真空爐中超高溫加熱元件的控制方法 蒲　 　 勇 彭學新 　 　 王 慧 ( 南昌大學材料科學研究所 　 330047) 摘 　 : 介紹了電阻溫度系數較大的幾種加熱元件的特性 ,報道了具有通用性的自動 要 分段調壓電路工作原理及調試方法 。該技術主要適用于高電阻溫度系數加熱元件的控制 及保護 ,設計了通用性很好的調整加熱電壓的電路 ,現已成功地應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 。 關鍵詞 : 真空爐 　 電阻溫度系數 　 自動分段調壓 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 ,使用中發現加熱器壽命較短 ,除操作 中人為的因素造成加熱器的損壞以外 , 設備缺 乏必要的控制和保護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化生產的 需要 , 這里設計了自動分段調整加熱電壓的電 路。 2　 自動分段調壓電路工作原理 在真空爐上進行快速的升降溫工藝要用到 超高溫加熱材料 ,另外其他高溫熱處理 、 真空釬 焊、 、 燒結 和一些需要快速升溫的設備中 , 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 阻溫度系數材料 。這些材料的最大特點是 : 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 ℃時是 20 ℃時的 10 倍 左右 , 因而在升溫過程中對其進行控制也帶來 了一定的難度 。常用的辦法 ; 變壓器分段調壓 、 可控硅移相調壓 、 程控斜率升溫等方法 。手動 調節固然簡單 ,但難以適應自動化生產的要求 , 工藝重復性也不好 , 更大的缺點是可能因為誤 如圖 1 電路中 ,在爐溫上升的各個設定點 , 分別設置不同的輸入電壓限制值或將輸入電壓 按一定比例進行分配 ,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設置分段的數量 、 、 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 ,并調整相應的穩壓管或電阻即可 。 4. 電路調試 如圖 1 ,電路信號處理主要由 5 個運放完 成 [1 ] ,由爐溫取樣放大 、 分段點溫度設置 、 輸出 電壓限制或比例設置 、 電壓輸入 、 電壓輸出等五 部分組成 。爐溫取樣放大采用簡單的電壓放大 和偏置電路 , 信號采集可從單獨設置的熱電偶 取得 ,也可直接從控制熱電偶取得 。由于分段 點溫度無須特別精確 , 故電路去除了常用的溫 度補償 。圖中溫度分段點為三段 ,小 U2 、 進 U3 行爐溫與設置點的比較 。電路中 : RI < R2 ,U2 的 +” “ 端設置電壓低于 U3 的 + ” “ 端設置電 壓 。當剛開始升溫時 ,U2 、 均輸出高電平 , U3 Q1 、 導通 ,這時 ,A 點電位被限制在較低的穩 Q2 第一步 ,分段點溫度設置 : 首先要計算好熱 偶信號的放大倍數和計算出各分段點對應的放 大后的電壓值 , 作為分段點電壓設置值 。R1 、 R2 先用電位器代替 , 調整其位置使 U2 、 的 U3 “+ ” 端電壓與計算出的分段點對應的放大后的 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) 設置 : 可以通過分段點的加熱功率除以電阻來計算出 加熱電壓然后選好相應的穩壓二極管或電阻即 可 。也可以將穩壓二極管換成電位器 , 將輸入 調到全開狀態 , 通電在線調節 。注意升溫前應 將電位器調到最小端 ,然后慢慢地調大 ,并測量 加熱器上電壓 , 使之達到計算要求 。最后將電 位器換成相應的穩壓二極管或電阻即可 。 5. 電路的優缺點 定電壓值 1. 8V 左右 ( 穩壓管 1. 1V + Q1 結電壓 0. 7V) 。當溫度升至第一設置值時 ,U2 輸出變 成低電平 ,U3 輸出仍為高電平 ,Q1 截止 . Q2 導 通 ,這時 ,A 點電位被限制在第二個穩定電壓值 3. 5V 左右 ( 穩壓管 2. 8V + Q1 結電壓 0. 7V ) 。 當爐溫繼續升至第二設置值時 ,U2 、 均輸出 U3 低電平 ,Q1 、 截止 , 這時 ,A 點電位等于輸入 Q2 電壓值 。A 點電壓輸出到可控硅觸發電路 , 通 過調整可控硅導通角得到相應的等效加熱電壓 ( 或等效加熱電流) 。 自動分段調壓電路有自動化程度高 、 操作 簡便 、 可靠性高等優點 。但小于自動分段調壓 電路是采用分段限壓 , 對于電阻溫度系數非常 大的鎢 、 鉬等材料來說 , 功率會產生一定的變 化 ,且存在突跳點 ( 如圖 2) 。這樣 , 雖然不會影 響控溫的精度 ,但會引起升溫速率的波動 ( 如圖 2) 。因此該電路用在要求特別精密的斜率升溫 實際應用中 , 可根據不同加熱材料來設置 相應的溫度段和電壓值 , 以得到適當的等效加 熱電壓 。對于用鎢絲加熱的設備來說 , 可分三 等分電壓值控制 , 第一個溫度點設置為 500 ℃, 加 1/ 3 的全電壓 ; 第二個溫度點設置為 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 , 這樣通過調整輸出 Q4 電壓的比例 ( 而不是象 Q3 、 那樣限制最大輸 Q4 出電壓) 來達到調整加熱電壓的目的 。對于負 電阻溫度系數的加熱元件 , 只需將 Q1 、 改為 Q2 上時 ,最好多設置幾個分段點 。 6、 結束語 以上 介 紹 的 兩 種 控 制 電 路 都 已 應 用 在 MOVPE 系統 、 真空釬焊爐及快速熱處理等設備 中 ,效果良好 , 特別是在 MOVPE 系統中采用了 限流方法來控制加熱以后 , 加熱器的壽命得到 了大大的提高 。