專利名稱：爐子的制作方法
本申請是1995年11月27日提出的美國專利申請08/563,145的部分繼續(xù)申請(原案現(xiàn)已放棄)。
本發(fā)明涉及爐子，物品可由入口區(qū)進入該爐子，在爐內的中央處理區(qū)進行處理，然后在處理后經出口區(qū)移出爐外。具體地，本發(fā)明涉及這樣的爐子，其中央處理區(qū)具有一個或多個將惰性氣體引入爐子的進氣口，以防止空氣進入爐內。更具體地，本發(fā)明涉及惰性氣體的流率由控制器調節(jié)的爐子。
在回流焊爐和波焊爐、隔焰爐等爐子中，常將惰性氣體(一般為氮氣或N2+氧氣消除劑，如H2或HC)引入爐子，產生不含氧的處理氣氛，以防止含有被加熱的金屬部件的物品發(fā)生氧化。惰性氣體的流率應設置得使空氣至少不能進入爐子的中央處理區(qū)?？諝獾倪M入一般是由于物品移動通過爐子的入口區(qū)和出口區(qū)、在爐內的泄漏、以及通過爐內的物品所夾帶的空氣而引起的。
空氣已進入中央處理區(qū)的程度可由爐內氣氛中氧的濃度測定和表示。對某一特定過程所允許的具體氧含量一般由使用者確定，可在0至100,000ppm之間。這限度取決于金屬的類型、它被加熱達到的溫度以及氣氛中其它的組分(如[H2]等)。此外，在焊接和釬焊爐中，具體允許的氧含量是根據(jù)在焊接時用以去除氧化物層的焊劑的強度、所焊接的接頭的復雜性、以及每個部件的接頭數(shù)目等因素來確定。降低氧含量可降低接頭的缺陷率，可使用低殘余物焊劑(這些焊劑不必在操作后清除)，結果得到更強固的接頭。
惰性氣體流率一般是在安裝爐子時設定，其設定值是使得在爐子的中央處理區(qū)內產生特定的氧含量。例如在回流焊爐或波焊爐中，人們關切的處理區(qū)是回流焊接區(qū)或波焊區(qū)。惰性氣體流率設定后，除了或許作一些微小的變化以外，很少由操作人員改變。因此，為了避免空氣進入的問題，在開始時為爐子設定的流率，應稍高于為保持一給定氧含量所需的理論最低流率。因而多余的惰性氣體流率為不可預見的空氣進入原因提供了安全余量。所以未試圖盡量減少惰性氣體的流率。
在爐內保持預設的氧含量的一種方法，是利用閉環(huán)控制，監(jiān)控感興趣的部位的氧含量，以實現(xiàn)惰性氣體流率的改變。例如，可以用氧分析器的輸出，來控制引入至回流焊接爐內回流焊接區(qū)中的氮氣流率。這項技術的問題是，當感知到氧含量發(fā)生了變化時，已經進入了太多的空氣。結果，為了恢復設定值，氮氣流率就重設在過高的水平。
如以下所述，本發(fā)明提供了一種爐子，其中引入至爐內的惰性氣體的流率，是按本發(fā)明進行最優(yōu)控制的。
本發(fā)明提供了一種爐子，它包括入口區(qū)、出口區(qū)和位于入口區(qū)與出口區(qū)之間的中央處理區(qū)。中央處理區(qū)具有至少一個進氣口，以供惰性氣體流入中央處理區(qū)再流至入口區(qū)和出口區(qū)，使空氣至少不能進入中央處理區(qū)。爐子裝有一個控制裝置，以便將惰性氣體輸入爐內，其流率足以使空氣至少不能進入中央處理區(qū)。控制裝置響應于控制信號以控制惰性氣體的流率。至少有第一和第二傳感裝置，分別裝在中央處理區(qū)與入口區(qū)和出口區(qū)中的至少一個，用來產生對應于中央處理區(qū)與入口區(qū)和出口區(qū)中至少一個的氧濃度的至少第一和第二輸出信號。還設有一個PID(比例積分微分)控制器，響應于第一、第二和第三輸出信號以產生控制信號。該PID控制器產生一控制信號，它可表示為和數(shù)
。 在上述和數(shù)中，Kp、K1和K2分別是比例、積分和微分增益常數(shù)，ε既表示比例誤差項也表示微分誤差項，ε1表示積分誤差項。PID控制器可編程成使積分誤差項等于中央處理區(qū)氧濃度的第一時間平均值減去氧濃度設定值。比例誤差項和微分誤差項各等于所述中央處理區(qū)和入口區(qū)與出口區(qū)中至少一個的氧濃度的第二時間平均值減去所述氧濃度設定值。第一和第二時間平均值最好各為幾何時間平均值。在這方面，PID控制器將以約每秒10次的速率處理與氧濃度相應的信號(這速率當然依賴于所用具體的傳感器)。因此如果將PID控制器設定去平均2秒時間間隔內的信號，則每個傳感器的信號將被相加起來，然后除以信號的數(shù)目，以得到每個傳感器的簡單算術平均值。對于幾何時間平均值的情況，則取該時間間隔內所有信號的乘積，然后將該乘積乘(1/n)次方，n等于信號的數(shù)目。
利用濃度的時間平均值，系統(tǒng)就不會對在入口區(qū)和出口區(qū)發(fā)生而不影響中央?yún)^(qū)的瞬變作出過分的反應。將PID控制器根據(jù)幾何時間平均值編程，將可進一步增強這個效果。于是，按以上所述將PID控制器編程，將可得到一個響應于變化趨勢而不是響應于瞬變狀態(tài)的控制信號。
說明書后的權利要求清楚地指出了申請人認為是其發(fā)明的內容，但參照附圖可更好地理解本發(fā)明，而唯一的附圖是本發(fā)明的爐子的示意圖。
參看

圖1，圖中顯示了本發(fā)明的爐子。爐子1可以是一個連續(xù)爐或焊接爐。本文中以及權利要求中的“爐子”，也包括烘箱。
爐子1具有入口區(qū)10和出口區(qū)12。在入口區(qū)10和出口區(qū)12之間有一個中央處理區(qū)14。中央處理區(qū)14可以是爐子中的常規(guī)波焊區(qū)。要在爐1中加熱的物品先進入入口區(qū)10，前進至中央處理區(qū)14，再通過出口區(qū)12移出爐外。
第一、第二和第三氧傳感器(分別用標號16、18和20表示)，是用來感測中央處理區(qū)14、入口區(qū)10和出口區(qū)12中的氧濃度的。第一、第二和第三氧傳感器16、18和20產生第一、第二和第三輸出信號，由第一、第二和第三連接電線和22、24和26傳送至PID控制器28。
雖然圖上未示出，第二或第三氧傳感器18或20中的一個可以取消，以節(jié)約成本。在這種情況下，可以使爐子運行，讀取入口區(qū)10和出口區(qū)12這兩個區(qū)的氧濃度。然后將氧傳感器裝在氧濃度讀數(shù)高的區(qū)內。于是在這種實施方式中，氧傳感器是裝在入口區(qū)10或出口區(qū)12中的一個之內，所以就只有第一和第二氧傳感器了。
為了保證在中央處理區(qū)14內保持充分低的氧含量，設有一個氮氣源30，它可將氮氣通過氮氣進氣口32引入中央處理區(qū)14。流入中央處理區(qū)14的氮氣將進一步流向入口區(qū)10和出口區(qū)12，以幫助阻止空氣進入中央處理區(qū)14。氮氣的流率由質量流量控制器34控制，該控制器本身則由PID控制器28所產生的控制信號控制。該控制信號通過連接電線36傳輸至質量流量控制器。雖然圖中未示出，可以例如在入口區(qū)10和出口區(qū)12中裝上補充的氮氣注入點(并可與進氣口32或其中所流的氮氣分流)。在這些補充注入點的氮氣流量可以是常數(shù)，這時就不需對它們作自動流量控制了。
控制信號是響應于第一、第二和第三輸出信號而產生的，這些輸出信號本身則由氧傳感器16、18和20產生。應理解這些信號只需能與氧濃度相聯(lián)系。因此，第一、第二和第三氧傳感器16、18和20可用壓力傳感器代替。而且，速度傳感器也可用于同樣的目的。這些其它的傳感器雖然并不感測氧濃度，但可產生與氧濃度相聯(lián)系的信號。較好的是，第一氧傳感器16用直接感測氧濃度的類型，而第二和第三兩個氧傳感器則用通過壓力和/或速度推導出氧濃度的類型。如果只用兩個傳感器，則第二氧傳感器可用壓力或速度傳感器代替。
在對PID控制器28編程時，必須確定中央處理區(qū)14所需的氧濃度。例如，在中央處理區(qū)14的氧濃度可預設為不大于10ppm。然后，PID控制器28編程為使比例誤差項和微分誤差項各等于(由第一、第二和第三氧濃度傳感器16、18和20感測的)中央處理區(qū)14與入口區(qū)10和出口區(qū)12的氧濃度的時間平均值減去所述氧濃度設定值。積分誤差項則令它等于中央處理區(qū)14的氧濃度的時間平均值減去氧濃度設定值。雖然上述的平均值可以是簡單算術平均值，但最好是幾何平均值。每個具體爐子的比例、積分和微分增益常數(shù)由實驗確定。進行平均的時間間隔一般由使用者確定。確定這時間間隔時，重要的因素是爐子的長度和要求的響應時間。發(fā)明人迄今發(fā)現(xiàn)這時間間隔一般在0.5-10.0秒的范圍。
作為例子，看一個IR回流爐，該爐3.285m長×0.74m寬，平臺最大高度0.12m，裝有4個進氣口，分別裝在離平臺入口0.2m、1.05m、2.2m和3.085m處。在分別位于0.2m和3.085m處的第一和最后的進氣口通入流率約為80升/分的恒定氮氣流。另外，在離平臺入口1.05m的第二進氣口引入流率約為150升/分的恒定氮氣流。供應至位于2.2m處的第三進氣口的氮氣，由一質量流量控制器控制。從三個位置(即離平臺入口1m、2.285m和2.785m處)用1/16英寸不銹鋼管抽出氣體樣品送至三個氧分析器。比例、積分和微分增益常數(shù)為0.5、0.02和0.2，在過沖、補償和響應速率等方面來看可給出最佳控制。比例、積分和微分誤差項是按上面所概述的方式編程的，相應的時間平均值是在2.0秒的時間間隔內所作的幾何時間平均值。在中央處理區(qū)(離平臺入口約2.285m處)選定的氧濃度設定值為30ppm。在這樣的情況下，要保持30ppm的氧濃度設定值需要有約135.3升/分的平均流量通過質量流量控制器。
進行了試驗來顯示本發(fā)明較佳實施例的優(yōu)點。例如，實驗發(fā)現(xiàn)保持30.0ppm的氧濃度設定值，需要在第三個進氣口通入流率約為150升/分的恒定氮氣流。在另一個試驗中，PID控制器是以在2.0秒時間間隔內的算術時間值為基礎來編程的。在這后一試驗中，為了保持30.0ppm的設定值，需要通入平均流率約為137.1升/分的氮氣流。
本發(fā)明已參照較佳實施例加以說明，但本領域的技術人員應可理解，可以在不背離本發(fā)明的實質和范圍的條件下，作出各種增加、刪減和變化。
權利要求
1.一種爐子，它包含入口區(qū)和出口區(qū)；位于所述入口區(qū)和出口區(qū)之間的中央處理區(qū)；所述中央處理區(qū)具有至少一個進氣口，以供惰性氣體流入該中央處理區(qū)，然后流向入口區(qū)和出口區(qū)，來防止空氣進入所述中央處理區(qū)；控制裝置，用以把所述惰性氣體輸送至所述至少一個進氣口，輸送的流率足以使空氣至少不能進入所述中央處理區(qū)；該控制裝置響應于一個控制信號，以控制所述惰性氣體的流率；至少第一和第二傳感裝置，位于所述中央處理區(qū)以及入口區(qū)和出口區(qū)中的至少一個之內，分別用以產生至少第一和第二輸出信號，這些信號可對應于所述中央處理區(qū)中與所述入口區(qū)和出口區(qū)中至少一個中的氧濃度；以及PID控制器，該控制器響應于所述的至少第一和第二輸出信號，以產生控制信號，所述PID控制器編程成使積分誤差項等于所述中央處理區(qū)中所述氧濃度的第一時間平均值減去所述氧濃度設定值，而比例誤差項和微分誤差項各等于所述中央處理區(qū)和所述入口區(qū)和出口區(qū)中至少一個中的氧濃度的第二時間平均值減去所述的氧濃度設定值。
2.如權利要求1所述的爐子，其特征在于第二傳感裝置位于所述入口區(qū)內而第三傳感裝置位于所述的出口區(qū)內。
3.如權利要求1或2所述的爐子，其特征在于所述的第一和第二時間平均值各為一幾何時間平均值。
4.如權利要求1或2所述的爐子，其特征在于所述第二和第三傳感裝置包括氧傳感器。
5.如權利要求1或2所述的爐子，其特征在于所述第二和第三傳感裝置包括壓力傳感器。
6.如權利要求1或2所述的爐子，其特征在于所述第二和第三傳感裝置包括速度傳感器。
7.如權利要求1或2所述的爐子，其特征在于至少所述第一傳感器包括氧傳感器。
8.如權利要求7所述的爐子，其特征在于所述的第一和第二時間平均值各為一幾何時間平均值。
全文摘要
一種爐子，例如回流焊接爐，爐內中央處理區(qū)與入口區(qū)和出口區(qū)的氧濃度被直接感測或間接推導出。由這些傳感器產生的信號在一PID控制器內處理，產生一控制信號以控制通入中央處理區(qū)的惰性氣體的流率，從而使空氣至少不能進入中央處理區(qū)。PID控制器被編程成使其積分誤差項等于中央處理區(qū)氧濃度的時間平均值減去所要求的中央處理區(qū)氧濃度設定值。而比例誤差項和微分誤差項等于中央處理區(qū)與入口區(qū)和出口區(qū)二者之一或二者的氧濃度的時間平均值減去氧濃度設定值。
文檔編號F27D99/00GK1157766SQ9611858
公開日1997年8月27日 申請日期1996年11月27日 優(yōu)先權日1995年11月27日
發(fā)明者N·薩克塞納, C·J·普雷西厄斯, P·F·斯特拉頓 申請人:波克股份有限公司