MCVD料溫控制系統的改進

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)系統是用于光纖預制棒制做的設備系統，其中的傳統料溫控制系統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、對環境污染嚴重尤其不適宜安裝在凈化間內使用，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，系統管路的加長又給工藝方面帶來了新的麻煩，系統的污染因素相對增加。在光纖預制件凈化間改造后，我們對玻璃車床進行了全面設計和改造，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保持在同樣溫度中，攪拌電機始終處于工作狀態，系統組件的多少也預示著故障率的多寡，無論從節能降耗、維修維護、運營成本、設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 傳統料溫控制原理框圖

圖2 設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該在23±0.1℃～35±0.1℃之間可控，為了試驗低溫環境與被控目標之間的關系，我們用自來水模擬低溫環境，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，在儀表參數設定相同時，被控溫度越低其超調量越大，進入穩定控制時間相對要長。多次改變PID參數后這種超調情況沒有明顯變化，后來改變控制輸出比例（PIDH）為20%時，兩種被控溫度的超調量明顯減小。那么說明加熱器功率偏大是造成溫度超調和震蕩的主要原因。

圖3 溫度曲線

經多次試驗還證明：環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，那么用7℃水作為冷環境條件是完全可以滿足被控參數的。

3 設計制做

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，溫控表功能中設有上限報警自動切斷電源的功能，產生聲光報警提醒工藝人員到現場給予處理。

對于硅橡膠加熱帶的選擇，應注意在加熱功率滿足料瓶加熱的情況下應盡量加大面積，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定且超調量越小越好，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境。本設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，節約了制造成本。系統部件很少幾乎不用維護，節約了運行成本，如表1中所列功率總和為350W，輸出功率控制在20%以內，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℃水的冷環境后，也就是使料瓶處于室溫狀態下，只要控制目標溫度≥室溫+2℃時，本料溫控制系統的控制精度仍然能夠達到工藝要求。

5 實驗結果分析

在玻璃車床料溫控制系統改造之前，我們所制備的光纖預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、控制的穩定性比較差，導致的結果就是所制備光纖預制棒參數難以滿足使用的要求，主要問題是光纖預制棒的芯徑偏差比較大，而且折射率的分布也不夠均勻。以應力預制棒的制備為例進行說明。應力預制棒主要采用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，在高溫下發生上述的化學反應從而實現應力預制棒的制備。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，高純氧氣的溫度又比較低，因此需要一套反應快速且穩定的料溫控制系統。半導體制冷箱及油浴加熱的料溫控制系統的缺點不僅僅是溫控箱體積大、耗能大、噪音大、對環境污染嚴重，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力預制棒參數表。

表2 傳統料溫控制方式下應力預制棒參數表

表3 新型料溫控制方式下應力預制棒參數表

從上述的統計數值分析可看出：新的控溫方法所生產的光纖預制棒的幾何尺寸的質量遠高于老的傳統控溫方法的產品。從圖中可以看出，由于料溫控制系統的落后，我們所制備的應力預制棒質量較差，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，我們只能減小應力預制棒的單根使用長度，造成生產效率比較低下。

采用新型料溫控制系統之后，由于控制方式的改進，料溫控制速度及精度大大提高，所制備應力預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力預制棒參數表。從表中可以看出，所制備應力預制棒的參數水平大大提高，有效使用長度也增加了很多，極大的提高了生產效率。

圖5 傳統料溫控制下的外徑，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）控溫方法下的外徑、芯徑的統計分析

6 結 論

該控制系統完全達到了最初的工藝設計指標，經上百爐次的光纖預制棒的生產證明，它控溫適應性強、操作方便、故障率低。目前已經普遍應用于光纖部光纖預制件生產中。