專利名稱：可變溫場管式電阻爐的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電熱設備，涉及電流流過電熱元件，利用其產(chǎn)生的熱量加熱工件的管式電阻爐。
目前國內外的管式電阻爐均以高電阻電熱合金做發(fā)熱元件，采用溫度自動指示調節(jié)儀和可控硅供電裝置，通過調節(jié)可控硅導通角以控制其輸出電壓，保持額定輸出功率。并對其升溫和降溫的過程加以控制。然而這種管式電阻爐用于合金冶煉、物理測定、電偶校正和熱處理時，則因其控制精度不高，溫場變化簡單而不適宜。
本實用新型的目的是提供一種全過程計算機控制、多區(qū)域溫場變化、大容量、多用途的管式電阻爐。適用于晶體生長、合金冶煉、物理測定、電偶校正和熱處理多種用途。
本實用新型可變溫場管式電阻爐包括爐體和電器控制部分，其中爐體的主要構件包括爐管、爐絲、熱電偶、護瓦、保溫層和爐殼。爐管用高溫陶瓷材料制成，表面有螺紋和小孔，爐絲分組纏繞在螺紋上，用于測量溫度的熱電偶裝在小孔中。護瓦是陶瓷的，蓋在爐管之外，用于保護爐絲及固定電偶。爐殼是爐體的最外層。在護瓦與爐殼之間裝填保溫材料充作保溫層，為了更好的防止熱輻射，特在保溫層中加裝熱屏蔽罩。
本實用新型電器控制部分包括由微處理器、存儲器、接口、顯示器等外圍設備構成的計算機控制單元；由所述爐體中的熱電偶，與放大器、模數(shù)轉換器順序相聯(lián)構成的檢測單元；以及包括由固態(tài)繼電器陣列和電源構成的執(zhí)行單元；所述爐體中的各組爐絲分別通過固態(tài)繼電器與電源聯(lián)接。
制造爐管的高溫陶瓷可以選用氧化鋁或氧化鋯。爐絲根據(jù)不同的加熱溫度而選用，如鐵鉻鋁合金、鉑銠合金等。相應的熱電偶亦如此，可以用鎳鉻-鎳鋁，或鉑銠-鉑。保溫材料選用硅酸鋁纖維毯、氧化鋯纖維毯或莫來石棉等。爐殼可以用鋁合金或鋼制造。本設計可變溫場管式電阻爐能滿足不同的工作溫度要求，最高工作溫度可達1700K。


圖1本實用新型爐管和護瓦結構示意圖圖2本實用新型爐體結構示意圖圖3本實用新型管式電阻爐總體構成圖圖4本實用新型檢測和控制部分原理圖圖5本實用新型控溫過程工作流程圖對結合附圖所示實施例的詳細說明，將使本實用新型的內容和特點更加清晰。
首先請參閱
圖1至圖3。本實用新型可變溫場管式電阻爐包括爐體100和電氣控制部分200。如
圖1所示，爐管110是爐體100的主體，用氧化鋁或氧化鋯高溫陶瓷材料制成，爐管110的外表面有細牙螺紋112，和小孔113，螺紋中分組纏繞爐絲120，小孔113中安裝熱電偶(
圖1中未標記)。根據(jù)不同的溫度需要，爐絲120采用鐵鉻鋁合金、鉑銠合金等不同材料。還根據(jù)不同的功率要求，將爐絲120繞制不同的圈數(shù)和不同的組數(shù)。護瓦140也是陶瓷的，蓋在爐管110之外，用于保護爐絲和固定熱電偶。
參見圖2，爐體100的最外層是金屬的爐殼160，采用鋁合金制成。保溫材料150，采用硅酸鋁纖維毯、氧化鋯纖維毯或莫來石棉等纏裹在爐管110、護瓦140與爐殼160之間。同時在保溫層中加裝熱屏蔽罩，其目的是防止熱輻射。爐絲120和熱電偶130分別通過爐絲接頭121和熱電偶接頭131引出。
本實用新型實施例中，如圖3所示，包括管式電阻爐爐體100、電氣控制部分200。其中，電氣控制部分200包括由熱電偶130(圖2)、放大器310、模擬轉換器320順序相聯(lián)的檢測單元300，由微處理器410、存儲器420、接口430構成的計算機控制單元400，以及包括由固態(tài)繼電器510、電源530構成的執(zhí)行單元500。爐體100中的熱電偶測量所得熱電偶信號送入檢測單元300，經(jīng)放大器310將信號放大，再經(jīng)模數(shù)轉換器320轉換成數(shù)字信號送入計算機控制單元400。在計算機控制單元400中，微處理410和存儲器420將來自檢測單元300的檢測信號進行分析計算，并確定下一時刻的工作指令，然后經(jīng)接口430發(fā)出控制信號送入執(zhí)行單元500。執(zhí)行單元500中的固態(tài)繼電器陣列510和電源530按照計算機控制單元400發(fā)出的控制信號指令，把各組爐絲按周期導通加熱，實現(xiàn)對各種不同溫場的控制。
圖4所示本實用新型檢測和計算機控制單元的一個實例說明如下。檢測單元中的熱電偶131和環(huán)境溫度測量信號133被送入16路模擬多路開關132，用鎖存器432鎖存其地址以便選中相應的模擬通道，其中溫度傳感器133將絕對溫度轉換為相應的電流信號，串接一個電阻(R)135就可得到電壓信號。模擬多路開關132的輸出送入兩級運算放大器311和313，經(jīng)其放大700倍后的信號送到12位模數(shù)(AD)轉換器320，微處理器(CPU)410將轉換的數(shù)字量讀出并進行計算得出相應的各組爐絲的加熱時間，爐絲加熱電流的導通與關斷通過又一組鎖存器即434和436的輸出來控制。一電平轉換器451采用82C50用于串行通信，將實驗數(shù)據(jù)傳出，其后，另一電平轉換器453用ICL232(或MAX232)將TTL電平轉換為接口(采用RS232)電平。另一組鎖存器即431和433用于鎖存存儲器的地址，一組靜態(tài)隨機存儲器(RAM)421和423用于存儲變量，422和424為可改寫可編程只讀存儲器EPROM是程序存儲器，426和428為電可改寫可編程序只讀存儲器EEPROM用于存儲實驗數(shù)據(jù)。另外，“看門狗”415 MAX690用來監(jiān)測CPU的工作狀態(tài)，一旦程序出現(xiàn)異常，就將CPU復位。
本實用新型設計中，計算機控制部分的軟件主要是由匯編語言和C語言混合編程的控制程序，其工作方式為將檢測電路采集的管式電阻爐中的溫場情況進行分析、計算并發(fā)出工作指令，再由執(zhí)行單元根據(jù)指令導通固態(tài)繼電器對爐管加熱，以實現(xiàn)對溫場的控制，同時在顯示器上實時顯示溫場的變化。
對圖5所示本實用新型管式電阻爐控溫過程工作流程說明如下。管式電阻爐開始工作后，根據(jù)不同溫場(包括等溫溫場、梯度溫場和區(qū)熔溫場等)及工藝要求計算加熱周期的溫度分布設定值，同時命令檢測單元和溫度傳感器對爐管內的溫度分布進行采樣，再將采樣值與設定值進行比較，通過多點鄰里相關的數(shù)值PID技術，計算出加熱周期，決定執(zhí)行單元中每一時刻每一個固態(tài)繼電器是否導通與導通時間間隔長短，對各組爐絲進行加熱。同時計算出下一個加熱周期溫場分布的設定值后，再對爐管的溫度分布進行采樣，再比較采樣值與設定值，重復以上過程，實現(xiàn)對爐子溫度分布的控制。
本實用新型提供的可變溫場管式電阻爐及控溫方法，既能實現(xiàn)等溫溫場和梯度溫場，也能實現(xiàn)區(qū)熔溫場；溫場的空間分布和時間分布均可程序控制；有較高的控溫精度，精度達±1K，滿足晶體生長、合金冶煉等多種材料制備要求，以及物理測定、電偶校正和熱處理等多種用途。
權利要求1．一種可變溫場管式電阻爐，包括爐體和電氣控制部分，其特征是爐體的主要構件包括爐管、爐絲、熱電偶、護瓦、保溫層和爐殼；爐管用高溫陶瓷材料制成；表面有螺紋和小孔，爐絲分組纏繞在螺紋上，用于測量溫度的熱電偶裝在小孔中；護瓦是陶瓷的，蓋在爐管之外，用于保護爐絲和固定熱電偶，爐殼是爐體的最外層，在護瓦與爐殼之間裝填保溫材料充作保溫層，保溫層中加裝熱屏蔽罩；電氣控制部分包括由微處理器、存儲器、接口、顯示器等外圍設備構成的計算機控制單元；由所述爐體中的熱電偶、放大器、模數(shù)轉換器順序相聯(lián)構成的檢測單元；以及包括由固態(tài)繼電器陣列和電源構成的執(zhí)行單元，所述爐體中的各組爐絲分別通過固態(tài)繼電器與電源聯(lián)接。
2．按照權利要求1所述的可變溫場管式電阻爐，其特征是其檢測和計算機控制單元中，熱電偶和環(huán)境溫度測量信號被送入16路模擬多路開關，用鎖存器鎖存其地址以便選中相應的模擬通道，其中溫度傳感器將絕對溫度轉換為相應的電流信號，串接一個電阻就可得到電壓信號；模擬多路開關的輸出送入兩級運算放大器，經(jīng)其放大后的信號送到12位模數(shù)轉換器，微處理器將轉換的數(shù)字量讀出并進行計算得出相應的各組爐絲的加熱時間，爐絲加熱電流的導通與關斷通過又一組鎖存器的輸出來控制；一電平轉換器用于串行通信將實驗數(shù)據(jù)傳出，另一電平轉換器將TTL電平轉換為接口電平；另一組鎖存器用于鎖存存儲器的地址，一組靜態(tài)隨機存儲器用于存儲變量；還有一組程序存儲器為可改寫可編程序只讀存儲器EPROM，和一組存儲實驗數(shù)據(jù)的電可改寫可編程序只讀存儲器EEPROM，以及一只用于監(jiān)測微處理器工作狀態(tài)的“看門狗”。
3．按照權利要求1所述的可變溫場管式電阻爐，其特征是制造爐管的高溫陶瓷選用氧化鋁或氧化鋯，爐絲選用鐵鉻鋁合金或鉑銠合金，熱電偶選用鎳鉻-鎳鋁或鉑銠-鉑，保溫材料選用硅酸鋁纖維毯、氧化鋯纖維毯或莫來石棉，爐殼用鋁合金或鋼制造。
專利摘要可變溫場管式電阻爐,包括爐體和電氣控制二部分。爐體最外層是金屬爐殼,中心的爐管外側纏繞爐絲,壁中裝熱電偶,用護瓦保護爐絲和固定熱電偶,然后裝填保溫材料。電氣控制部分包括由微處理器、存儲器、接口、顯示器等構成的計算機控制單元,由熱電偶、放大器、模數(shù)轉換器構成的檢測單元,以及由固態(tài)繼電器和電源構成的執(zhí)行單元。本設計電阻爐全過程計算機控制,適用于等溫、梯度、區(qū)熔等多種溫場,晶體生長、冶煉等多種用途。
文檔編號F27B1/09GK2435710SQ0024321
公開日2001年6月20日 申請日期2000年7月5日 優(yōu)先權日2000年7月5日
發(fā)明者李超榮, 翟永亮, 楊書強, 葛培文, 龐玉璋 申請人:中國科學院物理研究所