MCVD料溫控制系統(tǒng)的改進

劉立起

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

MCVD(改進的化學氣相沉積法)系統(tǒng)是用于光纖預(yù)制棒制做的設(shè)備系統(tǒng)，其中的傳統(tǒng)料溫控制系統(tǒng)都是以半導體制冷箱或油浴、水浴方式來進行控制的，其缺陷在于溫控箱體積大、耗能大、噪音大、溫度平衡滯后大、對環(huán)境污染嚴重尤其不適宜安裝在凈化間內(nèi)使用，多年來為了解決這些問題工藝人員想了許多辦法，用加長系統(tǒng)管路的方法將料溫箱遠離工作間，而這個方法只解決了噪音問題，對于其它問題仍舊無濟于事，系統(tǒng)管路的加長又給工藝方面帶來了新的麻煩，系統(tǒng)的污染因素相對增加。在光纖預(yù)制件凈化間改造后，我們對玻璃車床進行了全面設(shè)計和改造，料溫控制問題也得到了解決。

1 控制原理框圖的比較

從圖1和圖2的控制原理框圖很清楚的看到，圖2只有一個加熱控制就達到了料溫穩(wěn)定這一控制目的。而圖1中有加熱、制冷、攪拌電機等多種耗能項，加熱使用的電爐絲功率在1～2 kW間，制冷使用的空調(diào)壓縮機功率同樣在1～2 kW間，兩者交替作用，為了保證水箱或油箱中的介質(zhì)保持在同樣溫度中，攪拌電機始終處于工作狀態(tài)，系統(tǒng)組件的多少也預(yù)示著故障率的多寡，無論從節(jié)能降耗、維修維護、運營成本、設(shè)備正常率等方面考慮，兩者相比較圖2的控制方式是一個比較理想的方案。

圖1 傳統(tǒng)料溫控制原理框圖

圖2 設(shè)計改進型料溫控制原理框圖

2 控溫試驗

工藝要求料溫控制應(yīng)該在23±0.1℃～35±0.1℃之間可控，為了試驗低溫環(huán)境與被控目標之間的關(guān)系，我們用自來水模擬低溫環(huán)境，用酒精模擬摻雜料。水溫20℃時被控溫度分別是23℃和35℃時的溫度曲線（見圖3）。

控制儀表選用昌輝公司SWP系列微處理化數(shù)字儀表，熱電阻選用Pt100.1，加熱器功率200W，電壓 220 V（AC）。

從圖3中看到，在儀表參數(shù)設(shè)定相同時，被控溫度越低其超調(diào)量越大，進入穩(wěn)定控制時間相對要長。多次改變PID參數(shù)后這種超調(diào)情況沒有明顯變化，后來改變控制輸出比例（PIDH）為20%時，兩種被控溫度的超調(diào)量明顯減小。那么說明加熱器功率偏大是造成溫度超調(diào)和震蕩的主要原因。

圖3 溫度曲線

經(jīng)多次試驗還證明：環(huán)境溫度與被控目標溫度值大于2℃時，被控目標溫度的精度就可以控制在±0.1℃之內(nèi)，那么用7℃水作為冷環(huán)境條件是完全可以滿足被控參數(shù)的。

3 設(shè)計制做

對于 3種料瓶：SiCl4-準150mm BBr3-準100mm POCl3-準50mm高度均為250mm，在充分保留了加熱帶功率裕量的前提下。選用硅橡膠加熱帶的面積和功率如表1所示。

表1 加熱帶面積和功率分配

料溫箱示意圖見圖4。

圖4 料溫箱及料瓶的剖面圖

4 討論

為了保證熱電阻能夠及時準確的反映出真實的料溫，熱偶槽的直徑應(yīng)該盡量接近熱電耦的直徑，為了保證低料位的正常工作，熱偶槽的深度應(yīng)該大于料瓶高度的80%。

為防止溫度因意外原因超溫，溫控表功能中設(shè)有上限報警自動切斷電源的功能，產(chǎn)生聲光報警提醒工藝人員到現(xiàn)場給予處理。

對于硅橡膠加熱帶的選擇，應(yīng)注意在加熱功率滿足料瓶加熱的情況下應(yīng)盡量加大面積，減小單位面積上的加熱功率。這樣再加上儀表PID控制和輸出功率上、下限的限制。使料溫目標溫度以最快速度達到穩(wěn)定且超調(diào)量越小越好，這一點很重要。硅橡膠加熱帶的抗腐蝕性完全可以滿足料箱環(huán)境。本設(shè)計綜合控制指標滿足料瓶高、中、低料位的溫度控制。

本控制方式充分利用了已有的水資源，節(jié)約了制造成本。系統(tǒng)部件很少幾乎不用維護，節(jié)約了運行成本，如表1中所列功率總和為350W，輸出功率控制在20%以內(nèi)，加上控制表的自身功率損耗，總功率不會超過100W，遠遠低于傳統(tǒng)的料溫控制的功率損耗，該控制方式對控制儀表性能方面沒有太高要求。進一步實驗證明，當去掉7℃水的冷環(huán)境后，也就是使料瓶處于室溫狀態(tài)下，只要控制目標溫度≥室溫+2℃時，本料溫控制系統(tǒng)的控制精度仍然能夠達到工藝要求。

5 實驗結(jié)果分析

在玻璃車床料溫控制系統(tǒng)改造之前，我們所制備的光纖預(yù)制棒存在的主要問題是料溫控制不夠精確、料溫跟隨速度慢、控制的穩(wěn)定性比較差，導致的結(jié)果就是所制備光纖預(yù)制棒參數(shù)難以滿足使用的要求，主要問題是光纖預(yù)制棒的芯徑偏差比較大，而且折射率的分布也不夠均勻。以應(yīng)力預(yù)制棒的制備為例進行說明。應(yīng)力預(yù)制棒主要采用MCVD工藝方法制備，過程中用到的主要化學反應(yīng)方程式為：

在這一工藝過程中，高純氧氣進入料瓶進行鼓泡后將飽和原料蒸汽帶入石英基管，在高溫下發(fā)生上述的化學反應(yīng)從而實現(xiàn)應(yīng)力預(yù)制棒的制備。其中，為了更好的控制原料的飽和蒸汽濃度，需要精確控制料瓶的實際溫度，而由于料瓶處于不斷鼓泡的狀態(tài)，高純氧氣的溫度又比較低，因此需要一套反應(yīng)快速且穩(wěn)定的料溫控制系統(tǒng)。半導體制冷箱及油浴加熱的料溫控制系統(tǒng)的缺點不僅僅是溫控箱體積大、耗能大、噪音大、對環(huán)境污染嚴重，更為主要的是無法達到MCVD工藝的實際料溫控制要求，表2就是采取該料溫控制方式所制備的應(yīng)力預(yù)制棒參數(shù)表。

表2 傳統(tǒng)料溫控制方式下應(yīng)力預(yù)制棒參數(shù)表

表3 新型料溫控制方式下應(yīng)力預(yù)制棒參數(shù)表

從上述的統(tǒng)計數(shù)值分析可看出：新的控溫方法所生產(chǎn)的光纖預(yù)制棒的幾何尺寸的質(zhì)量遠高于老的傳統(tǒng)控溫方法的產(chǎn)品。從圖中可以看出，由于料溫控制系統(tǒng)的落后，我們所制備的應(yīng)力預(yù)制棒質(zhì)量較差，不僅芯徑偏差比較大，而且折射率的分布也很不均勻，為了使用方便，我們只能減小應(yīng)力預(yù)制棒的單根使用長度，造成生產(chǎn)效率比較低下。

采用新型料溫控制系統(tǒng)之后，由于控制方式的改進，料溫控制速度及精度大大提高，所制備應(yīng)力預(yù)制棒的芯徑及折射率偏差均大幅度的減小，表3就是采用新型料溫控制方式后作制備的應(yīng)力預(yù)制棒參數(shù)表。從表中可以看出，所制備應(yīng)力預(yù)制棒的參數(shù)水平大大提高，有效使用長度也增加了很多，極大的提高了生產(chǎn)效率。

圖5 傳統(tǒng)料溫控制下的外徑，芯徑、折射率差的縱向分布

圖6 新型料溫控制下的外徑、芯徑、折射率差的縱向分布

表4 新、老（傳統(tǒng)）控溫方法下的外徑、芯徑的統(tǒng)計分析

6 結(jié) 論

該控制系統(tǒng)完全達到了最初的工藝設(shè)計指標，經(jīng)上百爐次的光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)證明，它控溫適應(yīng)性強、操作方便、故障率低。目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于光纖部光纖預(yù)制件生產(chǎn)中。