RI < R2 ,U2 的 +” “ 端設(shè)置電壓低于 U3 的 + ” “ 端設(shè)置電 壓 。當(dāng)剛開始升溫時(shí) ,U2 、 均輸出高電平 , U3 Q1 、 導(dǎo)通 ,這時(shí) ,A 點(diǎn)電位被限制在較低的穩(wěn) Q2 第一步 ,分段點(diǎn)溫度設(shè)置 : 首先要計(jì)算好熱 偶信號(hào)的放大倍數(shù)和計(jì)算出各分段點(diǎn)對(duì)應(yīng)的放 大后的電壓值 , 作為分段點(diǎn)電壓設(shè)置值 。R1 、 R2 先用電位器代替 , 調(diào)整其位置使 U2 、 的 U3 “+ ” 端電壓與計(jì)算出的分段點(diǎn)對(duì)應(yīng)的放大后的 電壓值相等 。然后將電位器換成固定電阻即 可。 第二步 ,限制電壓 ( 或輸出電壓比例) 設(shè)置 : 可以通過(guò)分段點(diǎn)的加熱功率除以電阻來(lái)計(jì)算出 加熱電壓然后選好相應(yīng)的穩(wěn)壓二極管或電阻即 可 。也可以將穩(wěn)壓二極管換成電位器 , 將輸入 調(diào)到全開狀態(tài) , 通電在線調(diào)節(jié) 。注意升溫前應(yīng) 將電位器調(diào)到最小端 ,然后慢慢地調(diào)大 ,并測(cè)量 加熱器上電壓 , 使之達(dá)到計(jì)算要求 。最后將電 位器換成相應(yīng)的穩(wěn)壓二極管或電阻即可 。 5. 電路的優(yōu)缺點(diǎn) 定電壓值 1. 8V 左右 ( 穩(wěn)壓管 1. 1V + Q1 結(jié)電壓 0. 7V) 。當(dāng)溫度升至第一設(shè)置值時(shí) ,U2 輸出變 成低電平 ,U3 輸出仍為高電平 ,Q1 截止 . Q2 導(dǎo) 通 ,這時(shí) ,A 點(diǎn)電位被限制在第二個(gè)穩(wěn)定電壓值 3. 5V 左右 ( 穩(wěn)壓管 2. 8V + Q1 結(jié)電壓 0. 7V ) 。 當(dāng)爐溫繼續(xù)升至第二設(shè)置值時(shí) ,U2 、 均輸出 U3 低電平 ,Q1 、 截止 , 這時(shí) ,A 點(diǎn)電位等于輸入 Q2 電壓值 。A 點(diǎn)電壓輸出到可控硅觸發(fā)電路 , 通 過(guò)調(diào)整可控硅導(dǎo)通角得到相應(yīng)的等效加熱電壓 ( 或等效加熱電流) 。 自動(dòng)分段調(diào)壓電路有自動(dòng)化程度高 、 操作 簡(jiǎn)便 、 可靠性高等優(yōu)點(diǎn) 。但小于自動(dòng)分段調(diào)壓 電路是采用分段限壓 , 對(duì)于電阻溫度系數(shù)非常 大的鎢 、 鉬等材料來(lái)說(shuō) , 功率會(huì)產(chǎn)生一定的變 化 ,且存在突跳點(diǎn) ( 如圖 2) 。這樣 , 雖然不會(huì)影 響控溫的精度 ,但會(huì)引起升溫速率的波動(dòng) ( 如圖 2) 。因此該電路用在要求特別精密的斜率升溫 實(shí)際應(yīng)用中 , 可根據(jù)不同加熱材料來(lái)設(shè)置 相應(yīng)的溫度段和電壓值 , 以得到適當(dāng)?shù)牡刃Ъ?熱電壓 。對(duì)于用鎢絲加熱的設(shè)備來(lái)說(shuō) , 可分三 等分電壓值控制 , 第一個(gè)溫度點(diǎn)設(shè)置為 500 ℃, 加 1/ 3 的全電壓 ; 第二個(gè)溫度點(diǎn)設(shè)置為 900 ℃, 加 2/ 3 的全電壓 ;900 ℃ 以上加全電壓 。還可以 將 Q3 、 換成不同的電阻 , 這樣通過(guò)調(diào)整輸出 Q4 電壓的比例 ( 而不是象 Q3 、 那樣限制最大輸 Q4 出電壓) 來(lái)達(dá)到調(diào)整加熱電壓的目的 。對(duì)于負(fù) 電阻溫度系數(shù)的加熱元件 , 只需將 Q1 、 改為 Q2 上時(shí) ,最好多設(shè)置幾個(gè)分段點(diǎn) 。 6、 結(jié)束語(yǔ) 以上 介 紹 的 兩 種 控 制 電 路 都 已 應(yīng) 用 在 MOVPE 系統(tǒng) 、 真空釬焊爐及快速熱處理等設(shè)備 中 ,效果良好 , 特別是在 MOVPE 系統(tǒng)中采用了 限流方法來(lái)控制加熱以后 , 加熱器的壽命得到 了大大的提高 。