专利名称：气体多元共渗控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型与氮化、氮碳共渗、渗碳与碳氮共渗炉的气氛与温度控制系统有关。
背景技术：
已有的氮化与氮碳共渗炉的氮化与氮碳共渗气氛工控机控制系统，采用的传感器是气体成分红外分析仪或导氢仪，执行器是伺服电机或电磁阀，采出的信号一般是与单板机或工控机连接再转换，存在的问题是对氮碳共渗等工艺难于有效进行气氛控制储原因是采用CO2气体要有碳酸盐的析出对传感器的污染使其失效，同时存在记录功能都较差界面不友好等问题。
实用新型的内容本实用新型的目的是提供一种功能多样，成本低廉，使用寿命长，界面友好，可有效实现气体多元共渗控制系统。
本实用新型的另一个目的是提供一种可脱离工控机，采用仪表进行气体多元共渗控制系统。
本实用新型是这样实现的本实用新型气体多元共渗控制系统，由温度控制装置、主加气体控制装置和添加剂控制装置组成。温度控制装置有智能表1的输入与热电偶2连接，智能表1的输出与固态继电器3连接，固态继电器3串连于加热炉丝与电源之间，智能表1与工控机4连接。主加气体控制装置有气瓶5通过串连接的电动阀6、涡接传感器7或导氢仪与共渗炉进气管18连接，涡接传感器7或导氢仪的输出依次通过积算仪8、执行器9和手操器10与电动阀6的控制端连接，执行器9与工控机4连接，添加剂控制装置的添加剂输送气泵11通过电动阀12与多元共渗剂气体发生装置13的进气管连接，多元共渗剂气体发生装置13的输气管一路与共渗炉的进气管18连接，另一路依次通过涡接传感器14或导氢仪、积算仪15、执行器16、手操器17与气泵11控制端连接，执行器16与工控机4连接，共渗炉的废气输出通过传感器19，传感器19的输出与工控机4连接。
共渗炉工作室两侧各有偶数支电热幅射管，按工作室前后两部分组合成两组，每组按2支电热幅射管串联组合成星形，通过固态继电器3与三相380伏电源连接。
智能表1为PID智能调节器，固态继电器3为SSR，工控机4为4U研华型工控机，积算仪为SWP-LK90型，执行器为SR93，手操器为SWP-D90型，涡接传感器为DBLU型，电动阀为DY25型，气泵为AC806。多元共渗剂气体发生装置由罐壳21、罐胆22、密封盖23、电加热器24、进气管25、输气管29组成，罐壳与罐胆的间隙敷设电加热器24，进气管25一端位于罐胆内液面以下位置，另一端与进气阀26连接，上部输气管与共渗炉相联，罐体上的注水口33和排水阀32与罐胆和罐壳的间隙相通。
本实用新型采用工控机控制，记录和工艺存储功能强，界面友好而造价低，利用“多元共渗剂气体发生装置”配合数学模型解决了传感器污染问题，实现了软氮化、氮化、碳氮共渗、渗碳及气体多元共渗中的气氛控制。
本实用新型具有仪表控制的功能，万一工控机出现故障，可在执行器仪表设定窗口上实现仪表与工控机的通讯中断。这样仪表就与工控机脱离，利用积算仪、执行器与手操器仪表本身的功能实现对温度、气体的控制、保证生产进行。在仪表控制的情况下，只能利用仪表本身功能进行控制，不能采用工控机中的软件模型进行计算、调节、模拟与记录与控制。
图1为本实用新型的结构图。
图2为电热幅射管接线图。
图3为温度控制示意图。
图4为气氛控制示意图。
图5为多元共渗剂气体发生装置结构图。
具体实施方式
本实用新型的组成如下1、温度控制系统(由热电偶、电器控制柜与工控机控制柜组成)2、主加气控制系统(由涡接传感器、气瓶、气体控制柜、工控机控制柜组成)3、添加剂控制系统(由涡接传感器、气瓶、添加剂控制柜、多元共渗剂气体发生装置、工控机控制柜组成)组成部分见图1。
控制原理说明由热电偶将温度信号输送给智能表，再由智能表传给工控机，根据工控机内部的数学模型进行计算，将计算结果再输给智能表，此时智能表根据工控机的信号控制固态继电器的通断时间。如果实际温度远低于要求的温度值，固态继电器通的时间长，电源给加热炉丝通电时间长，炉丝发热量大，使炉子快速升温。如果实际温度接近要求的温度值，固态继电器通的时间短，电源给加热炉丝通电时间短，炉丝发热量小，使炉子升温速度减慢，如果实际温度高于要求的温度值，固态继电器处在断路状态，电源不给加热炉丝通电，炉丝不发热，炉子靠散热降温。控制精度可以达到正负1摄氏度。
主加气体控制系统说明由气瓶中输出气体(如果进行氮化输出氮气，如果渗碳或者碳氮共渗可以输出煤气、甲烷等气体)通过电动调节阀。由电动调节阀输出的气体通过涡街传感器，涡接传感器将输出流量信号传给积算仪，由积算仪传给执行器。执行器将流量信号传给工控机。同时炉中废气也通过传感器(传感器可以是导氢仪、氧探头或者露点仪，根据不同工艺而定)将信号传给工控机，工控机根据数学模型求出氮势，碳势等数据，与执行器中主加气体设定值进行比较。如果达不到设定值，则工控机输出信号给执行器，执行器再传给手操器。手操器指挥电动阀，控制电动阀的开度变化实现气体控制的目的。
添加剂控制系统说明采用ZL95241793.6专利的技术方案，将待渗入的元素转化为气体，由空气泵产生的空气将渗入元素的气体带到炉子内部，由涡接传感器测出流量信号并传给积算仪，由积算仪传给执行器，执行器将流量信号传给工控机。同时炉中废气也通过传感器(传感器可以是导氢仪，氧探头或者露点仪，根据不同工艺而定)将信号传给工控机。工控机根据数学模型求出要求渗入的其他元素的含量。通过与执行器中气体设定值进行比较。与主加气体控制系统控制原理完全类似的控制方式通过控制电动阀的开度变化实现气体控制比较。与主加气体控制系统控制原理完全类似的控制方式通过控制电动阀的开度变化实现气体控制的目的。
温度控制系统加热炉温形成本控制系统的目的之一是控制加热炉炉温，工作室炉温形成采用12支电热幅管组合的108千瓦电功率通电形成。工作室内通过电风扇搅动气流，使之传热过程主要为对流传热，次为传导及幅射传热。12支电热幅射管分立在工作室内两侧，按工作室前后两部分组成两组，每组按2支串联组合成星形，与三相380伏电源连接，星点接零线。示意如图2。
炉温控制设计
(1)采用K型热电偶2支，分别插于箱式多用炉的工作室前后两段的中心。以便传出炉内温度信息，实现炉工作室两段控温，达到炉工作室内温度均匀目的。
(2)控制系统设计，温度控制设计见图3示意图，这种设计属于系统分层控制，主从机控制模式说明如下智能仪表将热电偶发来的信息经整理、放大，PID运算，D/A、A/D转换后与工控机通讯，并提供给工控机决断，智能仪表接到工控机决断命令立即下达执行器动作。这里的执行器是固态继电器(SSR)。固态继电器的通断即可使电热幅射管电通断。智能仪表的通断、PID参量选择、自整定、自动、手动等几乎全部动作受工控机的约束，工控机在此得到实质性温度控制权。
温度控制系统的制作选用工控机做为主机与PID智能调节器进行通讯。PID智能调节器采用日本制造仪表，该仪表性能稳定、可靠、控制精确。
选择大功率固态继电器(SSR)作为执行器，固态继电器除具有可控硅的开关功能之外，还有自保护功能。属于无触点、体积小、无噪音类继电器，性能稳定可靠。大功率固态继电器属于90年代产品。本控制系统选择了6支固态继电器，每支承极限电流200安(A)，每支负责2支电热幅射管的负载。
气氛控制气氛形成过程低温气体多元共渗采用氨(NH3)气、氮(N2)气、以及添加剂作为原料。通过流量控制系统以全气体方式进行炉内形成多元共渗气氛。添加剂山专利ZL95241793.6技术提供。
气氛测量气氛传感器用导氢仪，氧探头或者露点仪，它将气氛信号转化为电信号。通过信号即可分析出炉气中的H2含量或者是氧含量，通过建立模型可以在工控机内反映出炉气中氮势、氨分解率、碳势以及残氨含量，N2等含量。
气氛控制设计传感器将炉内样气信息感应为电信号传给工控机，同时涡街传感器将流量信号也传送给智能表及工控机，经信号放大、A/D/、D/A处理，将信号与工控机通讯，经工控机按模型运算，反映气氛的真实情况(如氮势、氨分解率、NH3、N2等在气氛中含量等)，并经优化获得最佳工艺参量，决策发出指令，通过智能仪表控制电动阀从而控制流量，调节路炉内气氛的成分。
气氛控制系统制作在气氛控制系统安装制作过程中重要的有如下几点(1)本控制系统在制作过程中引用了专利ZL95241793.6号技术，配合数学模型及软件技术从根本上解决氮碳共渗及多元共渗过程中气氛难以控制问题，保证了气氛得到实质性控制，确保了工艺持续稳定进行。
(2)气氛的控制是采用流量信号与炉内气体信号并利用数学模型同时进行控制。
(3)采用主从控制方式合理进行智能调节器的选择，智能调节器不仅起一个呈上启下的功能，更重要的还有信息处理功能，与工控机通信的功能，也就是说它是多种功能器的组合。
工控机工控机在本控制系统中要完成如下功能与智能仪表及传感器通讯，目的在于接受信息，并利用软件模型对信息决策，将决策结果下达指令给智能仪表，通过智能仪表向执行器固态继电器等发布执行命令。根据建立的数字模式运算出气氛中的参量，如氮势、氨分解率，以及气氛中的NH3、N2、H2等含量。
制作最优化低温气体多元共渗工艺参量设计，设计出最佳的工艺曲线。
强的储存功能，储存工艺过程工艺参数，工艺曲线，标准全相组织等。
与显示器、打印机、鼠标等的通信功能，以便建立友好界面、打印报表。
电、气控制集中在一个控制柜内，为管理及控制方便。即把电方面的主电源元件(如固态继电器)、控制电源元件(如交流接触器、继电器、智能仪表)，以及气氛方面气压稳定器，添加气发生器、电磁阀、流量计等均置于一个柜体。其中为了运行安全，避免互相干扰，维修方便，又将主电路及元件同控制电路及元分割在控制柜的两部分；气路及元件(含添加剂发生器)独立在柜内一部，以防NH3之类腐蚀性气体泄漏对电器元件腐蚀。
操作健(如按钮)、显示件(如转子流量计、压力计、压力表、泡泡瓶、电流、电压、温度显示器等)全部集于控制柜的一张面板上，集中操作。
多元共渗剂气体发生装置主要由罐壳21，罐胆22，密封盖23，电加热器24，进气管25，进气阀26，密封圈27，螺栓28，输气管29，加热保温层30，电源插座31，排水阀32，注水口33，螺栓34组成，将自来水经注水口33注入罐壳21与罐胆22的间隙，接通电源插座31，电加热器24开始加热自来水，将需要渗的液态元素注入发生器内胆22，拧紧密封盖23的螺栓28，压紧密封圈27完成密封功能，当水温升至一定温度使胆内的液态元素逐渐形成气体，再调节进气阀26，通入流量约0.2M3/h左右的载气，经进气管25一端进入胆内液面下在胆内混合后经输气管29进入共渗炉，为了避免进入共渗炉的气体在通过输气管29时遇冷液化，在输气管29的外壁设置了加热保温层30，使共渗元素在气体状态下进入共渗炉。工作完毕后打开排水阀32，排空剩余液体。
权利要求1.气体多元共渗控制系统，由主加气体控制装置和添加剂控制装置组成，主加气体控制装置有气瓶(5)通过串连接的电动阀(6)、涡接传感器(7)与共渗炉进气管(18)连接，涡接传感器(7)的输出信号依次通过积算仪(8)、执行器(9)和手操器(10)与电动阀(6)的控制端连接，执行器(9)与工控机(4)连接，添加剂控制装置的添加剂输送气泵(11)通过电动阀(12)与多元共渗剂气体发生装置(13)的进气管连接，多元共渗剂气体发生装置(13)的输气管一路与共渗炉的进气管(18)连接，另一路依次通过涡接传感器(14)、积算仪(15)、执行器(16)、手操器(17)与气泵(11)控制端连接，执行器(16)与工控机(4)连接，共渗炉的废气输出通过传感器(19)，传感器(19)的输出与工控机(4)连接。
2.根据权利要求1所述的系统，还有温度控制装置，温度控制装置有智能表(1)的输入与热电偶(2)连接，智能表(1)的输出与固态继电器(3)连接，固态继电器(3)串连于加热炉丝与电源之间，智能表(1)与工控机(4)连接，在共渗炉工作室两侧各有偶数支电热幅射管，按工作室前后两部分组合成两组，每组按2支电热幅射管串联组合成星形，通过固态继电器(3)与三相380伏电源连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于传感器9智能表(1)为SR93型PID智能调节器，固态继电器(3)为SSR，工控机(4)为4U研华型工控机，积算仪为SWP-LK90型，执行器为SR93，手操器为SWP-D90型，涡接传感器为DBLU型，电动阀为DY25型，气泵为AC806，多元共渗剂气体发生装置由罐壳(21)、罐胆(22)、密封盖(23)、电加热器(24)、进气管(25)、输气管(29)组成，罐壳与罐胆的间隙敷设电加热器(24)，进气管(25)一端位于罐胆内液面以下位置，另一端与进气阀(26)连接，上部输气管与共渗炉相联，罐体上的注水口(33)和排水阀(32)与罐胆和罐壳的间隙相通。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于工控机、显示器与打印机相连，并且工控机与智能仪表通讯连接。
专利摘要本实用新型为气体多元共渗控制系统，适用于氮化、氮碳共渗、渗碳、碳氮共渗及多元共渗等工艺的气氛与温度的控制。它由主加气体控制装置和添加剂控制装置及温度控制装置组成。同时炉内气氛通过传感器(19)信号与工控机连接。添加剂控制装置的添加剂输送气泵(11)通过电动阀(12)与多元共渗剂气体发生装置(13)的进气管连接，多元共渗剂气体发生装置(13)的输气管一路与共渗炉的进气管(18)连接，另一路依次通过涡接传感器(14)、积算仪(15)、执行器(16)、手操器(17)与气泵(11)控制端连接，执行器(16)与工控机(4)连接，共渗炉的废气输出通过传感器(19)，传感器(19)的输出与工控机(4)连接。温度控制装置包含智能表(1)的输入与热电偶(2)连接，智能表(1)的输出与固态继电器(3)连接，固态继电器(3)串连于加热炉丝与电源之间，智能表(1)与工控机(4)连接。
文档编号C23C8/00GK2729089SQ200420060529
公开日2005年9月28日 申请日期2004年8月2日 优先权日2004年8月2日
发明者杨川, 吴大兴, 高国庆, 崔国栋 申请人:西南交通大学材料科学与工程学院