具有可重新配置的加热器电路的高温炉

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具有可重新配置的加热器电路的高温炉\n技术领域\n[0001] 本发明涉及用于高温炉的加热器电路，并且特别地涉及用于校准炉的加热器，该校准炉具有内部测试腔和多个加热区域。在这样的炉中，有利的是，实现遍及测试腔的均匀的温度分布，以用于可靠地测试和/或校准诸如热电偶探头之类的温度敏感元件。\n发明内容\n[0002] 提供该发明内容来以简要的形式介绍概念的选择，在下面的具体实施方式中进一步描述概念的选择。该发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也非旨在被用于帮助确定所要求保护的主题的范围。\n[0003] 本发明提供具有核心的高温校准炉，该核心具有用于温度敏感元件的测试/校准的细长的中心测试腔。该核心具有邻近测试腔的至少三个电加热元件，该至少三个电加热元件包括邻近测试腔的第一端部的第一端部加热元件、邻近测试腔的与其第一端部相对的第二端部的第二端部加热元件、以及在第一加热元件和第二端部加热元件之间的中心加热元件。控制电路通过周期性配置在工作周期的多个阶段期间这些加热元件的互连，来管理将电力供应到第一电加热元件、第二电加热元件和第三电加热元件。该工作周期包括使电流流经中心加热元件的第一阶段、使电流连续地流经第一端部加热元件和第二端部加热元件的第二阶段、以及第三阶段，在第三阶段中，使电流流经第一端部加热元件和第二端部加热元件中的一个，而且还流经中心加热元件，而不流经第一端部加热元件和第二端部加热元件中的另一个。\n[0004] 本发明还提供一种操作以下类型的高温校准炉的方法，该类型的校准炉具有：细长的中心测试腔，其用于温度敏感元件的测试/校准；以及三个电加热元件，其包括邻近测试腔的第一端的第一端部加热元件、邻近测试腔的与其第一端部相对的第二端部的第二端部加热元件、以及在第一端部加热元件和第二端部加热元件之间的中心加热元件。这样的方法包括通过周期性配置在工作周期的多个阶段期间三个电加热元件的互连，来管理对三个电加热元件的电力供应，这样的工作周期包括使电流流经中心加热元件的第一阶段；使电流连续地流经第一端部加热元件和第二端部加热元件的第二阶段、以及第三阶段，在第三阶段期间，使电流流经中心加热元件，并且流经第一端部加热元件和第二端部加热元件中的一个，而不流经第一端部加热元件和第二端部加热元件中的另一个。\n附图说明\n[0005] 通过结合附图参照下列详细描述，本发明的前述方面和许多伴随的优点将变得更容易被领会并且变得更好地被理解，在附图中：\n[0006] 图1是根据本发明的高温炉的某种程度的概略的顶部透视图；\n[0007] 图2是对应于图1的顶部透视图，但是去除了一些部分并且拆除了一些部分；\n[0008] 图3是沿着图2的线3-3截取的图1和图2的炉的内部部分的截面；\n[0009] 图4是对应于图3的简化俯视平面图，一些部分被删除和拆除，而且一些部分被概略示出，该平面图示出了多区域的加热器部件；\n[0010] 图5是图4的加热器部件的概略侧视图；\n[0011] 图6是根据本发明的炉的部件的简化方框图；并且图6A是可替代实施例的对应方框图；\n[0012] 图7是用于根据图6或图6A的炉的控制电路的部件的简化电路图，图7A-7C是示出这样的电路的操作的对应电路图；以及\n[0013] 图8是用于根据图6或图6A的炉的替代控制电路的部件的简化电路图。\n具体实施方式\n[0014] 参照图1和图2，根据本发明的代表性的炉10可以具有薄壁的外壳，该外壳包括开有通风孔的顶封闭及侧封闭的构件12、前面板14和后面板16。这些部分连接到基座18并且被支撑在基座18上。该基座具有用于该炉的内部核心20的安装及支撑结构。该核心是圆柱体的，而且在示出的代表性实施例中该核心是水平取向的。例如，安装结构可以包括凹形支架22以及上安装夹具或上安装鞍状物（saddle）24。该支架和该鞍状物保持加热器26，该加热器26可以形成于上一半和下一半中。\n[0015] 加热器具有内部加热元件，该内部加热元件包括位于每个端部和中心部的分离元件。这些元件对内部测试区域或腔进行加热。在示出的实施例中，测试腔是纵向延伸的管28的内孔的中心部分。控制器30对供应到加热元件的电力进行管理，控制器30可以被安装在外壳基座18中。如下面详细描述的，控制器18操作分离的加热元件，以沿着测试腔的至少大部分维持相等的温度。\n[0016] 在使用中，可以将待测试或待校准的热敏感元件（例如热电偶探头）定位在测试区域（管孔）中，例如通过经由前端插头34的一个或多个孔眼32插入的方式。该炉被设计用于工作在非常高的温度下（例如在300℃到1200℃的范围中）。可通过一个或多个风扇将热量从外壳散发，该一个或多个风扇经由外壳的通风孔抽取冷空气，并且将该空气从后面板16中的开口排出。\n[0017] 在图3的平面图（水平轴截面）中，可以看到，管28的内部是开放和畅通的。该管的相对端被支撑在加热器部件26的端板40中，而在管30的外周边和圆柱体加热器26的内周边之间沿着测试区域的长度方向提供了环形空间43。\n[0018] 温度传感器42、44和46（例如高精度热电偶）具有在不同纵向位置处延伸到环形空间43内的探头。这些传感器可以是高精度热电偶，该热电偶带有固定装置，该装置用于将探头安装到外壳端板16或其它适当的支撑结构。一个探头延伸到空间43中一短距离，第二探头延伸到空间43中大约一半，而第三探头更远得多地延伸到空间43中。管28必须是高导热、耐高温、性能稳定的材料，例如是高温陶瓷或石英。由探头感测的温度对应于管内部（即测试腔中）的温度。\n[0019] 在图4的简化平面图中，以及在图5的对应侧视图中，示出了加热器26的其它方面。\n加热器由高温绝缘材料形成，在该材料中嵌入了电阻加热元件。在代表性实施例中，加热器可以是模制的陶瓷纤维，而且加热元件的导体C被安装在缝隙中，该缝隙朝着测试腔内部放射状地开口。提供了三个分离的电阻加热元件。第一元件50大约延伸了加热器的纵向长度的四分之一，并且围绕加热器的第一端部。在加热器的另一（第二）端部处，第二元件52延伸了加热器的长度的大约四分之一。在端部元件50、52之间，第三元件54在加热器的中央部分中延伸了加热器长度的大约一半。\n[0020] 如图5所示，围绕加热器的圆周，将每个加热元件的发热导体C紧密地分隔开。图4和图5示出了加热器的下半部分，而上半部分是镜像，而且每个元件的导体在顶部和底部串联连接，以形成一个围绕安装了中心管的内部圆柱形空间360度延伸的连续元件。\n[0021] 为了实现遍及测试腔的均匀轴向温度曲线，优选控制温度曲线的三个方面：感兴趣区域上的平均温度，穿过该区域的中心的温度曲线的斜率（即，从该区域的一端到另一端的温度差别），以及温度曲线的“曲率”（在温度曲线的斜率是非线性的情况下，沿着感兴趣区域的变化）。如果来自三个加热器部分中的每一个的热量相对于其它是可调整的，则能够实现校正。\n[0022] 通常，使用控制器来管理每个加热器接收的电能。加热时间被分成均等持续的控制周期。在每个控制周期中，每个加热器使用精确的时间量供电，以提供精确量的能量。经过多个控制周期，加热元件接收的电能的平均量确定了炉内的温度。理想地，结合在众多位置处的温度监测，可以在独立于其它元件的情况下控制每个加热元件，使得能够完全地调整温度曲线，并且使温度曲线均匀。实际上，这样的单独控制和复杂监测是难以实现并且昂贵的。例如，本发明涉及的炉具有240V AC的电源。120V的电源将需要过多电流来产生必需的功率，尤其是在更高的温度下。更长的中心加热元件的额定电压是240V，所以它能够被\n240V的电源（mains supply）直接驱动。然而，每个端部加热元件更短（中心元件长度的一半），具有对应的更低的电阻，额定电压为120V。\n[0023] 例如，为了允许远离中心的部分工作于240V，它们已经被用导线串联连接，它们的公共电流由一个三端双向可控硅开关元件（triac）切换。另一个三端双向可控硅开关元件控制供应到中心部分的电能。该设计的问题是它只允许了温度控制的两个独立变量。能够调整炉中的平均温度，而且典型地，也能够调整温度曲线的曲率，但是没有高效和有效的手段来调整穿过中心的温度曲线的斜率，这是因为端部加热元件元件总是接收相同量的电能。在该类型的加热器的实际实施中，一端温度往往低于另一端，这可能是由于各种因素造成的，这些因素包括分离加热元件的性能差别和/或导致向着一端的热量损失大于另一端的炉的整体设计。\n[0024] 本发明提出了一种改进的系统和电路，该系统和电路用于在控制周期期间重新配置分离加热元件的连接，使用统一电力（优选240VAC），不使额定电压更低的两端加热元件加载全部的电力电压，但是允许不同量的电量供应到各个端部元件，以实现期望的温度曲线。\n[0025] 图6是代表性实施例的简化模块电路图。三个温度传感器（热电偶）42、44、46中的每一个分别具有专用的模数转换器60、62、64，这些模数转换器将温度信号传递到处理器-控制器66。处理器转而控制一系列固体继电器68、70、72，该一系列固体继电器68、70、72对加热元件50、52、54与电源74的连接进行配置。图6A的布置本质上相同，唯一差别是使用单个模数转换器76与开关78一起来用于轮询来自传感器42、44、46的温度信号。中央处理单元\n66仍然监测温度并且适当地控制继电器68、70、72，如在下文详细描述的那样调整工作周期，以在测试腔中实现期望的均匀温度曲线。\n[0026] 图7是本发明第一实施例中的加热元件布线的图。系统电力（优选240VAC）被施加在顶部端子80和底部端子82之间。从顶部端子80，到左边的支路84首先延伸穿过一个低额定功率的端部加热元件50，并延续到另外的低额定功率的端部元件52的另一端，接着到达第一固态继电器70（称为“区域”继电器），并从那儿到达另外的电力端点82。从顶部电力端子80到右边的支路86具有第二固态继电器68（称为“中心”继电器），并接着延伸穿过更高额定功率的中心加热元件54，并接着到达底部电力端子82。第三固态继电器（称为“平衡”继电器）被连接在上述两个支路之间，一端延伸至两个端部加热元件50、52之间的点，另一端延伸至中心继电器68和中心加热元件54之间的点。\n[0027] 使用图7的电路，能够在控制周期内的三个不同阶段中完成加热器控制。参考图\n7A，在第一阶段期间，中心继电器68被接通，而且平衡继电器72和区域继电器70被关断。如箭头所示，电流仅流经中心加热元件54。在图7B所示的控制周期的第二阶段中，中心继电器\n68和平衡继电器72被关断，而且区域继电器70被接通。电流流经第一端部加热元件50，接着流经另外的加热元件52。参考图7C，在控制周期内的第三阶段中，中心继电器68和区域继电器70被关断，并且平衡继电器72被接通。电流流经第一端部加热元件50，并且流经中心加热元件54。\n[0028] 上述方案允许三维的加热器电力控制，并因此允许对温度曲线的三种方式调整。\n所有加热元件接收的总平均电力决定了炉的平均温度。当中心加热器关闭时外部加热器部分接收电力的时间比例决定了存在于温度曲线中的曲率的值。仅平衡继电器接通的时间比例决定了穿过中心区域的温度曲线的斜率。可以调整每个控制周期内的每个阶段的持续时间，以实现贯穿炉的中心区域的均匀温度曲线。当炉的哪个端部将趋向于比另一端更冷是已知的时候，例如当炉的设计导致在一端损耗更多热量（例如通过在一端更多暴露到大气中或更多热对流）的时候，该特定方案是适合的。在控制周期的所述第三阶段期间，趋向于较低温度的一端可以使其加热元件与中心加热元件一起设置在串联电路中。\n[0029] 在一个实施例中，控制器基于温度传感器的读数，来调整控制周期的不同阶段的相对持续时间。在代表性实施例中，控制周期可以是1/2秒到2秒的长度。例如，为了实现期望的温度，可能必要的是中心加热元件工作0.2秒，并且端部加热元件工作大约相同长度的时间，但是为了实现端到端的均匀温度，可能必要的是，工作在平衡阶段持续大约为第一阶段和第二阶段的时间段的一半的时间段。这可以在炉的校准期间确定。之后，控制器可以利用三个不同阶段的成相同比例时间来操纵周期，针对更高的期望温度将它们调整为成比例的更长时间，以及针对更低的期望温度将它们调整为成比例的更短时间。而且，除了相继执行之外或替代相继执行，可以通过断开平衡继电器同时闭合中心继电器和区域继电器，来同时执行第一阶段和第二阶段。可以相应地调整“组合”阶段的一个和两个操作的持续时间，使得对全部三个加热元件的同时电力供应实现了作为相继操作的相同量的加热，以及在测试腔中实现期望的均匀温度曲线。\n[0030] 在一些情况下，两个端部中的哪一个将趋向于比另外一个温度更低是未知的。图8中的图示出了具有附加的双极继电器84的电路，该双极继电器84允许端部加热器50、52中的一个或另一个在第三阶段中与中心加热器54一起同时被供电。使所示的控制继电器84在所指示的位置中，并且使中心继电器68、区域继电器70关断，并且使平衡继电器72接通，电流将流经第一端部加热器50、平衡继电器72和中心加热器54。然而，如果确定了加热器的另一端趋向于变得更冷，在控制周期的第三阶段或平衡阶段期间，可以由此切换控制继电器\n84的位置，再次使中心继电器68和区域继电器70断开，而且使平衡继电器72闭合，电流将流经第二端部加热器元件52和中心加热器元件54两者。在第一阶段和第二阶段中，操作与上述的实施例的操作是相同的。更具体地，可以闭合中心继电器68，并且断开平衡继电器72和区域继电器70，使得第一阶段期间供应的所有电流流经中心加热元件54。类似地，在第二阶段期间，使平衡继电器72和中心继电器68断开，并且使区域继电器70闭合，电流流经第一端部加热元件50和第二端部加热元件52两者。在适当情况下，通过针对部分工作周期闭合区域继电器和中心继电器并且断开平衡继电器，来同时执行第一阶段和第二阶段（部分同时或者替代仅相继地操作）。\n[0031] 所述发明允许对温度曲线的三种方式控制。为了良好地工作，必须精确调节每个控制周期内的每个阶段的持续时间。控制器驱动继电器的闸门或触发器，在对于实现炉温度和温度曲线的准确控制所必需的精确时间处将它们接通和关断。控制器可以，并且典型地即是使用两个或更多个温度传感器来测量温度和温度曲线，并且控制器使用该反馈以对加热器功率的平衡和平均温度功率做出调整，来校正温度和温度曲线。一旦炉的较冷端是已知的，则两个传感器能有效实现充足的反馈，一个传感器大致放置在测试区域中心（其在中心加热元件的中心），而另一个放置在炉的较冷端处的端部加热元件中。控制器执行对于确定在每个控制周期应该如何接通和断开继电器以达到稳定和均匀的温度控制来说是必要的所有数学计算。\n[0032] 尽管已经示出和描述说明性的实施例，但是应当认识到，其中可以做出各种修改而不脱离本发明的精神和范围。