Телевізійна система для дослідження температури зони плавки

 

Міністерство освіти і  науки України

Національний технічний  університет України

«Київський Політехнічний  Інститут»

Приладобудівний факультет

Кафедра Наукових аналітичних  і екологічних приладів і систем

 

 

 

 

 

Курсова робота

З дисципліни:

«Телевізійні інформаційно-вимірювальні системи»

На тему:

«Телевізійна система  для дослідження температури  зони плавки»

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

ст. 5 курсу ПБФ

гр. ПН 31с

Аноним

Перевірив:

Порєв В.А.

 

 

Київ 20--

Зміст

 

Вступ ………………………………………….……………………………..….. 3

1 Аналіз методів дослідження  розподілу температури зони плавки …..…… 6

2 Обґрунтування методу дослідження розподілу температури поверхні ЗП … 7

2.1 Використання телевізійних  засобів в пірометрії ………………….…….. 10

3 Основи теорії телевізійної  пірометрії ……………………………………… 11

4 Математична модель формування  вхідного сигналу ……………………… 16

5 Дослідження похибок вимірювання температури в телевізійній

пірометрії ……………………………………………………………………….. 20

5.1 Похибка вимірювання  температури обумовлена нерівномірністю  чутливості СЕП ……………………………………………………………...…. 22

5.2 Вплив похибки визначення  еквівалентної довжини хвилі  на похибку вимірювання температури …………………………………………………..… 25

Список посилань ……………………………………………………………….. 28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

Зона плавки являє собою  сукупність методів, що дозволяють  перерозподіляти розчинні домішки в кристалічних речовинах. Для всіх цих методів спільним є повільне переміщення вузької зони розплаву вздовж твердого зразка, в результаті чого відбувається перерозподіл домішок. Розплавлена зона має дні поверхні розділу між твердою та рідкою фазами – перша, що плавиться, та друга, що твердне. На першій поверхні тверда речовина плавиться і змішується з рідкою. Процеси, які відбуваються на другій поверхні розділу і визначають суть плавки, внаслідок того, що концентрації домішок в твердій та рідкій фазах неоднакові.

Для створення розплавленої зони застосовують різні методи нагріву: індукційний, електронно-променевий, оптичний і резистивний.

Методи нагріву розплавленої зони мають свої особливості переваги та недоліки.

Індукційний може застосовуватись  у вакуумі та газовому середовищі, при цьому не відбувається забруднення кристалу матеріалом індуктора та досягаються простота регулювання потужності, яка подається в зону розплаву. Метод застосовують для отримання монокристалів, к очистки та легування.

Резистивний застосовують для  плавки в діапазоні до 1000 С. Він  характеризується малим ККД та значним  забрудненням кристалу .

Оптичний метод дозволяє провадити плавку до 4000 С але характеризується малим ККД та складністю конструкції

Електронно-променевий нагрів характеризується найбільшим ККД (70- 80%), малою споживаною потужністю, що дуже важливо пре використанні на борту космічної станції тривалого функціонування, можливістю

 

 

 

створення вузької та регульованої в процесі плавки зони розплаву, простою конструкцією. Метод забезпечує найбільшу стерильність процесу.

Електронно-променева безтигельна зонна плавка (ЕПБЗП) як один з методів перекристалізації речовини знаходять сьогодні широке застосування

В наукових дослідженнях, технології очищення кристалів, металів, напівпровідників, органічних речовин та при створенні металів із заданим розподілом домішок.

ЕПБЗП проводиться у вакуумній камері, в якій вертикально розміщений кристал кремнію (анод), і концентрично - катод у формі тора. Кінетична енергія сфокусованого електричного пучка перетворюється в теплову частина якої за рахунок теплопровідності поширюється в об'єм що приводить до виникнення зони розплаву (ЗР). Зона утримується силами поверхневого натягу і в процесі ЕПБЗП переміщується вздовж кристала, що досягається переміщенням самого кристала або катода разом із системою фокусування. При переміщені зони вздовж кристала домішки перерозподіляються між твердою та рідкою фазами. Швидкість переміщення регулюється в залежності від матеріалу, його чистоти та потужності електронного променю (наприклад, при зонній очистці Si швидкість переміщення може встановлюватись в межах від 0,1 см/год до 10 см/год).

Відомо, що характер розподілу домішок після плавки (якість плавки) від градієнта температури в ЗР та деяких інших факторів. При цьому неконтрольовані зміни температури можуть впливати на форму та положення ділянки кристалізації, що створює передумови для погіршення якості кристала через виникнення локальних ділянок перенасичення домішками.

Отже, отримання матеріалів із розрахунковими характеристиками можливе  тільки при забезпеченні постійного контролю температури. Експериментальне визначення характеристик температурного поля зони плавки на сучасному етапі пов'язане із значними проблемами. Відомі роботи,

 

 

в яких експериментальні дослідження  виконувались за допомогою термопар, що попередньо вводились у зразок. Такий метод дає певну інформацію про температурне поле в конкретному  експерименті, але навряд чи може бути застосований у променевій технології, оскільки порушується вимога щодо стерильності процесу.

А при використання об'єктивних пірометрів та при вирішенні таких  проблем як контроль якості електронно-променевої обробки оптичних матеріалів, можливий тільки вибірковий аналіз температурного поля, оскільки пірометр вимірює температуру  в одній точці.

Технологія зонної плавки використовується для очищення таких  матеріалів, як (лаурінова кислота, парафін, стеаринова кислота, стирол, фенол, циклогексан, етанол) та деякі метали (алюміній, берилій, бор, ванадій, вісмут, вольфрам, гадоліній, галій, германій, залізо, золото, індій, ітгрій, кадмій, кобальт, кремній, літій, магній, мідь, молібден, нікель, ніобій, олово, палладій, платина, плутоній,реній, свинець, срібло, уран, тантал, титан, цинк, телур)

Деякі з цих матеріалів є прозорими в рідкій фазі, в  інших - коефіцієнт випромінювальної здатності  змінюється в широких межах(І).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Аналіз методів  дослідження розподілу температури  безтигельної зонної плавки

 

Сучасні електронні засоби стабілізації струму забезпечують можливість утворення і підтримки на поверхні зони плавки стабільного і симетричного температурного поля, але в ході плавки можлива, на приклад локальна деформація електроду або локальне зниження емісійної здатності, що веде до додаткових температурних градієнтів, тобто до порушення кільцевої симетрії температурного поля. Ця асиметрія призводить до перекосу ділянки кристалізації, а відомо, що саме її форма визначає якість плавки. Оскільки такий дефект не може бути виправлений в ході плавки, електрод підлягає зміні. Своєчасне виявлення асиметрії температурного поля є дуже важливим.

Просторові та часові флуктуації електронного пучка також призводять до локальних порушень розподілу  температури поля по поверхні кристалу. Що згубно впливає на якість плавки, зокрема на розподіл домішок по перерізу кристалу - збільшує їх концентрацію в  одних ділянках, та зменшує в інших. В деяких пристроях зонної плавки для компенсації впливу асиметрії  І температурного поля, кристал обертається  навколо осі.

Флуктуації температури, які породжують відповідні флуктуації і домішок, можуть виникати навіть при  постійній щільності електронного пучка внаслідок конвекції в  розплаві. Це призводить до обмежених  можливостей методів аналізу  температурного режиму зонної плавки.

Наявність градієнтів температури  яка часто розглядається як негативний фактор що породжує флуктуації домішок, а отже перешкоджає отриманню  кристалів з однорідною концентрацією, може бути, в свою чергу, компонентом  програмованої технології отримання  матеріалів з наперед заданими властивостями.

 

Експериментальне визначення характеристик температурного поля зони плавки є важкою задачею.

Можливе експериментальне дослідження за допомогою термопар, що попередньо вводилися в зразок. Цей метод дає інформацію про температурне поле, але не може бути застосований у виробництві, оскільки в об'єм одного кристалу можна ввести одночасно не більше 3-4 термопар, і аналіз і проводиться тільки до виникнення рідкої фази.

Отже для дослідження  розподілу температур поверхні рідкої фази ефективною альтернативою є методи і технічні засоби, які забезпечують формування сигналу при відсутності безпосереднього контакту з об'єктом, так звані неруйнівні.

 

2 Обґрунтування методу дослідження розподілу температури поверхні ЗП

 

Сучасні прилади та системи безконтактного аналізу високотемпературних полів складають широкий і надзвичайно різноманітний за набором параметрів та методик застосування клас технічних засобів. Ці прилади можна поділити на підклас приладів для вимірювання температури поверхні в одній точці та підклас приладів що формують зображення поля та здійснюють його аналіз шляхом вимірювання в багатьох точках в реальному масштабі часу.

Сучасні телевізійні засоби (пірометри) випромінювання складають широкий і надзвичайно різноманітний за набором параметрів та методик застосування клас технічних засобів, який умовно можна поділити на підклас приладів для вимірювання температури поверхні в одній точці та підклас приладів, які формують зображення об'єкту та здійснюють його аналіз шляхом вимірювання сигналу в багатьох точках в реальному масштабі часу.

 

 

Прилади аналізу

високотемпературних полів

Прилади без формування

зображення

Прилади з формуванням

зображення

 

 

З використанням оптико-механічного  розгортання

На приладах із зарядовим  зв’язком

Об’єктивні пірометри

Суб’єктивні

пірометри

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 - Класифікація приладів аналізу високотемпературних полів

Аналіз температурного поля за допомогою суб’єктивних пірометрів відбувається шляхом співставлення і зрівнювання яскравості об’єкта і деякого еталона.

Суб'єктивні пірометри  призначенні для вимірювання  яскравістної температури у видимому діапазоні. Аналіз температурного поля за допомогою суб'єктивних пірометрів відбувається шляхом співставлення зрівнюваної яскравості об'єкту і деякого еталона розміщеного в полі зору приладу.

Головним недоліком суб'єктивних пірометрів с те. що точність вимірювання  спирається на особливості зору спостерігача. Наслідком цього с неможливість використання при динамічному аналізі  температурного поля навіть в одній точці, оскільки реакція спостерігача не може буде меншою за 1с, що є часом природної реакції ( на практиці цей час зазвичай більший).

Серед об'єктивних пірометрів можна відзначити пірометри іноземних фірм, такі як "Thermopoint" (АСЕМА, Швеція), Raytek (США), Condrol (Росія), Optris (Німеччина), а також вітчизняні пірометри серії «Смотрич» І (СКБ «Електротермометрія», Україна).

Об'єктивні  пірометри, вимірюють температуру  в одній точці поверхні в діапазоні  від -35°С до 1500°С в залежності від  моделі. Час вимірювання біля 2,5 с. Об'єктивні пірометри застосовується для аналізу температурних полів  значних розділів з невеликим  просторовим розрізненням, температури  в шкідливі для організму людини. Поверхні та середовища, температури  недоступних та важкодоступних, при  діагностичних роботах з електро- та теплоустаткуванням, для профілактики та діагностики залізничного та автотранспорту, для дотримання протипожежної безпеки.

Серед пірометрів з формуванням зображення можна відзначити групу приладів, в яких формування зображення відбувається за допомогою оптико- механічного розгортання. Пірометри цієї групи на сьогодні представленні великою номенклатурою і широким спектром параметрів (серія приладів «Thermovision» (Швеція). Ці пірометри , як правило потребують охолодження і мають порівняно великий час формування кадру, дозволяють аналізувати температурні поля в діапазоні від 0 до 2000 °С з просторовим розрізненням 0,07.. .0,2 мм.

Інша  група включає в себе моно спектральні пірометри, а також біспектральні телевізійні пірометри.

Поява приладів з електронним розгортанням зображення обумовлена потребами високотемпературних технологічних процесів (понад 1000 С), таких як використання електронно-променевих, лазерних та зварювальних технологій.

 

 

 

Отже  для контролю температурних полів рідкої фази зони розплаву в електронно-променевій безтигельній зонній плавці є доцільним використання приладів формування зображення із зарядовим зв'язком.

 

2.1 Використання телевізійних засобів в пірометрії

 

Збільшення  різноманіття та підвищення важливості високих технологій в сучасному технологічному суспільстві, а також посилення вимог до методології їх контролю привели до виникнення телевізійної пірометрії, можливості якої забезпечують не тільки традиційні задачі, але дозволяють ефективно вирішувати задачі, принципово недоступні для класичної пірометрії.