автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности плазмохимического процесса очистки и нанесения покрытий на кварцевые трубы путем автоматической стабилизации температуры технологически значимых зон

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

На правах рукописи УДК 621.316

Камакин Владимир Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ И НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА КВАРЦЕВЫЕ ТРУБЫ ПУТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫХ ЗОН

Специальность 05.13.07-автоматизация технологических процессов и производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н.,. профессор

В.В.Юдин

Рыбинск, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение................................. 5

1. Стабилизация температуры технологических зон плазмохимичеекого процесса очистки с нанесением

покрытий на кварцевые трубы..................... 16

1.1. Реакторы из кварцевого стекла................... 16

1.2. Автоматизированная установка для плазмо-химической очистки кварцевых труб

большого диаметра и нанесения покрытий............ 17

1.2.1. Модуль плазменной установки. . ................ 19

1.2.2. Дозатор порошка......................... 24

] .2.3. Станок для плазмохимической очистки

кварцевых труб и нанесения покрытий .............. 26

1.2.4. Измерение температуры технологически значимых зон .... 29

1.2.5. Регулирование температуры................... 31

1.3. САР тока дуги плазматрона плазмохимичеекого процесса

очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы...... 35

Выводы по главе 1............................ 42

2. Разработка универсальной методики синтеза параметрического трансформатора.......:......... 43

2.1. Аппроксимация динамической кривой

перемагничивания электротехнической стали........... 43

2.1.1. Анализ существующих методик аппроксимации динамической кривой перемагничивания............ 43

2.1.2. Методика определения параметров аппроксимации динамической кривой

перемагничивания электротехнической стали.......... 53

2.1.3. Экспериментальная проверка методики

определения параметров аппроксимации............ 61

2.2. Анализ режимов работы параметрона методом

гармонической линеаризации................... 72

2.2.1. Расчет электрического режима параметрона методом гармонической линеаризации................... 72

2.2.2. Общее решение системы уравнений, описывающих

режимы работы параметрона.'................... 83

2.2.2.1. Нелинейная комплексная аппроксимация.......... . 83

2.2.2.2. Нелинейное комплексное магнитное сопротивление .... 86

2.2.2.3. Обобщенная схема параметрона . ............... 87

2.2.2.4. Анализ идеализированной схемы параметрона........ 91

2.2.3. Реализация модели параметрона................. 94

2.3. Расчет, электрического режима параметрона

методом последовательных интервалов.............. 107

2.3.1. Сущность метода последовательных интервалов........ 107

2.3.2. Анализ режимов работы параметрона методом последовательных интервалов.................. 108

2.3.3. Анализ параметрического трансформатора

методом последовательных интервалов............. 121

2.3.4. Реализация на ЭВМ расчета режимов работы параметрического трансформатора методом

последовательных интервалов.................. 125

2.3.5. Сравнительная характеристика точности моделирования параметрического трансформатора методами гармонической линеаризации и последовательных интервалов . . . ......................138

2.4. Методика синтеза параметрического

трансформатора....................:...... 144

Выводы по главе 2............................ 154

3. разработка замкнутой САР температуры очистки

с нанесением покрытий на кварцевые трубы............ 156

3.1. Регулирование положения крутопадающего участка внешней характеристики

параметрического трансформатора................ 156

3.2. Регулировочная и переходная характеристики при управлении положением крутопадающего участка внешней характеристики параметрического трансформатора входным напряжением ......... 160

3.3. Оценка качества САР температуры технологических зон плазмохимической очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы на базе параметрического трансформатора.............................. 167

3.4. Электрическая схема САР температуры технологических зон плазмохимической очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы на базе параметрического трансформатора .........*...................... 173

Выводы по главе 3............................ 177

4. Исследование и разработка цифрового измерителя действующего значения напряжения................ 178

4.1. Сущность и методы измерения..........."................178

4.2. Метод измерения действующего значения

сечением вертикальными прямыми..........!..........181

4.3. Метод измерения действующего значения сечением прямыми с большим угловым

коэффициентом.....•............................................183

4.4. Метод прямых хорд...............................189

4.5. Метод наклонных хорд..............................................194

4.6. Вычисление действующего значения и

практическая реализация измерителей..............................196

4.7. Исследование точности измерения действующего

значения по методу прямых хорд..................................205

4.7.1. Алгоритм исследования..................................207

4.7.2. Результаты исследования..........................................219

Выводы по главе 4............................................221

Заключение. Основные результаты

Диссертационной работы ...................................222

Литература................................................................223

ВВЕДЕНИЕ

Изделия из кварцевого стекла в настоящее время находят все более широкое- применение. Данный продукт обладает комплексом исключительно ценных физико-химических свойств [1, 24, 56] -огнеупорностью, термостойкостью, кислотоупорностью, высокими диэлектрическими и акустическими свойствами, прозрачностью в широком диапазоне ультрафиолетовых и инфракрасных волн, волн видимого спектра и спектра различных радиочастот. Оно отличается высокой оптической однородностью. Эти свойства и определили применение кварцевого стекла в атомной энергетике, авиационной и космической технике, радиоэлектронике, химии, оптическом приборостроении, светотехнике, металлургии и во многих других областях промышленности. В машиностроении наибольшее распространение нашли кварцевые трубы большого и малого диаметра. Одним из применений кварцевых труб большого диаметра является использование их в качестве реакторов при легировании подложек изделий электронной техники (ИЭТ) {51,-65,97]. Сущность процесса заключается в следующем. Полупроводниковые пластины на специальных лодочках вводятся в кварцевую трубу - реактор, который помещается в диффузную печь и нагревается до температуры порядка 800-1200°С. Реакторы из кварцевого стекла, применяемые в диффузных процессах должны удовлетворять целому ряду жестких требований. Допустимая концентрация инородных веществ в реакционном пространстве чрезвычайно мала. Кварцевое стекло перед вытяжкой в трубу проходит трехступенчатую очистку. Однако после нее в стекле остаются такие включения как натрий, железо, кальций, медь, которые при нагреве кварцевой трубы до рабочей температуры начинают диффундировать, прежде всего, с приповерхностного слоя кварцевой трубы, в реакционное пространство, создавая тем самым недопустимую концентрацию примесей. Особенно чувствительна технология диффузии к наличию меди. При недостаточном обеспечении чистоты процесса подложку приходится выбраковывать уже на стадии легирования. Таким образом, встает задача очистки приповерхностного слоя кварцевой трубы. Другим важным требованием, предъявляемым к реактору, является устойчивость к деформации при многократном изменении температуры от рабочей до комнатной (термоциклах). Наличие микротрещин, раковин в кварцевой трубе, образовавшихся в процессе вытяжки, а также близость рабочей температуры реактора к температуре плавления кварцевого стекла приводят к тому, что возникает деформация кварцевой трубы, она начинает «провисать». В результате лодочки с обрабатываемыми пластинами не

могут быть извлечены из реактора как правило уже после трех - четырех термоциклов. Возникает задача покрытия поверхности кварцевой трубы материалом, имеющим более высокую температуру плавления т.е. армирования кварцевой трубы. Для решения указанных задач разработан метод обработки плазмой внутренней и наружной поверхностей с нанесением упрочняющего' слоя на наружную поверхность кварцевой трубы [15, 18, 28, 48, 54, 70 - 72, 76, 101]. Однако применение подобной технологии сопряжено с рядом проблем, не имеющих на нынешнем этапе эффективного решения. Одна из них заключается в том, что САР известных установок для очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы не обеспечивает достаточной точности поддержания температуры технологически значимых зон, от которой зависит качество обработки в целом и прежде всего качество получаемого покрытия. Решению задачи повышения эффективности плазмохимического процесса очистки с нанесением покрытий на кварцевые трубы путем улучшения качества регулирования температуры технологически значимых зон и посвящена данная работа.

Плазмохимическая очистка с нанесением покрытий осуществляется за один цикл и может быть разбита на два относительно самостоятельных процесса: плазмохимической очистки и плазменного напыления покрытия. Все операции осуществляются с помощью трех электродуговых плазматронов, генерирующих азотную плазму со среднемассовой температурой порядка (Т& 6000ч- 8000К) [32, 62, 83, 86]. Один плазматрон устанавливается внутри кварцевой трубы. Он осуществляет нагрев приповерхностного слоя кварцевой трубы до температуры порядка 3000К. При этом часть слоя (порядка 10-15мкм) испаряется. Часть (5-10мкм) испаряется с последующим обратным осаждением на кварцевую трубу. Осаждения инородных включений на поверхность трубы не происходит, поскольку при данной температуре кинетическая энергия их частиц оказывается слишком велика для возвращения на трубу. Наличие жидкой фазы кварцевого стекла обеспечивает устранение раковин и микротрещин с внутренней поверхности трубы. Таким образом осуществляется плазмохимическая очистка. Два плазматрона обрабатывают наружную поверхность кварцевой трубы, обеспечивая модификацию поверхности и нанесение покрытия. Первый плазматрон осуществляет обработку, аналогичную той, что осуществляется внутренним плазматроном, и практически в том же тепловом режиме. Однако ее главная цель не очистка, а устранение микротрещин и раковин, а также предварительный подогрев основания для последующего нанесения покрытия. Второй наружный плазматрон - двухструйный. Его задачами являются

окончательный разогрев основания, нагрев порошка покрытия - двуокиси алюминия - и транспортировка его к поверхности кварцевой трубы. Наиболее требовательной к поддержанию заданных технологических параметров является процесс, осуществляемый на наружной поверхности кварцевой трубы. Качество процесса очистки внутренней поверхности обеспечивается небольшим перегревом поверхности. Изменение толщины трубы за счет избыточного испарения при этом незначительно. Поэтому требования по поддержанию температуры зоны нагрева достаточно мягкие - и. составляют ± 7%. Они могут быть обеспечены без замыкания САР по температуре посредством стабилизации задающих ее параметров. Тем более, что измерение температуры внутренней поверхности кварцевой трубы представляет собой задачу, не имеющую на нынешнем этапе решения. Обеспечение качественного покрытия требует более точного поддержания параметров технологического процесса. Таких основополагающих параметра два - стабильность расхода порошка, вдуваемого в рабочую зону, обеспечиваемая дозатором порошка, и стабильность температур технологически значимых зон. Погрешность поддержания температур задается 5% и 3% от заданных значений. Различают три технологически значимые зоны. В первой зоне осуществляется нагрев приповерхностного слоя кварцевой трубы. Во второй зоне происходит испарение нагретого приповерхностного слоя и смешение его с порошком материала покрытия, предварительно нагретого в струе плазмы [69, 94, 99, 100, 102]. В третьей зоне происходит свободное осаждение смеси на поверхность кварцевой трубы. Необходимость точного поддержания температуры в каждой точке трубы обусловлена еще тем, что кварцевое стекло имеет низкую теплопроводность, и погрешность нагрева конкретного участка не может быть скомпенсирована распространением теплоты от соседних точек. Технологический процесс очистки кварцевых труб протекает достаточно быстро - скорость линейного перемещения плазматрона может превышать 500 мм/мин. Это обуславливает необходимость отработки ошибки регулирования за время, не превышающее 0,5с. Требования к точности поддержания температуры требуют замкнутую САР температуры. Однако большинство известных установок имеют незамкнутую САР [76, 105]. Система регулирования не замкнута по температуре из-за отсутствия эффективного регулятора. Нестабильность тока дуги плазмы, а также отсутствие отработки ошибки по прочим возмущениям (САР не замкнута) существенно ухудшают качество получаемого покрытия.

Для повышения качества технологического процесса первоначально была поставлена задача обеспечения точности поддержания тока дуги

плазматрона. Для ее решения предлагается использовать в качестве системы регулирования тока дуги плазматрона параметрический трансформатор. Он представляет собой универсальную САР тока и напряжения и имеет естественную прямоугольную внешнюю характеристику без введения дополнительного регулирования. Таким образом, применение в составе САР температуры технологически значимых зон параметрического трансформатора само по себе позволит обеспечить стабильность тока дуги плазматрона. Однако применение подобной системы в данном случае, как и во многих других, в значительной степени затруднено отсутствием методики расчета параметров устройства.

Параметрический трансформатор является одной из систем на базе параметрического резонанса [23, 29, 30, 95, 111]. Параметрический резонанс - явление быстрого возрастания колебаний в электрической или механической системе при периодическом изменении её параметров. Устройства, использующие параметрический эффект, известны в отечественной литературе под общим названием параметроны. Одна из интересных особенностей параметрона заключается в том, что при наличии феррорезонанса в системе относительный фазовый сдвиг индукций в магнитопроводах принимает промежуточное значение от 0° до 180° [20, 21, 30, 41]. Это свойство было впервые описано J1.A. Бессоновым [20]. Дальнейшее изучение этого свойства привело к появлению целого класса так называемых автопараметрических цепей. Ценный вклад в развитие теории и практического применения автопараметрических цепей внесли Г.Р. Рахимов, A.C. Каримов, Е.И. Гольдштейн, В.Н. Станевко, В.А. Горшечников, Б.А. Евдокимов, A.B. Манин, В.Р. Клюковкин и другие [29, 36, 37, 64, 91]. Параметрические трансформаторы являются многофункциональными САР, то есть они одновременно могут осуществлять целый ряд функций: регулирования тока [9, 11, 63, 89], регулирования напряжения [12, 13], фильтрации помех [78], защиты источника питания от короткого замыкания в нагрузке. Наличие в выходном напряжении и токе параметрического трансформатора третьей гармоники существенно снижает уровень пульсаций при выпрямлении его схемой Ларионова (менее 5%). Параметрический трансформатор обладает хорошей электромагнитной совместимостью по питанию. Кроме того, при определенных условиях он может осуществлять компенсацию реактивной мощности [2, 55], создаваемой другими устройствами, которая, как известно, обычно носит индуктивный характер. Таким образом, напрашивается вывод о том, что в качестве САР тока дуги плазмы целесообразно использовать параметрический трансформатор. Однако с

введением в состав САР данного устройства возникает ряд проблем. Режимы работы параметрического трансформатора описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, которые в общем виде не имеют аналитического решения. Известно множество методик [36, 37, 55, 57, 67, 84, 92, 93], основанных на том или ином упрощении и линеаризации порождающего уравнения. Однако они предназначены для расчета САР напряжения, и при расчете системы регулирования тока дают погрешность, превышающую 30%. Поэтому после расчета и изготовления системы потребуется весьма существенная экспериментальной подгонка. Учитывая большие мощности установок, а также их количество можно сделать вывод об очевидной необходимости разработки методики синтеза параметрического трансформатора, позволяющей избежать экспериментальной доработки. Для создания такой методики необходимо, прежде всего, иметь точную математическую модель динамической кривой перемагничивания магнитопровода параметрического трансформатора. Это устройство работает на «колене» характеристики, где сказывается не только ее нелинейный характер, но и потери на гистерезис. Более того, принцип действия всех параметронов основан на нелинейности этой характеристики. Поскольку вид этой кривой определяющим образом влияет на все режимы работы параметрического трансформатора, то необход�