专利名称：可变温场管式电阻炉的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电热设备，涉及电流流过电热元件，利用其产生的热量加热工件的管式电阻炉。
目前国内外的管式电阻炉均以高电阻电热合金做发热元件，采用温度自动指示调节仪和可控硅供电装置，通过调节可控硅导通角以控制其输出电压，保持额定输出功率。并对其升温和降温的过程加以控制。然而这种管式电阻炉用于合金冶炼、物理测定、电偶校正和热处理时，则因其控制精度不高，温场变化简单而不适宜。
本实用新型的目的是提供一种全过程计算机控制、多区域温场变化、大容量、多用途的管式电阻炉。适用于晶体生长、合金冶炼、物理测定、电偶校正和热处理多种用途。
本实用新型可变温场管式电阻炉包括炉体和电器控制部分，其中炉体的主要构件包括炉管、炉丝、热电偶、护瓦、保温层和炉壳。炉管用高温陶瓷材料制成，表面有螺纹和小孔，炉丝分组缠绕在螺纹上，用于测量温度的热电偶装在小孔中。护瓦是陶瓷的，盖在炉管之外，用于保护炉丝及固定电偶。炉壳是炉体的最外层。在护瓦与炉壳之间装填保温材料充作保温层，为了更好的防止热辐射，特在保温层中加装热屏蔽罩。
本实用新型电器控制部分包括由微处理器、存储器、接口、显示器等外围设备构成的计算机控制单元；由所述炉体中的热电偶，与放大器、模数转换器顺序相联构成的检测单元；以及包括由固态继电器阵列和电源构成的执行单元；所述炉体中的各组炉丝分别通过固态继电器与电源联接。
制造炉管的高温陶瓷可以选用氧化铝或氧化锆。炉丝根据不同的加热温度而选用，如铁铬铝合金、铂铑合金等。相应的热电偶亦如此，可以用镍铬-镍铝，或铂铑-铂。保温材料选用硅酸铝纤维毯、氧化锆纤维毯或莫来石棉等。炉壳可以用铝合金或钢制造。本设计可变温场管式电阻炉能满足不同的工作温度要求，最高工作温度可达1700K。
图1本实用新型炉管和护瓦结构示意图图2本实用新型炉体结构示意图图3本实用新型管式电阻炉总体构成图图4本实用新型检测和控制部分原理图图5本实用新型控温过程工作流程图对结合附图所示实施例的详细说明，将使本实用新型的内容和特点更加清晰。
首先请参阅
图1至图3。本实用新型可变温场管式电阻炉包括炉体100和电气控制部分200。如
图1所示，炉管110是炉体100的主体，用氧化铝或氧化锆高温陶瓷材料制成，炉管110的外表面有细牙螺纹112，和小孔113，螺纹中分组缠绕炉丝120，小孔113中安装热电偶(
图1中未标记)。根据不同的温度需要，炉丝120采用铁铬铝合金、铂铑合金等不同材料。还根据不同的功率要求，将炉丝120绕制不同的圈数和不同的组数。护瓦140也是陶瓷的，盖在炉管110之外，用于保护炉丝和固定热电偶。
参见图2，炉体100的最外层是金属的炉壳160，采用铝合金制成。保温材料150，采用硅酸铝纤维毯、氧化锆纤维毯或莫来石棉等缠裹在炉管110、护瓦140与炉壳160之间。同时在保温层中加装热屏蔽罩，其目的是防止热辐射。炉丝120和热电偶130分别通过炉丝接头121和热电偶接头131引出。
本实用新型实施例中，如图3所示，包括管式电阻炉炉体100、电气控制部分200。其中，电气控制部分200包括由热电偶130(图2)、放大器310、模拟转换器320顺序相联的检测单元300，由微处理器410、存储器420、接口430构成的计算机控制单元400，以及包括由固态继电器510、电源530构成的执行单元500。炉体100中的热电偶测量所得热电偶信号送入检测单元300，经放大器310将信号放大，再经模数转换器320转换成数字信号送入计算机控制单元400。在计算机控制单元400中，微处理410和存储器420将来自检测单元300的检测信号进行分析计算，并确定下一时刻的工作指令，然后经接口430发出控制信号送入执行单元500。执行单元500中的固态继电器阵列510和电源530按照计算机控制单元400发出的控制信号指令，把各组炉丝按周期导通加热，实现对各种不同温场的控制。
图4所示本实用新型检测和计算机控制单元的一个实例说明如下。检测单元中的热电偶131和环境温度测量信号133被送入16路模拟多路开关132，用锁存器432锁存其地址以便选中相应的模拟通道，其中温度传感器133将绝对温度转换为相应的电流信号，串接一个电阻(R)135就可得到电压信号。模拟多路开关132的输出送入两级运算放大器311和313，经其放大700倍后的信号送到12位模数(AD)转换器320，微处理器(CPU)410将转换的数字量读出并进行计算得出相应的各组炉丝的加热时间，炉丝加热电流的导通与关断通过又一组锁存器即434和436的输出来控制。一电平转换器451采用82C50用于串行通信，将实验数据传出，其后，另一电平转换器453用ICL232(或MAX232)将TTL电平转换为接口(采用RS232)电平。另一组锁存器即431和433用于锁存存储器的地址，一组静态随机存储器(RAM)421和423用于存储变量，422和424为可改写可编程只读存储器EPROM是程序存储器，426和428为电可改写可编程序只读存储器EEPROM用于存储实验数据。另外，“看门狗”415 MAX690用来监测CPU的工作状态，一旦程序出现异常，就将CPU复位。
本实用新型设计中，计算机控制部分的软件主要是由汇编语言和C语言混合编程的控制程序，其工作方式为将检测电路采集的管式电阻炉中的温场情况进行分析、计算并发出工作指令，再由执行单元根据指令导通固态继电器对炉管加热，以实现对温场的控制，同时在显示器上实时显示温场的变化。
对图5所示本实用新型管式电阻炉控温过程工作流程说明如下。管式电阻炉开始工作后，根据不同温场(包括等温温场、梯度温场和区熔温场等)及工艺要求计算加热周期的温度分布设定值，同时命令检测单元和温度传感器对炉管内的温度分布进行采样，再将采样值与设定值进行比较，通过多点邻里相关的数值PID技术，计算出加热周期，决定执行单元中每一时刻每一个固态继电器是否导通与导通时间间隔长短，对各组炉丝进行加热。同时计算出下一个加热周期温场分布的设定值后，再对炉管的温度分布进行采样，再比较采样值与设定值，重复以上过程，实现对炉子温度分布的控制。
本实用新型提供的可变温场管式电阻炉及控温方法，既能实现等温温场和梯度温场，也能实现区熔温场；温场的空间分布和时间分布均可程序控制；有较高的控温精度，精度达±1K，满足晶体生长、合金冶炼等多种材料制备要求，以及物理测定、电偶校正和热处理等多种用途。
权利要求1．一种可变温场管式电阻炉，包括炉体和电气控制部分，其特征是炉体的主要构件包括炉管、炉丝、热电偶、护瓦、保温层和炉壳；炉管用高温陶瓷材料制成；表面有螺纹和小孔，炉丝分组缠绕在螺纹上，用于测量温度的热电偶装在小孔中；护瓦是陶瓷的，盖在炉管之外，用于保护炉丝和固定热电偶，炉壳是炉体的最外层，在护瓦与炉壳之间装填保温材料充作保温层，保温层中加装热屏蔽罩；电气控制部分包括由微处理器、存储器、接口、显示器等外围设备构成的计算机控制单元；由所述炉体中的热电偶、放大器、模数转换器顺序相联构成的检测单元；以及包括由固态继电器阵列和电源构成的执行单元，所述炉体中的各组炉丝分别通过固态继电器与电源联接。
2．按照权利要求1所述的可变温场管式电阻炉，其特征是其检测和计算机控制单元中，热电偶和环境温度测量信号被送入16路模拟多路开关，用锁存器锁存其地址以便选中相应的模拟通道，其中温度传感器将绝对温度转换为相应的电流信号，串接一个电阻就可得到电压信号；模拟多路开关的输出送入两级运算放大器，经其放大后的信号送到12位模数转换器，微处理器将转换的数字量读出并进行计算得出相应的各组炉丝的加热时间，炉丝加热电流的导通与关断通过又一组锁存器的输出来控制；一电平转换器用于串行通信将实验数据传出，另一电平转换器将TTL电平转换为接口电平；另一组锁存器用于锁存存储器的地址，一组静态随机存储器用于存储变量；还有一组程序存储器为可改写可编程序只读存储器EPROM，和一组存储实验数据的电可改写可编程序只读存储器EEPROM，以及一只用于监测微处理器工作状态的“看门狗”。
3．按照权利要求1所述的可变温场管式电阻炉，其特征是制造炉管的高温陶瓷选用氧化铝或氧化锆，炉丝选用铁铬铝合金或铂铑合金，热电偶选用镍铬-镍铝或铂铑-铂，保温材料选用硅酸铝纤维毯、氧化锆纤维毯或莫来石棉，炉壳用铝合金或钢制造。
专利摘要可变温场管式电阻炉,包括炉体和电气控制二部分。炉体最外层是金属炉壳,中心的炉管外侧缠绕炉丝,壁中装热电偶,用护瓦保护炉丝和固定热电偶,然后装填保温材料。电气控制部分包括由微处理器、存储器、接口、显示器等构成的计算机控制单元,由热电偶、放大器、模数转换器构成的检测单元,以及由固态继电器和电源构成的执行单元。本设计电阻炉全过程计算机控制,适用于等温、梯度、区熔等多种温场,晶体生长、冶炼等多种用途。
文档编号F27B1/09GK2435710SQ0024321
公开日2001年6月20日 申请日期2000年7月5日 优先权日2000年7月5日
发明者李超荣, 翟永亮, 杨书强, 葛培文, 庞玉璋 申请人:中国科学院物理研究所