DE3018147A1 - Ofentemperatur-regler - Google Patents

Description

GCA Corporation
Bedford, Massachusetts ol73o V.St-A,

Ofentemperatur-Regler

Die Erfindung betrifft einen Ofentemperatur-Regler und allgemein eine Anordnung zur automatischen Temperatursteuerung für insbesondere ein genaues und glattes Steuern der Temperatur in Vakuumöfen über einem weiten Bereich von Betriebstemperaturen.

Vakuumöfen werden oft für Chargen-Sinterprozesse verwendet, wie z. B. für das "Sintern von Karbiden. Um eine hohe Qualität der Produkte zu gewährleisten, muß das Maß■· oder die Geschwindigkeit, mit dem bzw. der der Ofen aufheizt, sorgfältig gesteuert werden, da selbst kleine Temperaturschwankungen von einem gewünschten Verlauf oder Profil stark die Qualität des fertiggesinterten Produktes verschlechtern können. Bisher ist es schwierig, glatt und genau den Temperaturverlauf in Vakuumöfen über weiten Temperaturbereichen zu steuern, da sich die.Wärmeübertragungseigenschaf ten mit der Temperatur verändern. Insbesondere

65-(038 646)-E

-S-

erfolgt in einem Vakuumofen die Wärmeübertragung zwischen der Ofenkammer und der Last oder Beladung im wesentlichen allein durch Strahlung; Konvektion- und Leitung-Wärmeübertragungsvorgänge sind durch den Vakuumzustand ausgeschlossen. Bei hohen Temperaturen ist die Wärmeübertragung unter den Ofen-Heizelementen, der Last und dem Temperatursensor durch Strahlung sehr wirksam, was eine enge Temperatursteuerung erlaubt. Dies beruht carauf, daß die Wärmeübertragung durch Strahlungsvorgänge proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist. Bei niederen Temperaturen werden dagegen Steuerungsprobleme durch die thermischen Verzögerungen hervorgerufen, die in einem Vakuumsystem vorhanden sind. Diese Verzögerungen beruhen teilweise auf temperaturabhängigen Änderungen der Wärmeübertragung durch Strahlung, des Wärmeverlustes, des Heizelement-Widerstandswertes, der Wärmeeindringung in die Last und der thermodynamisehen Eigenschaften der Last.

Bei niederen Temperaturen können diese thermischen Verzögerungen zu einer unannehmbaren Temperatureinstellung oder -regelung führen, nämlich insbesondere zu einer Schwingung der Ofentemperatur um den gewünschten Temperatur-Einstellpunkt. Sobald insbesondere der Einstellpunkt von einer Programmiereinheit die Ofenkammer-Temperatur überschreitet, verlangt der Regler nach voller Leistung, wodurch der Ofen mit seiner höchsten Geschwindigkeit aufgeheizt wird. Obwohl die Leistung zum Ofen auf Null verringert wird, wenn die Kammertemperatur den Einstellpunkt erreicht, können die dem System anhaftenden thermischen Trägheiten bewirken, daß die Temperatur den Einstellpunkt wesentlich überschreitet. Der Ofen kühlt gegebenenfalls, um den ansteigenden Einstellpunkt zu erreichen, wodurch wieder die volle Leistung zugeführt wird.

030048/0701

3018U7

Auf diese Weise wird ein zyklisches Muster aufgebaut, das fortdauert, bis eine Temperatur erreicht ist, für die die Steuerungsparameter und der Leistungspegel nahezu geeigneter-sind. Selbst wenn weiterhin eine Stabilisierung erreicht ist, können Änderungen in den Prozeßeigenschaften mit sich ändernden niederen Temperaturen bewirken, daß der Regler die Stabilität, verliert.

Bisher wird versucht, mit diesen SteuerungsSchwierigkeiten bei niederen Ofentemperaturen fertig zu werden, indem im wesentlichen zwei Einstellungen von Steuerungsgesetzen vorgesehen werden, nämlich eine Einstellung für niedere Temperaturen und eine andere Einstellung für hohe Temperaturen. D. h., eine Einstellung der Regler-Verstärkungen und ein größter Leistungsp.egel -werden für niedere Temperaturen und eine andere Einstellung von Verstärkungen und einer größten Leistung für hohe Temperaturen gewählt. Diese bisher versuchten Lösungen sind jedoch nicht erfolgreich; das plötzliche Umschalten von einer Einstellung der Steuerungsgesetze zu einer anderen Einstellung kann nicht die angestrebte nachträgliche glatte Aufheizkurve bei niederen Temperaturen bewirken.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Temperatur-Regler anzugeben, der eine glatte und genaue Temperatureinstellung über einem weiten Bereich/erlaubt, flexibler ist, einen glatteren oder gleichmäßigeren Betrieb bietet und gegenüber bisherigen Reglern weniger aufwendig ist.

Der erfindungsgemäße Ofentemperatur-Regler hat zur Lösung dieser Aufgabe eine Programmeinheit zum Erzeugen eines Einstellpunkt-Signales, das die gewünschte Ofentemperatur darstellt, und eine Temperaturfühlereinrich-

*) gewünschter Temperaturen

tung, die auf die Ofentemperatur anspricht, um ein diese Ofentemperatur darstellendes Rückkopplungssignal zu erzeugen. Der Ofen wird durch einen Leistungsregler erwärmt, der die dem Ofen zugeführte Heizleistung abhängig von einem Steuersignal ändert, das in ihn eingespeist ist. Eine auf das Einstellpunkt-Signal und das Rückkopplungssignal ansprechende Einrichtung ist vorgesehen, um ein Abweichungssignal zu erzeugen, das sich abhängig von der Differenz zwischen der Ofentemperatur und der gewünschten oder Soll-Temperatur ändert, das jedoch einen vorbestimmten Höchstwert gleich dem Pegel des Leistungsregler-Steuersignales entsprechend der höchsten Leistung besitzt, die vom Leistungsregler verfügbar ist. Ein auf das Einstellpunkt-Signal und das Abweichungssignal ansprechender Multiplizierer ist im Steuerkreis vorgesehen, um zum Leistungsregler ein Steuersignal mit einem Bereich zu speisen, der sich abhängig vom Einstellpunkt-Signal ändert, um dadurch die Heizleistung, die dem Ofen zugeführt werden kann, abhängig von der Soll-Temperatur zu begrenzen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Multiplizierer im Steuerkreis vorgesehen, um wahlweise die gesamte Schleifen- oder Regelverstärkung zu verringern und die Höchstleistung zu begrenzen, die für den Ofen vom Leistungsregler verfügbar ist.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine auf das Einstellpunkt-Signal ansprechende Signal-Bedingungseinrichtung vorgesehen, um ein Ausgangssignal mit einem begrenzten Bereich zu erzeugen, wobei dieses Ausgangssignal ein Eingangssignal zum Multiplizierer aufweist, um dadurch die gesamte Schleifen- oder Regelverstärkung zu verringern und die größte für den Ofen verfügbare Heizleistung zu begrenzen.

Die Erfindung sieht also einen Vakuumofentemperatur-OS 0 04 8 / 0 7 01

Regler für die stabile Einstellung der Temperatur über einem weiten Temperaturbereich vor. Der Steuerkreis umfaßt einen auf die Soll-Temperatür ansprechenden Multiplizierer/ der die gesamte Schleifen- oder Regelverstärkung und die Höchstleistung, die der Ofen-Heizeinrichtung zugeführt werden kann, abhängig von der Soll-Temperatur abwandelt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Reglers,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der Signal-Bedingungseinrichtung von Fig. 1, und

Fig. 3 den Verlauf eines Steuer-Ausgangssigna-

les in Abhängigkeit von der Einstellpunkt-Temperatur.

In der Fig. 1 erzeugt eine Programmeinheit 10 ein Einstellpunkt-Signal, das den Soll-Temperaturverlauf innerhalb eines Sinterofens 11 darstellt. Der Ofen 11 ist vorzugsweise ein Vakuumofen zum Sintern von z. B. Karbiden.' Ein Temperatursensor 12, vorzugsweise eine Kontaktstelle eines Thermoelementes, liegt im Ofen 11 nahe der zu sinternden Last. Das Ausgangssignal des Sensors 12, das die; Temperatur im Ofen 11 darstellt, wird vom Einstellpunkt-; Signal von der Programmeinheit 10 subtrahiert. Diese Differenz wird dann in einen Signalprozessor 13 eingespeist, um ein Abweichungssignal· zu erzeugen.

Der Signalprozessor 13 wirkt auf das Differenz-Eingangssignal ein, um ein Abweichungssignal mit einem vor-:

18147

bestimmten Höchstwert zu erzeugen. Dieser Höchstwert wird gleich dem Pegel des Steuer-Eingangssignales in einen Leistungsregler 14 entsprechend der höchsten für den Ofen 11 verfügbaren Heizleistung als ein Ausgangssignal vom Leistungsregler 14 gewählt. D. h., unabhängig von der Größe des Eingangssignales in den Signalprozessor 13 ist dessen Ausgangssignal, nämlich das Abweichungssignal, begrenzt. Für Eingangssignale mit kleinem Pegel in den Signalprozessor 13 wird ein lineares Steuerungsgesetz bevorzugt. Z. B. kann der Signalprozessor 13 auf sein Eingangssignal einwirken, um ein Abweichungssignal zu erzeugen, das die Summe aus .einem ersten Term proportional zum Eingangssignal, einem zweiten Term proportional zur zeitlichen Änderung des Eingangssignales und aus einem dritten Term proportional zum zeitlichen Integral des Eingangssignales ist. Die drei Proportionalitätskonstanten sind durch herkömmliche lineare Steuerungssystem-Synthesen gewählt, um eine enge Temperatureinstellung bei hohen Temperaturen von z. B. oberhalb 800 ⁰C zu erzeugen.

Da sich die Dynamik des gesamten Temperatureinstellsystems der Fig. 1 mit der Temperatur verändert, sind der Höchstwert des Ausgangssignales des Signalprozessors 13 und die linearen Proportionalitätskonstanten nicht für eine enge, stabile Einstellung bei niederen Temperaturen von z. B. unterhalb 600 ⁰C geeignet. Wie oben erläutert wurde, führen die thermischen Verzögerungen aufgrund einer geringen Wärmeübertragung bei niederen Temperaturen infolge des Vakuums im Ofen 11 zu einem schwingenden Verhalten der Ofentemperatur. Erfindungsgemäß ist ein Multiplizierer 15 im Steuerkreis vorgesehen, um das vom Signalprozessor 13 abgegebene Abweichungssignal abzuwandeln.

030048/0701

18147

Der Multiplizierer 15 hat zwei Eingangssignale: Das Abweichungssignal vom Signalprozessor 13 und das Ausgangssignal von einer Signal-Bedingungseinrichtung 16. Das Eingangssignal in die Signal-Bedingungseinrichtung 16 ist das Einstellpunkt-Signal von der Programmeinheit 10. Die Signal-Bedingungseinrichtung 16 wirkt auf das Einstell-' punkt-Signal ein, um ein Ausgangssignal· zu erzeugen, das im wesentlichen proportional zur gewünschten oder Soll-Temperatur ist. Die Signal-Bedingungseinrichtung 16 bemißt auch so' ihr Eingangssignal, daß sich ihr Ausgangssignal über einem begrenzten Bereich mit einem Mindest^- wert größer als Null verändert. D. h., selbst bei sehr niederen Temperaturen liegt das Ausgangssignal der Signal-Bedingungseinrichtung 16 über Null. Dieses Merkmal der Signal-Bedingungseinrichtung 16 ist sehr wichtig, um den Ofen von einer niederen Starttemperatur aufzuheizen. Dies beruht darauf, daß das Steuer-Ausgangssignal des Multiplizierers 15 das Produkt aus dem Abweichungssignal und dem Ausgangssignal der Signal-Bedingungseinrichtung 16 ist. Wenn das Ausgangssignal der Signal-Bedingungseinrichtung 16 beliebig klein bei niederen Starttemperaturen werden kann, wird das Steuersignal vom Multiplizierer 15 entsprechend klein, um dadurch die Einspeisung einer ausreichenden Heizleistung zum Beginn des Aufheizens des Ofens 11 auszuschließen. Die Einzelheiten der Signal-Bedingungseinrichtung 16 werden weiter unten im Zusammenhang mit der Fig. 2 erläutert. Es wird bevorzugt, daß das Verhältnis des Höchstwertes zum Mindestwert des in einem begrenzten Bereich liegenden Ausgangssignales der Signal-Bedingungseinrichtung 16 in der Größenordnung von 10 liegt.

Der Multiplizierer 15 wandelt so das Abweichungssignal abhängig von der gewünschten oder So11-Ofentemperatur ab. Insbesondere werden bei niederen Temperaturen die gesamte Steuerkreisverstärkung und die für den Ofen'

030048/Q701

11 verfügbare höchste Heizleistung verringert, was eine glatte und stabile Temperatureinstellung erlaubt. Bei sehr hohen Temperaturen leitet dagegen der Multiplizierer 15 das Abweichungssignal grundsätzlich unverändert.

Wie bereits oben erläutert wurde, soll durch die Erfindung ein Eingangssignal in den Multiplizierer abhängig von der gewünschten oder Soll-Einstellpunkt-Temperatur über wenigstens einen Teil seines Bereiches gesteuert werden. Im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind beide Endpunkte des Bereiches wie die Proportionalitätskonstante innerhalb des Bereiches einstellbar. Diese Einstellungen werden durch die Signal-Bedingungseinrichtung 16 bewirkt, die in Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt ist.

Das die Soll-Temperatur darstellende Signal, d. h. das Einstellpunkt-Signal, liegt von einem-Pufferverstärker A1 über einen Abtastwiderstand R3 am invertierenden Eingang eines Verstärkers A2. Der invertierende Eingangsanschluß dieses zuletzt genannten Verstärkers bildet einen Summier-Knotenpunkt, durch den die verschiedenen Steuersignale eingespeist sind, wie dies weiter unten näher erläutert wird. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers A2 ist geerdet. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers A2 ist durch einen Rückkopplungswiderstand R7 einstellbar. Diese Einstellung erlaubt ein Einstellen der Proportionalitätskonstanten der übertragungsfunktion innerhalb des proportionalen Bereiches des Systems.

Der Ausgang des Verstärkers A2 kann hinsichtlich Erde infolge eines Verstärkers A3 nicht negativ werden. Jede beginnende negative Spannung am Ausgang des Verstärkers A2 bewirkt, daß der Verstärker A3 eine Diode D1 in Vorwärts- oder Durchlaßrichtung vorspannt und dadurch einen

030048/0701

entgegenwirkenden Strom an den invertierenden Eingang des Verstärkers A2 legt. ' ^;

Der positive Hub des Ausgangssignales vom Verstärker A2 ist auch begrenzt, wobei diese Begrenzung durch einen Verstärker A4 bewirkt wird. Ein positives Bezugspotential liegt am invertierenden Eingang des Verstärkers A4 über ein Potentiometer R9. Jede beginnende Auslenkung des Ausgangssignales des Verstärkers A2 über dieses Bezugspotential hinaus bewirkt, daß das Ausgangssignal des Verstärkers A4 die Diode D2 in Vorwärts- oder Durchlaßrichtung vorspannt■und einen gegenwirkenden Strom in den invertierenden Eingang des Verstärkers A2 speist. Es ist so zu ersehen, daß das Ausgangssignal vom Verstärker Ä2 zwischen Erde und eine durch das Potentiometer R9 vorgewählte positive Spannung gezwängt ist, und zwischen diesen Grenzen ist der Verstärkungsfaktor durch Einstellen des Widerstandes R7 vorwählbar.

Die Ausgangsspannung vom Verstärker A2 liegt über einen Bemessungswiderstand R17 am invertierenden Eingang eines Ausgangs- oder Endverstärkers A5. Der Verstärker A5 arbeitet in einer 'invertierenden Betriebsart, wobei . durch einen Widerstand R19 eine Gegenkopplung erzeugt ist. Eine verlangsamende oder filternde Wirkung wird durch einen Kondensator C1 erzeugt. Zusätzlich liegt eine vorwählbare negative Vorspannung am invertierenden Eingang über . einen Widerstand R18.

Da der Verstärker A5 in einer invertierenden Betriebsart arbeitet, ist zu ersehen, daß das größte Ausgangssignal· vom Verstärker A5 erhalten wird, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers A2 bei Null- oder Erdpotential ist. Die gewünschte oder Soll-Temperatur, der dieser größte Verstärkungsfaktor entspricht, kann mittels des Potentiometers R5

eingestellt werden. Dieses Potentiometer legt die Nenn-Gleichvorspannung am Eingang des Verstärkers A2 fest. Diese Einstellung bestimmt so den "Knickpunkt", also den Punkt, bei dem die höchste oder volle Leistung vom Heizsystem erhaltbar ist. Bei geringeren Soll-Temperaturen ändert sich das Ausgangssignal vom Verstärker A2 und somit auch das Ausgangssignal vom Verstärker A5 proportional zum Einstellpunkt-Signal, wobei die Proportionalität durch die Einstellung des Widerstandes R7 bestimmt ist. Der Widerstand R7 bewirkt so eine "abfallende" oder geneigte Einstellung. Die untere Grenze für das Ausgangssignal vom Verstärker A5 wird mittels des Potentiometers R9 eingestellt, das die Höchstspannung am Ausgang des Verstärkers A2 aufbaut. Dieser kleinste Ausgangspegel bestimmt die kleinste Verfügbarkeit an Heizleistung und die kleinste Schleifen- oder Rege!verstärkung, die .bei unteren Einstellpunkt-Temperaturen wirksam ist.

Die gesamte Übertragungsfunktion der Schaltungsanordnung der Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Diagramm ist die die Übertragungsfunktion darstellende Kurve aufgetragen, um die Eigenschaften zu zeigen, die unabhängig durch die verschiedenen Einstellungen geändert werden können, die in der Schaltungsanordnung der Fig. 2 vorgesehen sind. Insbesondere erlaubt das Potentiometer R5 eine Einstellung des "Knickpunktes" oder der niedersten Temperatur für den Höchstwert des Ausgangssignales; das Potentiometer R9 erlaubt eine Einstellung des "Mindest"-Ausgangssignales; der veränderliche Widerstand R7 erlaubt schließlich eine Einstellung der "Neigung" zwischen diesen Werten.

Da das Steuer-Ausgangssignal als eines der Eingangssignale am Multiplizierer liegt, kann gesehen werden, daß die Schleifen- oder Regelverstärkung und die größte für ei-

0300A8/0701

ne Temperaturkorrektur verfügbare Leistung ebenfalls entsprechend dieser übertragungsfunktion verändert werden. D. h., weniger Leistung und eine geringere Schleifen- oder Rege!verstärkung sind bei kleineren Einstellpunkt-Temperaturen verfügbar, wobei dort jeweils ein Mindestpegel vorliegt, so daß die Steuerung während eines anfänglichen Heizens nicht aufgegeben oder verloren wird.

Die Erfindung ermöglicht also einen vorteilhaften Vakuumofentemperatur-Regler, der automatisch ein glattes und stabiles Einstellen bei niederen und hohen Temperaturen bewirkt. . .

Ο3ΌΘ48/0701

Claims (1)

1. Ansprüche

   - einer Programmeinheit, die ein eine Soll-Temperatur darstellendes Einstellpunkt-Signal erzeugt,

   - einer Temperaturfühlereinrichtung, die auf die Ofentemperatur anspricht, um ein die Ofentemperatur darstellendes Rückkopplungssignal zu erzeugen,

   - einem Leistungsregler zum Verändern der dem Ofen zugeführten Heizleistung abhängig von einem am Leistungsregler liegenden Steuersignal, und

   - einer auf das Einstellpunkt-Signal und das Rückkopplungssignal ansprechenden Einrichtung zum Erzeugen eines Abweichungssignales, das sich abhängig von der Differenz zwischen der Ofentemperatur und der Soll-Temperatur ändert, und das einen vorbestimmten Höchstwert gleich dem Pegel eines Steuersignales entsprechend der höchsten vom Leistungsregler verfügbaren Leistung aufweist,

   gekennzeichnet

   durch

   - einen Multiplizierer (15), der auf das Einstellpunkt-Signal und das Abweichungssignal anspricht, um zum Leistungsregler (14) ein Steuersignal mit einem Bereich zu speisen, der sich abhängig vom Einstellpunkt-Signal ändert, um dadurch die Heizleistung zu begrenzen, die zum Ofen (11) gespeist werden kann.

   Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   65-(O38 646)-E

   030048/0701

   - daß der Multiplizierer (1.5) angeordnet ist, um die gesamte Schleifen- oder RegelverStärkung zu verringern und die für den Ofen (11) verfügbare größte Heizleistung zu begrenzen.

   3. Regler nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch

   - eine Signal-Bedingungseinrichtung (16), die auf das· Einstellpunkt-Signal anspricht, um ein Ausgangssignal eines begrenzten Bereiches zu erzeugen,

   - wobei das Ausgangssignal ein Eingangssignal des Multiplizierers (15) enthält, um dadurch die gesamte Schleifen- oder Regelverstärkung zu verringern und die für den Ofen (11) verfügbare größte Heizleistung zu begrenzen.

   •4. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der begrenzte Bereich einen Mindestwert größer als Null aufweist. -

   5. Regler nach Anspruch 3, --■-". dadurch gekennzeichnet,

   - daß das Verhältnis des Höchstwertes zum Mindestwert des begrenzten Bereiches den Wert 10 hat.

   6. Regler nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, . ■ -

   - daß die Temperaturfühlereinrichtung (12) eine im Ofen (11) angeordnete Kontaktstelle eines Thermoelementes aufweist.

   7. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Ofen (11) ein für Sinteroperationen geeigneter Vakuumofen ist.

   030048/0701

   Ofentemperatur-Regler, mit

   einer Programmeinheit, die ein eine Soll-Temperatur darstellendes Einstellpunkt-Signal erzeugt, einer Temperaturfühlereinrichtung, die auf die Ofentemperatur anspricht, um ein die Ofentemperatur darstellendes Rückkopplungssignal zu erzeugen, einem Leistungsregler zum Verändern der dem Ofen zugeführten Heizleistung abhängig von einem am Leistungsregler liegenden Steuersignal, und einer auf das Einstellpunkt-Signal und das Rückkopplungssignal ansprechenden Einrichtung zum Erzeugen eines Abweichungssignales, das sich abhängig von der Differenz zwischen der Ofentemperatur und der Soll-Temperatur ändert, und das jedoch einen vorbestimmten Höchstwert gleich dem Pegel eines Steuersignales entsprechend der vom Leistungsregler verfügbaren größten Leistung hat,

   gekennzeichnet durch

   eine Signal-Bedingungseinrichtung (16), die auf das Einstellpunkt-Signal anspricht, um ein Ausgangssignal mit einem begrenzten Bereich zu erzeugen, und eine Einrichtung zum Erzeugen des Produktes aus dem Abweichungssignal und dem Ausgangssignal, wobei dieses Produkt das Steuer-Eingangssignal in den Leistungsregler (14) bildet, so daß das Steuersignal einen Bereich aufweist, der abhängig vom Einstellpunkt-Signal begrenzt ist, um dadurch die Heizleistung zu begrenzen, die dem Ofen (11) abhängig von der dann gewünschten oder Soll-Temperatur zugeführt werden kann.

   030048/0701