DE3139023A1

DE3139023A1 - Mengenstromregler

Info

Publication number: DE3139023A1
Application number: DE19813139023
Authority: DE
Inventors: James H. 92667 Orange Calif. Doyle
Original assignee: Thermco Products Corp 92668 Orange Calif; Thermco Products Corp
Current assignee: Thermco Systems Inc Orange Calif Us
Priority date: 1980-10-03
Filing date: 1981-10-01
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US4658855A; NL8104478A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mengenstromregler wie er insbesondere im Zusammenhang mit der Zuführung gasförmiger Medien zu einem Diffusionsofen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen von Nutzen iat. !-> Bei der Herstellung von HalbleiterbaueJcmonten werden bekanntlich Diffusionsofen zum Dotieren von Siliziumkristallen oder polykristallinen Siliziumsubstraten mit Elementen der Gruppe III oder der Gruppe V, wie Bor und Phosphor, benutzt. Die Dotierungsmittel und auch die zur Passivierung bzw. zum Korrosionsschutz dienenden Zusammensetzungen werden in den Diffusionsofen durch Gasströme eingeführt. Zu den hierbei verwendeten typischen Gasen gehören Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Silan. Die Konzentration des Dotierungsmittels in dem Silizium muss sehr genau geregelt werden, um Halbleiterbauelemente mit vöraussehbaren und gleichmassigen elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Daher ist es erforderlich, die' dem Diffusionsofen zugeführte Gasmenge genau zu dosieren. Ferner werden manchmal zwei oder noch mehr ^ Gase·in dem Ofen zur Reaktion gebracht. In diesem Falle.müssen genaue stöchiometrische Proportionen zur Gasstrommessung eingehalten werden.

Es sind bereits eine Anzahl elektronischer Systeme mit, Brückenschaltungen bekannt, die aus Konstantstromgeneratoren gespeist werden. .Die Brücken weisen gewöhnlich zwei in oder' in gutem Wärmeleitkontakt mit dem Hauptgasstrom oder einem Zweigstrom davon auf, wobei der eine Widerstand stromaufwärts von dem anderen angeordnet ist. Wenn die Brücke mit Strom gespeist wifd, erzeugen der stromaufwärts und der stromabwärts

angeordnete Widerstand Wärme, die auf das an den Widerständen vorbeiströmende Gas übertragen wird. Der stromaufwärts gelegene Widerstand wird in stärkerem Maße gekühlt als der stromabwärts gelegene Widerstand, wodurch sich eine Spannungs-Verlagerung an der Verbindungsstelle zwischen dem stromauf <.wärts und dem stromabwärts angeordneten Widerstand ergibt. Diese Spannungsverlagerung an der Übergangsstelle wird verstärkt und mit einer Setzpunktspannung "verglichen, um ein Fehlersignal zu bilden, das einem Servoverstärker zugeführt wird, um. ein Dosierungsventil zu steuern.

Die U.S.-Patentschrift 3 372 590 beschreibt einen thermischen Strömungsmesser, bei dem eine Konstantstromquelle mit einem Transistor, dessen Basis mit einer Zenerdiode verbunden und durch diese vorgespannt ist, verwendet wird. Dieser Strömungsmesser liefert jedoch eine Ausgangsspannung, die cino nicht-lineare Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit aufweist.

Die Umgebung, in der ein Mengenstromregier einen Diffusionsofen betrieben werden soll, ist normalerweise mit erheblichent elektrischem Rauschen behaftet. Daher ist es erwünscht, die Ansprechfähigkeit auf hohe Frequenzen einer jeden Regelschaltung zu begrenzen, aber doch eine hinreichend gute Empfindlichkeit für die relativ langsamen Änderungen, die der thermische Fühler erfährt, beizubehalten. Auch der hier beschriebene Mengenstromregler weist einen über eine Zenerdiode vorgespannten Konstantstrcmgenerator auf, dessen Konstantstrom einer Brückenschaltung mit einem strom-

aufwärts gelegenen und einem stromabwärts gelegenen Widerstandsarm in gutem Wärmeleitkontakt zu einer abgezweigten Gasstromleitung zugeführt wird, um auf thermischem Wege die Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstroms in-der Zweig! ι? Hump. festzustellen. Ein Brückenverstärker mit variablem "Verstärkungsgrad von gutem Ansprechvermögen auf Gleichstrom und mini malem Verstärkungsgrad für Hochfrequenz ist mit der Brückenschaltung verbunden, um ein verstärktes Fühlerspannungssignal zu bilden, das die relative Temperat-urdifferenz zwischen dem stromauf und dem stromab, gelegenen Brückenarm in Abhängigkeit von der Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Zweigleitung anzeigt. Der Brückenverstärker enthält eine Rückkopplungsschleife mit einer von dem Benutzer einstellbaren Impedanz zur Herstellung eines von dem Benutzer w'lhlbafoir Verstärkungsgrades des Brückenverstärkers.

Es sind mehrere als Präzisionsbegrenzer ausgebildete Arbeitsverstärker parallel geschaltet. Diesen wird das Ausgangssignal aus dem Brückenverstärker zugeführt. Jeder dieser' Präzisionsverstärker wird während des Zusammenbaues so eingestellt, dass stückweise eine Linearisierung des Brücken-Verstärkersignals erfolgt.

Einem Vergleicher mit begrenzter Hochfrequenzverstärkung werden eine Setzpunktsignalspannung und das stückweise Π:3πο-arisierte Signal zugeführt. Von ihm wird ein Ausgangssignal gebildet, das eine auf die Differenz zwischen dem linearisierten Signal und dem Setzpunktsignal bezogene Amplitude aufweist.

Das Vergleicherausgangssignal wird einem Servoverstärker zugeführt, der ein elektromagnetisches Steuerventil antreibt. Von dem Ausgang des- Servoverstärkers ist eine Rückkopp.lungsschleife mit kapazitiver Reaktanz zu einer Eingangsklemme des Vergleichers geführt, so dass ein -Rückkopplungs signal zu j dem"linearisierten Signal hinzugefügt·wird.

Es ist hauptsächliche Aufgabe der Erfindung,- einen Mengenj stromregier mit einer Einrichtung zur Aufbereitung eines Fühler signals zu schaffen, um ein linearisiertes Signal zu bilden, das der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases im wesentlichen proportional ist.

Der Mengenstromregler soll äusserst genau, aber doch möglichst immun gegen hochfrequentes elektrisches Rauschen 'sein.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beiupioJ uweise n'iher erläutert. Ea zeigen

F i g. 1 ein-Blockschema der Schaltung des Mengenstromreglers gemäss -der Erfindung;

Fig. 2a das Schaltschema eines Teils der Schaltung des Mengenstromreglers und

Fig. 2b das Schaltschema eines weiteren Teils der Schaltung des Mengenstromreglers - *

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Mengenstromregler ist mit einem Konstantstromgenerator 12 versehen, der eine Brückenschaltung I¹I mit Strom speist. Zwei Widerstände l6 und l8 sind im Innern einer Leitungsabzweigung einer Gasstromleitung angeordnet. Die Widerstände l6 und l8 bestehen bei dieser Ausführungsform aus etwa 50'Windungen Widerstandsdraht,

9 9 »

etwa ein Ohm pro Windung, die um das Leitungsabzweigungsrohr in gutem Wärmeleitkontakt mit diesem gewickelt sind, wobei der Widerstand 16 stromaufwärts von dem Widerstand angeordnet ist. Ein Brückenverstärker 20 mit einem variablen Verstärkungsgrad', der von einem Benutzer nach dessen Wahl durch Ändern einer Impedanz "in einem geerdeten Teil einer Rückkopplungsschleife 22 einstellbar ist, ist mit der Brücke 14 verbunden und erzeugt ein Ausgangssignal, das der Änderungsdifferenz des Werts der Widerstände 16 und 18, die durch das an diesen vorbeifliessende Gas verursacht wird, proportional ist. Das Brückenverstärkerausgangssignal wird einem Linearisierungsnetzwerk 24 zugeführt, das aus mehreren Präzisionsbegrenzerkreisen besteht. Das Linearisierungsnetzwerk 24 liefert ein im wesentlichen lineares Potential, das direkt proportional der Gasströmungsgeschwindigkeit ist, an einen Vergleicher 26. Ein von dem Benutzer wählbares Setzpunktpotential, das durch Bewegen des Abgreifers an einem Potentiometer 28 einstellbar ist, wird gleichfalls dem Vergleicher zugeleitet. Das Ausgangssignal aus dem Vergleicher 26 wird einem Servoverstärker 30 zugeführt und. liefert den Antriebsstrom für ein Elektromagnetventil 32, das zum Dosieren der Gasströmung durch die Gasstromleitung dient.

Wie Fig. 2a zeigt, hat der Konstant stromgenerator 12 zwecks Bildung eines Signals mit stabiler Spannung durch die Brücke 14 und Gewährleistung,daß die Signal spannung der Gasstromgeschwindigkeit entspricht, einen Widerstand 40, der an einem Knotenpunkt 42 an eine geregelte Spannungsquelle mit plus 15 V angeschlossen ist. Eine Leitung 44 führt das

Potential von plus 15 V an eine umgekehrt vorgespannte Zenerdiode 46 und die Speiseleitung 48 eines Arbeitsverstarkers Mit dem Widerstand 40 ist ein Widerstand 52 verbunden. Der Widerstand 52 speist die invertierende Klemme 54 des Verstärkers 50. Eine nicht-invertierende Klemme 56 des Arbeitsverstarkers 50 ist mit der Kathode der Zenerdiode 46 und dem Widerstand 58 verbunden, der seinerseits über eine Leitung geerdet bzw. an Masse gelegt ist. Ein geregeltes positives Potential j das durch die Zenerdiode 46 auf 6 V unterhalb des 15 V betragenden .Speisepotentials gehalten wird, wird der nicht-invertierenden Klemme 56 des Arbeitsverstärkers 50 zugeführt. Ein Kondensator 60 liegt in einer Rückkopplungsschleife zwischen einer Ausgangsklemme 62 "des Arbeitsverstarkers 50 und der invertierenden Eingangsklemme 54, um die-Hochfrequenzverstärkung des Arbeitsverstarkers 50 zu begrenzen und dadurch eine Schwingung des Ausgangssignals aus dem Arbeitsverstärker 50 zu verhindern. Der Widerstand 52 begrenzt den Stromfluß zu der invertierenden Klemme 54. Mit der ' Ausgangsklemme 62 und einem Elektrolytkondensator 60 ist ein Widerstand 64 verbunden, um den Stromfluß zur Basis 66 eines PNP Transistors 68 zu begrenzen. Der Emitter 70 des Transistors 68 ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 40 und 52 verbunden. Sein Kollektor 72 ist mit der Brücke 14 verbunden. Der Arbeitsverstärker 50 hat ferner eine durch eine Leitung 75 mit dem Anschlusspunkt 75a für minus 15 V verbundene Speiseleitung 74.

■ Die Brücke 14 enthält die Widerstände l6 und l8, welche zwei ihrer Brückenarme bilden. Ein Pestwiderstand 76 ist mit

dem Widerstand l6 und dem Kollektor 72 des Transistors 68 verbunden. Ein Festwiderstand 78 ist mit der Erd- oder Manceleitung 59 und mit dem Widerstand 18 verbunden. Ein Potentiometer 80 ist zwischen die Widerstände 76 und 78 geschaltet. Das Potentiometer 80 dient zum Abgleichen des Brückenver- . stärkers 20 bei der Eichung der Gesamtanordnung. Der Abgreifer 82 des Potentiometers 80 ist mit der invertierenden Klemme 84 des Brückenverstärkers 20 verbunden. Der Brückenverstärker 20 enthält einen Arbeitsverstärker 86 mit einer . 10 nicht-invertierenden Klemme 88, die über einen Festwiderstand 90 mit einem Knotenpunkt 92 zwischen den Widerständen 16 und l8 verbunden ist.

Wenn Gas durch die Zweigrohrleitung fliesst, wird die von den Widerständen 16 und 18 erzeugte Wärme auf das Gas übertragen. Da das Gas an dem zustromseitigen Widerstand 16 kühler ist als an dem abstromseitigen Widerstand 18, wird . der zustromseitige Widerstand 16 bevorzugt gekühlt und hat daher einen niedrigeren Widerstandswert, der die Spannung an der Verbindungsstelle der Widerstände 16 und l8·gegenüber der Spannung an der Verbindungsstelle der Widerstände 76 und 78 ansteigen lässt. Je.rascher die Gasströmung, um so grosser die Temperaturdifferenz zwischen den Widerständen l6 und' Bei sehr hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten aber ist die Differenz der Kühlwirkung nicht mehr feststellbar. Es muss' dann ein anderes Meßsystem für die Gasstromgeschwindigkeit angewendet werden als das hier beschriebene.

■ Die relative Veränderung der Werte der Widerstände l6 und 18 verursacht ein Ungleichgewicht der Brücke 14 und eine

Spannungsdifferenz am Eingang der Klemmen 8*1 und 88 des Arbeitsverstärkers 86₃ jedoch hat diese Spannungsdifferenz keine lineare Beziehung zur Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Zweigrohrleitung. Da es erforderlich ist, für eine sehr genaue Einstellung der Gasströmgeschwindigkeiten zu sorgen, wird die von der Brücke 14 hervorgebrachte Spannungsdifferenz durch den Verstärker 86 stark angehoben. Diese angehobene Spannung erscheint an der Ausgangsklemme 92 des Verstärkers. Der Verstärker 86 ist als Differentialverstärker ausgebildet, zwischen dessen nicht-invertierender Klemme 88 und. Masse oder Erde ein Widerstand 94 liegt. Parallel zu dem Widerstand 94 ist ein Elektrolytkondensator 96 angeordnet. Der Elektrolytkondensator 96 und der Widerstand 94 bilden 'eine Ableitung niedrigen Widerstandes für hochfrequentes Rauschen, das anderenfalls durch den Arbeitsverstärker 86 verstärkt würde". . ■

Es kann davon ausgegangen werden, dass die Umgebung des Diffusionsofens, in welcher der Mengenstromregler betrieben wird, stark mit elektrischem Rauschen behaftet ist. Es ist wichtig, dieses Rauschen soweit wie irgend möglich 7.U beseitigen. Ein .Elektrolytkondensator 98 mit derselben Kapazität wie der Elektrolytkondensator"96 und ein Widerstand 100 mit dem gleichen Widerstandswert wie der Widerstand 94 sind parallel zueinander in einer Rückkopplungsschleife 101 zwischen der invertierenden Klemme 84 und der Ausgangsklemme 92 des Arbeitsverstärkers 86 angeordnet. Der Elektrolytkondensator 98 und der Widerstand 100 begrenzen gleichfalls das Ansprechen auf Hochfrequenz oder die Band-

.- 13V?

breite des Arbeitsverstärkers 86, um eine Verstärkung unechter Rauschsignale zu verhindern. In der Rückkopplungsschieife sind ferner ein Festwiderstand 102 und ein Teil des Potentiometers 10*1 enthalten. Da der Betrag.des Widerstands des Potentiometers 10*1 in der Rückkopplungsschleife 101 vom Benutzer wahlweise durch Einstellen eines Abgreifers 106 · steuerbar ist, kann der Bcmutaer eelbnt den um Brüektjnvrrstärker 20 erwünschten relativen Verstärkungsgrad einstellen. Das Potentiometer 104 ist mit einem Pestwiderstand 108 verbunden, der gleichfalls mit der Erd- oder Masseleitung 59 verbunden ist.

Das Ansprechen des elektrischen Stromkreises erfolgt bedeutend flinker als das thermische Ansprechen der Brücke 1*1. Das relativ träge Ansprechen der Brücke 1*1 wird verursacht durch die Temperaturträgheit der Fühlerwiderstände 16 und Wenn sich also die Gasströmungsgeschwindigkeit ändert, ändert sich die Spannungsdifferenz an den Klemmen 8*1 und 88 nicht sofort. Um die Temperaturträgheit zu kompensieren, ist ein Elektrolytkondensator 110 mit dem Kondensator 98 und dem Widerstand. 100 verbunden. Mit dem Elektrolytkondensator 110 und der Erdleitung 59 ist ein Widerstand 112 verbunden. Die 'Kombination des Elektrolytkondensators 110' und des Widerstandes 112 sorgt für eine Zeitverschiebung des von dem Arbeitsverstärkers 86 gelieferten Signals und kompensiert die Temperaturträgheit der Brücke 1*1.

Eine gemeinsame Erd- oder Masseleitung 113 ist mit der Leitung 59 verbunden. Zwischen der Leitung 113 und der Speiseleitung für minus 15 V₅ die mit der Leitung 75 verbunden

- ΐ4· -

■■ ·

• ist und an dem Knoten 75a endigt _s liegen zwei Filterkondensatoren 114 und 115· Ein zweites Paar Filterkondensatoren 117 und 118 liegen zwischen der gemeinsamen Leitung 113 und der plus 15 V führenden Speiseleitung 119, die an einem ■ Knotenpunkt 120 an eine Quelle geregelter Gleichspannung mit plus 15 V angeschlossen ist. Die Leitung 119 ist auch mit der Leitung 42 verbunden. Die Kondensatoren 114 und 117 sind Elektrolytkondensatoren. Eine Leitung 122, die mit der Leitung 75 verbunden ist, speist einen Widerstand 124 mit minus 15 V. Eine Zenerdiode 126 liegt zwischen dem Widerstand und der Erdleitung 59, um für eine Speiseleitung 128 ein geregeltes Potential mit minus 6 .V Gleichspannung zur Verfugung zu stellen. Das Linearisierungsnetzwerk 24 enthält vier Präzisionsbegrenzerkreise.

.1 ^ri Ein erster Präzisionsbegrenzerkrein 130_s der hier auch als der 25 %-Präzisionsbegrenzer bezeichnet werden mag ₃ weist einen Arbeitsverstärker 132 auf₃ dessen eine, nichtinvertierende Klemme 134 mit Erde verbunden ist und dessen andere, invertierende Klemme Strom von einem Widerstand 138, der mit der Leitung 93 und einem Widerstand l40 verbunden ist j zugeführt erhält. Der Widerstand l40 wird über die Leitung 129 mit dem negativen Potential von minus 6 V gespeist. Der Widerstand I38 wird mit dem Ausgangssignal aus dem Brückenverstärker gespeist. Ein Rückkopplungswider-

}",i stand I'll? ist mit der Verbindungsstelle der invertierenden Klemme 136.und des Widerstandes 138 verbunden. Eine Diode 144 ist mit dem Widerstand 142 und einer Verbindungsstelle der Ausgangsklemme 146 des Arbeitsverstärkers 132 und einer

Diode 148 verbunden. .Die Diode 148 ist mit der Verbindungsstelle der invertierenden Klemme 136 und des Widerstandes · l4o"verbunden. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform haben die Widerstände I38 und 142 Widerstandswerte von je 100 Kiloohm, wogegen der Widerstand l4o einen Wert von 499. Kiloohm hat. Der Verstärker 132 invertiert, das Brüekenverstärkersignal, wenn es den Betrag von 1,25 V überschreitet. Unterhalb von 1,25 V ist die Punktdiode 144 rückwärts vorgespannt und die Diode 148 vorwärts vorgespannt, so dass sie beide Enden des Widerstands 142 auf Erdpotential halten und praktisch den Verstärker 132 aus der Schaltung entfernen, so dass kein Ausgangssignal gebildet wird. Der Verstärkungskurvenbruchpunkt·für den Verstärker 132 liegt bei dieser Ausführungsform bei 1,25 V. ■

Das Ausgangssignal aus dem Brückenverstärker 20 wird so gewählt, dass es im Gesamtbereich der intereüiucronden Gasströmungsgeschwindigkeiten zwischen 0 und,plus· 5 V veränderlich ist. Somit tritt der Bruchpunkt des Verstärkers 132 bei etwa 25 % der vollen Strömungsgeschwindigkeit auf.

Ein zweiter Präzisionsbegrenzer 150, der auch als '50 %-Präzisionsbegrenzer' bezeichnet werden kann, hat einen Arbeit sverstärker 152, dessen nicht-invertierende Eingangsklemme 154 mit der Erdleitung 59 verbunden ist und eine invertierende Eingangsklemme 156, die mit dem Verbindungspunkt eines Widerstands I58 und eines -Widerstands 160 verbunden ist. Ein Widerstand l62. liegt in einer Rückkopplungsschleife des Verstärkers 15k zwischen dem Verbindungspunkt der Eingangsklemme 156 und des Widerstandes I58 einerseits und einer

Diode l64 andererseits. Die Diode 164 ist mit einer Ausgangsklemme 166 des Arbeitsverstärkers 152 verbunden. Eine Diode 168 ist mit dem Verbindungspunkt der Diode 164 und der Ausgangsklemme l66 verbunden. Die Diode 168 liegt zwischen der Verbindungsstelle des Widerstands l60 und der invertierenden Eingangsklemme 156. Der Widerstand 158 empfängt das Brückeriverstärkersignal von der Leitung 93. Der Widerstand 160 empfängt das geregelte Potential von minus 6 V über die * Leitung 129·. · ■ [

Bei dieser -Ausführungsform haben die Widerstände 158 ; und 162 je den Wert 100 Kiloohm, wogegen der Widerstand I69 ein solcher mit 249 Kiloohm ist. Der Arbeitsverstärker 152 invertiert das Brückenverstärkersignal, solange die BrückenverStärkerausgangsspannung grosser ist als plus 2,50 V. Wenn das Brückenverstärkersignal weniger beträgt als plus

2,50 V, ist die Diode 164 in einen Blockieruhgszustand rückwärts vorgespannt, wogegen die Diode I68 vorwärts vorge-. spannt ist, so dass das Ausgangssignal von dem Arbeitsverstärker 152.eliminiert und praktisch aus dem Stromkreis entfernt ist. Somit liegt der Verstärkungskurveribruchpunkt ' für den Präzisionsbegrenzer 150 bei plus 2,50. V, was bei ■ dieser Ausführungsform einer idealen Gasstromgeschwindigkeit von 50 % entspricht.

Ein dritter Präzisionsbegrenzer 150, der hier auch als 75 #-Präzisionsbegrenzer bezeichnet.werden kann, hat einen ■ Arbeitsverstärker 172 mit einer nicht-invertierenden Eingangsklemme 174, die geerdet ist und einer invertierenden Eingangsklemme 176, die mit dem Verbindungspunkt eines Wider-

139023

Stands 178 und eines Widerstands l80 verbunden ist. Ein Rückkopplungswiderstand 182 ist mit der Verbindungsstelle des Widerstands 178 und der invertierenden Klemme I76 verbunden. Eine Diode 18¹J ist mit dem Widerstand 182 verbunden. line Ausgangsklemme I86 des Arbeitsverstärkers 172 ist mit. der Diode 184 verbunden. Eine Diode I88 ist mit dem Verbindungspunkt der Diode 18¹J und der Ausgangsklemme I86 verbunden, Die Diode I88 ist mit dem Verbindungspunkt des Widerstands 180 und der invertierenden Eingangsklemrne ΐγ6 verbunden. Dor Widerstand 178 nimmt das Brückenverstärkersignal aus der Leitung 93 auf, während der Widerstand I80 das geregelte Potential von minus 6 V aus der Leitung 129 empfängt. Solange das BruckenverStärkerpotential über plus 3,75 V bleibt, in-• vertiert der Arbeitsverstärker 172 das Brückenverstärkersignal. Wenn das BruckenverStärkerpotential geringer ist als plus 3,75 V, ist die Diode 184 rückwärts vorgespannt, die Diode 188 vorwärts vorgespannt und der Arbeitsverstärker bildet kein Ausgangssip;na3 , ao dass dieses praktisch aur, dem Stromkreis entfernt ist. Mit anderen Wortrti, dur Vc?j·- stärkungskurvenbruchpunkt für den Präzisionsbegrenzer 170 liegt bei plus 3,75 V, was 75 % der maximalen Spannung entspricht. Die durch den 3,75 V Bruchpunkt und die invertierende Verstärkung 1 gegebenen Paktoren werden bestimmt durch die Widerstandswerte des Widerstands 178 mit 100 Kiloohm, des Widerstands 182 mit 100 Kiloohm und des Widerstands 180 mit 165 Kiloohm.

Um Korrekturfaktoren über den gesamten Bereich der interessierenden Strömungsgeschwindigkeiten zu schaffen,, hier ·

• · · t

bei einer Spannung zwischen O und 5 Y, ist ein Arbeitsverstärker 200 vorgesehen, der als invertierender Verstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 ausgebildet ist. Ein Widerstand 202 ist zwischen die Leitung 93 und eine invertierende Klemme 204 des Arbeitsverstärkers 200 geschaltet. Der Arbeitsverstärker 200 hat auch eine nicht-invertierende Klemme 206 und eine Ausgangsklemme 208. Ein Rückkopplungswiderstand 210 liegt zwischen der invertierenden Klemme 204 und der Ausgangsklemme 208. Bei dieser Ausführungsform haben die Widerstände. 202 und 210 gleiche Widerstandswerte- von 100 KiIo^ ohm. Das Verstärkersignal wird von der Ausgangsklemme 2O8 über einen Widerstand 212 zu einem Summierungspunkt 213 geführt. · -

Sämtliche Verstärker 132, 152, 172 und 200 weisen invertierende Funktionen mit dem Verstärkungsgrad 1 auf. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht darin,, dass die Verstärkerkurve für den Verstärker 132 bei plus 1,25 V, für den Verstärker 152 bei plus 2,50. V und für den Verstärker 172 bei plus 3,75 V einen Knick aufweist. Der volle Skalenmess-■20 bereich von 0,00 bis 5,00 V wird durch den Verstärker 200 abgedeckt.

Um für eine abschnittsweise, lineare Kompensation zu ' sorgen, werden die Widerstandswerte für einen mit der Ausgangsklemme jedes der Präzisionsbegrenzerkreise verbundenen Ausgangswiderständes entsprechend gewählt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Ausgangswiderstand von jedem der Präzisionsbegrenzerkreise benutzt, um die Eingangs- oder Ausgangsseite des im vollen Skalenbereich invertierenden Ar- ■

• · 4 β * * et 4

Cf _' » »6k·«·

.7 · · ·«· (»ft (« _tt, _ό „,

39023

beitsverstärkers 100 je nach der Polarität der Korrektur- , spannung zu speisen. Wenngleich zur Eichung .im vorlje^cnclcn Falle die Strömungsgeschwindigkeitspunkte von 25 %_s 50 % und 75 % gewählt wurden, so ist es doch möglich, noch zusätzliche Präzisionsbegrenzer in Parallelschaltung zu verwenden, um beliebig viele Einstell- oder Eichpunkte längs der Strömungsgeschwindigkextskurve zu erhalten.

Die Korrekturfaktoren werden bei dieser Ausführungsform von den Widerständen 214 und 218 an dem Summierungspunkt 213 zusammengeführt, der über eine Leitung 222 an der invertierenden Eingangsklemme 224 eines Arbeitsverstärkers 226 liegt. Der Arbeitsverstärker 226 hat auch eine' nicht-invertierende Eingangsklemme 228, die mit der Erdleitung 59 verbunden ist, und eine Ausgangsklemme 230, die mit einem Rückkopplungs-

■15 widerstand 232 verbunden ist. Der Rückkopplungswiderstand '232 Ist über eine Leitung 234 mit der invertierenden Klemme 224 eines Arb.eitsverstärkers 230 verbunden. Die Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 214 und 218 bestimmt in Verbindung mit dem Wert des Rückkopplungswiderstandes 232 den Ver- Stärkungsgrad für die Spannungen, die über diese Widerstände dem Summierungspunkt 213 zugeführt werden. Wonngleich hol dieser Ausführungsform die Widerstände 214 und 218 als mit dem Eingang des Verstärkers 200 verbunden gezeigt sind, während der Widerstand 216 mit dem Eingang des Verstärkers 226 verbunden ist, so können doch auch die 'Eichmessungen in anderen Fällen andere Verbindungskombinationen erfordern, unreine abschnittsjwei.se Linearität des Signals zu erzielen.

Das von dem Verstärker 200 über den Widerstand 213 zugeführte Signal wird durch den Arbeitsverstärker 226 invertiert und zu dem Signal aus dem Widerstand 216 hinzugefügt.

Mit der Ausgangsklemme 230 ist eine Leitung 236 verbunden, in der ein 100 Ohm Widerstand 238 liegt. Das ganze' zu dem Zweck, die Ausgangsspannung aus dem Linearisierungsnetzwerk 24 von aussen her' zu überwachen. Das linearisierte Spannungssignal wird über einen Widerstand 240 der invertierenden Eingangsklemme 242 eines Vergleichers zugeführt, der aus einem Arbeitsverstärker 246 besteht. Dieser hat ausserdem eine nicht-invertierende Klemme 248 und eine Ausgangsklemme 250.. Zwischen der Eingangsklemme 242 und der Ausgangsklemme 25-0 liegt ein Kondensator 252.'Eine äussere Setzpunktsignal spannung, wird über eine Leitung 254 mit einem Wider-IT; stand 256 an eine Leitung 258 gelegt, die mit der Eingangsklemme 248 verbunden ist. Ein Pilternetzwerk mit einem Widerstand 262 und einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator 264 liegt zwischen dem Widerstand" 256 und der Erdleitung 59 zwecks Begrenzung des Ansprechens des Arbeitsverstärkers 246.auf Hochfrequenz, indem hochfrequente Rauschsignale vorwiegend nach Erde abgeleitet werden und nur die Zuführung des Gleichstromsetzpunktsignals zu dem nicht-invertierenden Eingang 248 des Arbeitsverstärkers 246 zugelassen wird.

Das Signal aus dem Vergleicher 30 wird einem zwischen . der Ausgangsklemme 250 und dem Servoverstärker· 30 liegenden Widerstand 270 zugeführt. Das Signal wird an die Basis 274 eines NPN Transistors 272 geleitet. Der Kollektor 276 des

Transistors 272 sowie dessen Emitter 278 sind in einer ■Darlington-Schaltung mit einem PNP Leistungstransistor verbunden. Die Basis 282 des Transistors 280 ist mit dem Kollektor 276 verbunden. Der Emitter 28'I liegt an einer . Speiseleitung 294. Der Kollektor 286 ist über einen schwin-· gungsunterdrückenden Kondensator 288 mit dem Emitter 278 des Transistors 272 verbunden. Ein Vorspannwiderstand 290 ist mit der Verbindungsstelle des Emitters 278 und des Kondensators 288 verbunden. Eine Transistorschutzdiode 292 liegt zwischen Basis 274 und Emitter 278 des Transistors 272, um eine Beschädigung des Basis-Emitter-Ubergangs des Transistors 272 durch Rückwärtsvorspannung zu verhindern. Der Transistor 280 wird über den 'Emitter 284 aus dor Speiseleitung 294 mit Leistung gespeist, die an eine äussere Quelle geregelter Gleichspannung von plus 12 V angeschlossen ist. Ein Pilterkondensator 296 liegt zwischen dem Emitter 284 und der Erdleitung 59, um hochfrequente Signale von der Servoverstärkerspeiseleitung abzuleiten. Der Kollektor ist mit einer Rückkopplungsschleife 298 und auch mit einer Ventilsteuerleitung 300 verbunden. Eine umgekehrt vorge- ' spannte Diode 302 ist ebenfalls mit der V'entilsteuerleitung 300 verbunden, desgleichen zwei Klemmen 304 und 306 ■ auf entgegengesetzten Seiten der Diode. 302.

Das Steuerventil 32 (Fig. 1) ist ein an sich bekanntes elektromagnetisches Steuerventil, das zum Steuern der Gasströmung in- den Diffusionsofen dient. Die Menge des über den Emitter-Kollektor-Ubergang des Transistors 284 fliessenden Stromes bestimmt das Ausmaß der Ventilöffnung des Steuer-

■ * 22 ^

ventils 32, das an die Klemmen 304 und 306 (Fig. "2b") angeschlossen ist.

Das von dem Vergleicher 246 kommende Signal wird durch ■" den Transistor 272 verstärkt und steuert die Grosse des durch den Leistungstransistor 280 fliessenden Stromes. Die Grosse des dem die Strömung steuernden Ventils 32 zugeführten Stromes wiederum bestimmt die Gasströmungsgeschwindigkeit in der Gashauptleitung. Um die Möglichkeit einer Beschädigung des Leistungstransistors 280 zu vermeiden oder kleinzuhaltenj ist die Diode 302 umgekehrt vorgespannt, so dass, ein Stromfluß durch diese Diode stattfinden kann, wenn das magnetische Feld des Elektromagneten bei Wegnahme der Leistung zusammenfällt. Zwischen der Diode 302 und dem Widerstand 290 liegt ein schwingungsunterdrückender Kondensator

1!3 310. Er erfüllt die gleiche Funktion wie der Kondensator 288.

Die Rückkopplungsschleife 298 enthält einen Kondensator 320 in Reihenschaltung mit einem-Widerstand 322. Der Widerstand 322 ist mit dem invertierenden Eingang 242 des Vergleiehers 246 verbunden. Infolge des Umstandes, dass der Vergleicher 246 in grösserem Maße als erwünscht auf hochfrequente Komponenten ansprechen kann, die über den Widerstand 240 zugeleitet werden, ist in der Rückkopplungsschleife .?9Ö c? j η Kondensator 252 vorgesehen, um die Bandbreite oder Hochfrequenzverstärkung des Arbeitsverstärkers 246

25· zu begrenzen. Es ist daher wünschenswert, die Rückkopplungsschleife 298 zu benutzen,- um die Grosse der direkt dem Steuerventil 32 zugeführten Leistung so zu steuern, dass das Ventil relativ langsam arbeitet .Dias is.t vor allem wegen der

** ft

» ce·

in anderen Teilen des Systems vorhandenen thermischen Verzögerung wünschenswert. Die Rückkopplungsschleife ?^CJS mit ihrem Kondensator 320 behandelt den Vergleicher 2^J-f6, den Transistor 272 und den Transistor 280 so wie einen-einzigen Verstärker mit einer 12 Dezibel pro Oktave betragenden Verstärkerkurvenabwicklung (rolloff = Abwicklung). Der Kondensator 320 wird zu der Rückkopplungsschleife hinzugefügt ₃ um die Schaltung daran zu hindern, um den Abwicklungsknick (rolloff breakpoint) herumzuschwingen.-Durch die Erfindung wird ein Mengenstromregler geschaffen, der auf besonders kleine Änderungen der Gasströmungsgeschwindigkeit in einem Rohr empfindlich anspricht. Das Linearisierungsnetzwerk sorgt für eine lineare Korrektur an einer Anzahl von Punkten längs einer Strömungsgeschwindig-

l^r>- keitskurve, um zu gewährleisten, dass die dem Vergleicher zugeführte Spannung linear proportional der Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dem Rohr ist. Der Vergleicher 246 spricht auf jegliche Änderungen der Grosse des Fehlersignals für die Geschwindigkeit des durch das Rohr strömenden Gases sehr flink an. Die Kondensatoren 252 und 320 begrenzen die HochfrequenzverStärkung des Verstärkers 2^6 sowie des Servoverstärkers, um das Steuerventil zu veranlassen, seine ■ Stellung relativ langsam zu ändern, um ein Uberschiesse.n des Steuerventils zu verhindern.

Leerseite

Claims

·· · · ·· .. . ο ι ο y υ α ό

U I PL.-I NG. J. RICHTER *··* ·"· .:.'..'ρ Α.Τ*&*ΛΙ TANWA LT ΐ:

DIPL.-ING. F. WERDERMANN

ZUSEL. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO · MANDATAIHEt. Ar.Rt'l'.S PRtI₁ I ¹OlH

eOOO HAMBURG 36 3 O 9 81

NEUER WALL 1O

°g (O 4O) 34 OO 45/34 OO 56

TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

TELEX 2163 551 INTU D

„u. T.K68Ü-I-81H96"

Wdm/le

Anmelder:

.THERMCO PRODUCTS CORPORATION,
1465 North Batavia, Orange, Kalif. 926'68 (V.St.A.)

Mengenstromregler. ■
Patentansprüche:

ί 1/yMengenstromregler, dadurch gekennzeichnet, dass er eine thermische Fühlereinrichtuhg, die eine der Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstroms durch ein Rohr entsprechendes Fühlersignal liefert, das einer Verstärkereinrichtung zugeführt und in dieser vorstärkt wird, und eine Linearisierungseinrichtung mit mindestens einem variablen Verstärkerelement aufweist, dessen Verstärkungsgrad durch eine Amplitude des verstärkten Signals bestimmt wird, dass das variable Verstärkerelement das verstärkte Signal zu einem linearisierten Signal verarbeitet, das der Geschwindigkeit des Gasstromes proportional ist, und dass eine Vergleichervorrichtung vorgesehen ist,· in der das linearisierte Signal mit einem Setzpunktsignal verglichen und

.a.

in Abhängigkeit davon ein Kommandosignal erzeugt wird, das von einem Servoverstärker aufgenommen wird, der ein den Gasstrom in Abhängigkeit hiervon dosierendes Gasstromventeil steuert.

5· 2. Mengenstromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Fühleinrichtung eine Brückenschaltung mit zwei Widerständen aufweist, von denen der eine in gutem Wärmeleitkontakt mit dem zustromseitigen Teil und der andere in gutem Wärmeleitkontakt mit dem abstromseitigen Teil des durchströmten Rohres steht, und dass die durch den Gasstrom bewirkte unterschiedliche Kühlung eine Brücken-

■ Spannungsverschiebung verursacht, die das Fühlersignal hervorbringt .

3. Mengenstromregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke zur Kleinhaltung von Fehlern bei der Abfühlung der Geschwindigkeit des Gasstromes mit. elektrischem Strom aus einem Konstantstromgenerator gespeist wird.

h. Mengenstromregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- · zeichnet, dass das variable Verstärkerelement der Linearisierungseinrichtung ein Arbeitsverstärker mit mindestens

■ einer in einer Rückkopplungsschleife angeordneten Diode ist.

5. Mengenstromregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsverstärker noch eine zweite, in ' einer zweiten Rückkopplungsschleife angeordnete. Diode enthält, und dass der Arbeitsverstärker ein Signal mit einer ersten Amplitude in Abhängigkeit von dem verstärkten Signal in einem ersten Amplitudenbereich und ein Signal mit einer

zweiten Amplitude in Abhängigkeit von dem verstärkten Signalin einem zweiten Amplitudenbereich erzeugt.

6. Mengenstromregler nach einem der Ansprüche 1, h und. 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearisierungseinrichtung mindestens einen als Präzisionsbegrenzer ausgebildeten Arbeitsverstärker mit zwei in Rückkopplungsschleifen angeordneten Dioden aufweist, der in einem ersten Amplitudenbereich des verstärkten Signals kein Ausgangssignal, und in einem zweiten Amplitudenbereich des verstärkten Signal:.*- «'in ■10 invertiertes Ausgangssignal erzeugt, und dass die Vergleichervorrichtung eine Amplitude des linearisierten Signals mit einem Setzpunkt signal vergleicht und ein Kommandosignal in Abhängigkeit davon liefert, das von dem Servoverstärker aufgenommen wird, der in Abhängigkeit hiervon ein den Gasstrom dosierendes Gasstromventil steuert.

7· Mengenstromregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Fühleinrichtung eine von einem Konstantstromgenerator gespeiste Brückenschaltung mit zwei in gutem Wärmeleitkontakt mit dem Gasstrom stehenden Wider-Standselement aufweist.

8. Mengenstromregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein Differentialverstärker, ist. .

9, Mengenstromregler, gekennzeichnet durch

einen Konstantstromgenerator, von dem ein geregelter Heizstrom einer Thermobrücke zugeführt wird, welche zwei in gutem Wärmeleitkontakt mit einem Zweigrohr einer Gashauptleitung stehende Widcr-nt/inde aufweint, durch die W'lriric· .-πι Ι"

ο ι ο y υ δ. ο

den Gasstrom in dem Zweigrohr übertragbar ist, einen an die Thermobrücke geschalteten Differentialverstärker zum Messen einer an dieser auftretenden, durch Änderungen des Werts der Widerstände infolge der Gasstromgeschwin-"5 digkeit verursachten Fühlerspannung, der in Abhängigkeit von der Fühlerspannung ein verstärktes Signal erzeugt, eine Signallinearisierungseinrichtung mit mehreren Präzisionsbegrenzern, von denen jeder eine solche Verstärkungscharakteritstik aufweist, dass er, wenn das verstärkte Signal in einem vorbestimmten ersten Amplitudenbereich liegt, ein Ausgangssignal liefert und, wenn das verstärkte Signal·in einem vorbestimmten zweiten Amplitudenbereich liegt, kein Ausgangssignal liefert,

wobei die Ausgangssignale aus den Präzisionsbegrenzern mit dem Brückenverstärkersignal kombiniert werden und ein linearisiertes Signal mit einer Amplitude bilden, die der Gasstromgeschwindigkeit im wesentlichen proportional ist, und wobei eine Arbeits.verstärker-Vergleichereinrichtung vorgesehen ist, dur.ch die eine Amplitude des linearisierten Signals mit einem Gleichstrom-Setzpunktsignal verglichen und in Abhängigkeit hiervon ein Befehlssignal erzeugt wird, das einem Servoverstärker zugeführt wird, der ein den Gasstrom in Abhängigkeit hiervon dosierendes Gasstromventil steuert.