CN104391525A - 一种用于间歇式烧结炉的温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于间歇式烧结炉的温度控制系统，将间歇式烧结炉炉膛从上至下均匀分成多个温区；每个温区内安装有一个温区控制子系统；所述温区控制子系统包括四个加热器和一个用于测量该温区温度的热电偶，所述四个加热器分别安装在所述温区的四个侧面内壁上；每两个加热器与一个双路固态继电器连接；所有温区控制子系统的双路固态继电器、热电偶均与PLC控制器的输出端连接。本发明利用调节加热器功率比例的方法，在实际升温或保温过程中根据不同位置温度一致性的差异，相应调节对应加热器的功率，以满足加热区内部各个位置及各时间段温度一致性的工艺要求，保证炉膛内温度的均匀性，且不影响炉膛内产品的摆放空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于间歇式烧结炉的温度控制系统。
背景技术
低温共烧陶瓷（LTCC）烧结工艺是在一定的气氛条件下低温共烧陶瓷（LTCC）产品经历低温排胶和高温致密化的过程，以制造出致密的高强度陶瓷和精细的、高导电率的导体布线，如何实现带料与导体的共烧是烧结工艺的关键所在。低温共烧陶瓷（LTCC）收缩匹配的烧结是建立在浆料和带料相对匹配的前提下，并通过选取科学的烧结方式来实现的。
对于LTCC产品来说，烧结机理较为复杂，烧结工艺参数具体为：加热速率、加热时间、保温时间、降温时间等。将热切后的低温共烧陶瓷生坯放入炉中，完成排胶和烧结工艺。排胶温度一般在400℃～500℃之间，烧结温度一般在800℃～950℃之间。导体浆料使用最多的是金、银、钯银、铜等电阻率低的材料，目前使用最多的是金、银浆料，可在空气气氛中进行烧结。排胶工艺对低温共烧陶瓷基板的质量有着严重的影响，排胶不充分，烧结后基板会起泡、变形或分层；排胶过量，又可能使金属化图形脱落或基板碎裂。低温共烧技术的关键是烧结工艺温度曲线和炉膛温度的均匀性。烧结时升温速度过快，会导致基板的平整度差和收缩率大。炉膛温度的均匀性差，烧结后基板收缩率的一致性也差。
目前，间歇式低温烧结炉的温控为了保证在其工艺烧结温度时（850℃左右）的均匀性，相对于传统常规的控温方式，通常采用串级控温设计方式，此方式理论上能在一定程度解决炉膛均匀性问题，但同时由于炉膛内保温结构的微小差异，热模型非理论对称，且对于梯式间歇式炉膛气流上下的扰动，会造成温度波动很大，在实际应用过程中温度控制难以稳定；同时这种设计方式需多根热电阻丝放置于炉内控温点，必然会影响炉膛内产品的摆放空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种用于间歇式烧结炉的温度控制系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于间歇式烧结炉的温度控制系统，将间歇式烧结炉炉膛从上至下均匀分成多个温区；每个温区内安装有一个温区控制子系统；所述温区控制子系统包括四个加热器和一个用于测量该温区温度的热电偶，所述四个加热器分别安装在所述温区的四个侧面内壁上；每两个加热器与一个双路固态继电器连接；所有温区控制子系统的双路固态继电器、热电偶均与PLC控制器的输出端连接；当控制某一个温区的温度时，该温区的热电偶采集该温区的温度，将热电偶采集的温度与目标温度相减，得到的差值送入PLC控制器中，经PID调节后，得到PID调节后的数值fY，然后利用下式调节该温区四个加热器的功率 ：；其中，；为该温区内第个加热器的额定功率；为比例调节参数，=0～1。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用调节加热器功率比例的方法，在实际升温或保温过程中根据不同位置温度一致性的差异，相应调节对应加热器的功率，以满足加热区内部各个位置及各时间段温度一致性的工艺要求，保证炉膛内温度的均匀性，且不影响炉膛内产品的摆放空间。
附图说明
图1是本发明温度控制系统的控制原理图；
图1中：100-主PID控制器；200~203-比例调节器；300~303-控制值生成器；400-输出加权；500-反馈差分器；
图2是本发明温度控制系统的总结构框图；
图3是本发明一温区温控系统装置组成示意图；
图4是本发明一温区温控系统的电路连接原理图；
图4中：A101：为PID温度控制模块；A102：4路PWM脉冲输出模块；A103：热电偶输入模块；J1、J2：双路固态继电器；E1、E2、E3、E4：加热器；B1：陶瓷热电偶；
图5是箱式炉腔加热器的立体结构示意图；
图6是箱式炉腔加热器温区一主视图；
图5和图6中：101：温区1后侧面的加热器；102：温区2后侧面的加热器；103：温区3后侧面的加热器；104：温区4后侧面的加热器；102：温区1左侧面的加热器；103：温区1前侧面的加热器；104：温区1右侧面的加热器；
图7是低温共烧陶瓷典型的排胶烧结工艺温度曲线图。
具体实施方式
如图2和图3所示，本发明一实施例包括PLC控制器及多个温区控制子系统。PLC控制器负责整个温度曲线过程的内部通讯、参数设置、集中管理等，是单个温区控制子系统的总指挥；温区控制子系统包括PID温度控制模块、4路PWM输出模块、4路固态继电器、4路加热器和反馈用单路热电偶（图4示）或包括PID温度控制模块、4路模拟电流输出模块、4路晶闸管功率控制器（SCR）、4路加热器和反馈用单路热电偶。
PID温度控制模块具有温度设置值、PID参数、实际值输入、模拟输出值等接口，能够通过闭环控制快速响应加热系统。
加热器是根据加热区的形状对称分布，图5、图6是箱式炉膛加热器分布的示意图，温区在垂直方向分布，在同一温区一般在后、右、前、左侧面布置四路独立的加热电阻。
在加热过程中，由PLC设置目标温度和时间，以及各加热电阻的功率分配因子，完成一次完整的烧结工艺过程。图7所示为低温共烧陶瓷典型的排胶烧结工艺温度曲线图，要求产品烧结区的温度均匀性±2.5℃，在工艺调试过程中需要多次微调加热电阻功率因子参数，调节规则是在同一温区内或在各温区间，该区域温度相对于其他区域温度偏高，则适当降低比率参数值；该区域温度相对于其他区域温度偏低，则适当提高比率参数值。
下表1为低温共烧陶瓷工艺运行比例调节参数设置值分配表。一般地，立式炉腔由于气体层流的热效应，顶端区域的加热速率大于底端，在垂直方向加热电阻的功率应从大到小分布，即功率调节的比例参数设置值依次需要从大到小分布。根据实际的测量效果，可适当的改变对应区域加热电阻的功率调节比例参数，需要多次测量与调试，最终可满足低温陶瓷烧结工艺的温度均匀性要求。
表1 比例调节参数设置值分配表
。
Claims (2)
1.一种用于间歇式烧结炉的温度控制系统，其特征在于，将间歇式烧结炉炉膛从上至下均匀分成多个温区；每个温区内安装有一个温区控制子系统；所述温区控制子系统包括四个加热器和一个用于测量该温区温度的热电偶，所述四个加热器分别安装在所述温区的四个侧面内壁上；每两个加热器与一个双路固态继电器连接；所有温区控制子系统的双路固态继电器、热电偶均与PLC控制器的输出端连接；当控制某一个温区的温度时，该温区的热电偶采集该温区的温度，将热电偶采集的温度与目标温度相减，得到的差值送入PLC控制器中，经PID调节后，得到PID调节后的数值fY，然后利用下式调节该温区四个加热器的功率 ：；其中，；为该温区内第个加热器的额定功率；为加热器的比例调节参数，=0～1。
2.根据权利要求1所述的用于间歇式烧结炉的温度控制系统，其特征在于，所述间歇式烧结炉炉膛从上至下分成四个温区。
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