DE1275228B - Process for monitoring the electrical behavior of a high-current glow discharge for metallurgical processes and equipment for them - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL: Int. CL:

H05bH05b

C23cC23c

Deutsche KL: 21h-16/60 German KL: 21h-16/60

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P 12 75 228.2-34 (J 32190)P 12 75 228.2-34 (J 32190)

8. November 1966November 8, 1966

14. August 1968August 14, 1968

Glimmentladungsverfahren zur Behandlung von Werkstücken in eine Gasatmosphäre z. B. Härteverfahren, Oberflächenveredelung durch Gasdiffusion oder Katodenzerstäubung sind bekannt. Hierbei ist es von großer Wichtigkeit, daß die Glimmentladung gleichmäßig während der oft langen Behandlungszeit brennt und nicht in Lichtbogenentladungen umschlägt, die auf den Werkstücken mehr oder weniger große Brennflecken zurücklassen.Glow discharge process for treating workpieces in a gas atmosphere, for. B. hardening process, Surface refinement by gas diffusion or cathode sputtering are known. Here it is It is very important that the glow discharge burns evenly during the often long treatment time and does not turn into arc discharges, which leave more or less large focal spots on the workpieces.

Zu diesem Zweck wird üblicherweise der elekirische Speisestromkreis für die Glimmentladung beeinflußt, beispielsweise durch kurzzeitige Verringerung der Betriebsspannung oder Einschaltung einer Impedanz. Diese Beeinflussung erfolgt durch geeignete Schaltmittel, etwa elektronische Schaltungen, die durch Signale gesteuert werden, die beispielsweise dann auftreten, wenn der Betriebsstrom der Glimmentladung einen bestimmten Sollwert überschreitet. Es hat sich aber gezeigt, daß es schwierig ist, beim Betrieb einer zu metallurgischen Zwecken verwen- ao deten Glimmentladung diesen Sollwert so festzulegen, daß einerseits ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist, andererseits aber mit Sicherheit bei auftretenden Störungen in der Entladung die Beeinflussung des Speisestromkreises sicher und schnell genug erfolgt. Diese Schwierigkeiten resultieren vor allem aus der Tatsache, daß die Spannungs-Strom-Kennlinie einer solchen Glimmentladung keine Gerade ist, sondern einen Verlauf zeigt, wie er beispielsweise in F i g. 1 angegeben ist.For this purpose, the electrical supply circuit for the glow discharge is usually influenced, for example by briefly reducing the operating voltage or switching on a Impedance. This influence takes place through suitable switching means, such as electronic circuits, which are controlled by signals that occur, for example, when the operating current of the glow discharge exceeds a certain setpoint. But it has been shown that it is difficult to Operation of a glow discharge used for metallurgical purposes to define this setpoint in such a way that that on the one hand an economical operation is possible, but on the other hand with certainty when occurring Disturbances in the discharge affect the supply circuit safely and quickly enough. These difficulties result mainly from the fact that the voltage-current characteristic is a such a glow discharge is not a straight line, but rather shows a course as shown, for example, in FIG. 1 is specified.

Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten und betrifft ein Verfahren zur Überwachung des elektrischen Verhaltens einer stromstarken Glimmentladung für metallurgische Verfahren, wie Diffusionsverfahren, Katodenzerstäubung, Nitrierhärtung u. dgl., zwecks Beeinflussung der Speisestromkreise durch signalgesteuerte Mittel. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem unterhalb der erwünschten Sollkurve für den Arbeitspunkt der Glimmentladung im Spannungs-Strom-Kennlinienfeld ein, auch das Gebiet unstabiler Entladungen umfasssender Schutzbereich definiert wird durch einen einstellbaren, von den Speisestromkreisen beeinflußbaren Detektor, der dann ein Steuersignal für die genannten Mittel liefert, wenn der Arbeitspunkt von der Sollkurve so weit abweicht, daß er in den Schutzbereich fällt.The present invention overcomes these difficulties and relates to a method of monitoring the electrical behavior of a high-current glow discharge for metallurgical processes, such as Diffusion processes, cathode sputtering, nitriding hardening and the like, for the purpose of influencing the supply circuits by signal controlled means. It is characterized in that in the below the Desired target curve for the operating point of the glow discharge in the voltage-current characteristic field a protection area including the area of unstable discharges is defined by a adjustable detector, which can be influenced by the supply circuits, which then sends a control signal for the said Returns average when the operating point deviates from the target curve so far that it is within the protection area falls.

Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des obengenannten Verfahrens. Gekennzeichnet ist diese Einrichtung durch einen Detektor, der aus einer pnp-Transistorschaltung besteht, sowie aus einem Schmitt-Trigger an sich bekannterThe invention also relates to a device for carrying out the above-mentioned method. Marked this device is through a detector consisting of a pnp transistor circuit, as well as from a Schmitt trigger known per se

Verfahren zur Überwachung des elektrischen
Verhaltens einer stromstarken Glimmentladung
für metallurgische Verfahren und Einrichtung
dazuMethod of monitoring the electrical
Behavior of a high-current glow discharge
for metallurgical processes and equipment
to

Anmelder:Applicant:

Fa. Elektrophysikalische AnstaltElectrophysical Institute

Bernhard Berghaus, Vaduz (Liechtenstein)Bernhard Berghaus, Vaduz (Liechtenstein)

Vertreter:Representative:

K. Gerlings, Rechtsanwalt,K. Gerlings, lawyer,

5200 Siegburg, Ringstr. 85200 Siegburg, Ringstr. 8th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Elektro-Ing. Gelli Spescha,Dr. Electrical engineer Gelli Spescha,

Winterthur (Schweiz)Winterthur (Switzerland)

Bauart, durch einen Serienwiderstand im Speisestromkreis, an dem über einen Vorwiderstand eine Eingangsklemme* des Schmitt-Triggers und der Kollektor des Transistors angeschlossen ist, durch einen parallel zur Stromquelle liegenden Spannungsteiler, dessen Abgriff an der Basis des Transistors angeschlossen ist, und durch einen Serienwiderstand und eine Vorspannung im Emitterstromkreis des Transitstors, das Ganze derart, daß an den Triggereingangsklemmen einerseits die entladungsstromabhängige Spannung des Widerstandes im Speisestromkreis und eine vom Kollektorstrom durch den Vorwiderstand abhängige Gegenspannung liegt, wobei der Kollektorstrom mittels der am Spannungsteiler abgegriffenen Teilspannung und der Emittervorspannung so eingestellt ist, daß die Ansprechspannung an den Triggereingangsklemmen nur für Werte des Entladungsstromes und der Entladungsspannung im Schutzbereich des Spannungs-Strom-Kennlinienfeldes der Glimmentladung überschritten wird.Design, through a series resistor in the supply circuit to which a series resistor is connected to a Input terminal * of the Schmitt trigger and the collector of the transistor is connected through a Voltage divider lying parallel to the power source, whose tap is connected to the base of the transistor is, and by a series resistor and a bias voltage in the emitter circuit of the transit gate, the whole thing in such a way that at the trigger input terminals on the one hand the discharge current-dependent Voltage of the resistor in the supply circuit and one from the collector current through the series resistor dependent counter voltage is, with the collector current tapped by means of the voltage divider Partial voltage and the emitter bias is set so that the response voltage to the Trigger input terminals only for values of the discharge current and the discharge voltage im Protection range of the voltage-current characteristic field of the glow discharge is exceeded.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Von diesen Zeichnungen istThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings in an exemplary embodiment. Of these drawings is

Fig. 1 ein Diagramm des Spannungs-Strom-Kennlinienfeldes beim Betrieb einer elektrischen Glimmentladung, 1 shows a diagram of the voltage-current characteristic field when operating an electric glow discharge,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Detektors zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.F i g. 2 shows a circuit diagram of a detector for carrying out the present method.

Das hier beschriebene Verfahren bezieht sich auf einen einstellbaren Schutzbereich, welcher direktThe procedure described here relates to an adjustable protection area, which is directly

809 590/368809 590/368

unter der wirklichen Kennlinie der Glimmentladung verläuft (s. Fig. 1). Strom und Spannung werden fortlaufend gemessen und die Lage des dadurch bestimmten Arbeitspunktes beurteilt. Wenn der Arbeitspunkt in den eingestellten Schutzbereich fällt, so spricht der Schnellschalter an, d. h., er löst die vorgesehenen Schutzmaßnahmen im Speisestromkreis aus. Diese bestehen im allgemeinen in bekannter Weise in einem kurzzeitigen Unterbrechen der Speisespannung und bei häufigen Wiederholungen der Störung im Ganzabschalten der Stromquelle. Die Einstellung der Schutzlinie geschieht meist durch zwei Potentiometer. Das erste dient zur Einstellung der minimalen Brennspannung, das andere zur Einstellung der Neigung -τ*-. Diese beiden Einstellungenruns below the real characteristic of the glow discharge (see Fig. 1). Current and voltage are measured continuously and the position of the working point determined by them is assessed. If the operating point falls within the set protection range, the high-speed switch responds, ie it triggers the protective measures provided in the supply circuit. These generally consist in a known manner in a brief interruption of the supply voltage and, in the case of frequent repetitions of the disturbance, in completely switching off the power source. The guard line is usually set using two potentiometers. The first is used to set the minimum operating voltage, the other to set the inclination -τ * -. These two settings

sind in Abhängigkeit von der Gasart, dem Druck, der Temperatur und der Katodenfläche der Entladung anzupassen. Änderungen der Betriebsspannung erfordern keine Nachstellung des Schnellschal- ao ters; selbst für extremen Impulsbetrieb der Glimmentladung ist dieser Schnellschalter geeignet.are dependent on the type of gas, the pressure, the temperature and the cathode area of the discharge adapt. Changes to the operating voltage do not require the quick switch to be readjusted ters; This high-speed switch is suitable even for extreme pulsed operation of the glow discharge.

Dieses Schnellschalterprinzip ist auch für Drehstrom geeignet. Es werden drei gleiche Detektorschaltungen, je eine für eine Phase, verwendet und as die drei Ausgänge parallel geschaltet. Die Schutzmaßnahmen werden daher ausgelöst, wenn in einer der drei Phasen sich eine Störung bemerkbar macht. In der hier beschriebenen Einrichtung wird vorausgesetzt, daß der Transformatorsternpunkt ausgangsseitig nicht angeschlossen ist bzw. die Transformatorsekundärseite in Dreieckschaltung geschaltet ist. Die drei symmetrischen Katoden seien an je eine Phase angeschlossen. Die Strommessung in jeder Phase bietet keine Probleme. Die Messung der richtigen Brennspannung ist kompliziert, da die Entladung abwechslungsweise zwischen den drei Katoden brennt. Es wurde festgestellt, daß das Gasplasma annähernd auf dem positivsten Potential der drei Katoden liegt. Somit ist immer mindestens eine der Elektroden katodisch, und für deren Entladung -ist die Spannung zwischen ihr und dem positiven Plasma maßgebend. Da der metallische Rezipient ungefähr das Potential des Plasmas annimmt, hat es sich bewährt, die Spannung zwischen jeder Elektrode und dem Rezipienten zu messen. Die Meßeinrichtung jeder Phase wird also gebildet, indem der Strom der betreffenden Phase und die Spannung der betreffenden Elektrode gegen den Rezipienten gemessen wird, wobei es genügt, jeweils nur die negativen Werte zu erfassen. Die Störungen treten meist auf den katodisch glimmenden Elektroden auf, und zudem wird dadurch ohnehin jede Störung erfaßt, da die Entladung ohne O-Leiter arbeitet und somit jeder Störstrom eine Meßstelle passieren muß.This quick switch principle is also suitable for three-phase current. There are three identical detector circuits, one for each phase, used and the three outputs connected in parallel. The protective measures are therefore triggered if a fault becomes noticeable in one of the three phases. In the device described here it is assumed that the transformer star point is on the output side is not connected or the transformer secondary is connected in a delta connection. the three symmetrical cathodes are each connected to one phase. The current measurement in each phase offers no problems. The measurement of the correct operating voltage is complicated because the discharge alternates burns between the three cathodes. It was found that the gas plasma approximately is on the most positive potential of the three cathodes. Thus there is always at least one of the electrodes cathodic, and the voltage between it and the positive plasma is decisive for its discharge. Since the metallic recipient approximately assumes the potential of the plasma, the voltage has proven to be useful to measure between each electrode and the recipient. So the measuring device of each phase becomes formed by contrasting the current of the phase in question and the voltage of the electrode in question the recipient is measured, whereby it is sufficient to record only the negative values in each case. the Malfunctions usually occur on the cathodically glowing electrodes, and in addition, this is anyway every disturbance is recorded because the discharge works without an O-conductor and therefore every disturbance current is a measuring point must happen.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für eine einfache Schaltung mit nur einem Transistor in der eigentlichen Detektorstufe gezeigt. Mit 1 ist der speisende Gleichrichter, mit 2 das Entladungsgefäß bezeichnet, in welchem die Glimmentladung stattfindet. Der Strom in der Glimmentladung l_g bewirkt über dem Widerstand 6 einen Spannungsabfall. Diese Spannung ist über den Widerstand 7 an den Eingang eines Schmitt-Triggers 4 gelegt. Dieser Schmitt-Trigger bekannter Bauart spricht an, wenn seine Eingangsspannung U_a einen bestimmten Wert erreicht und gibt dann am Ausgang 5 ein Signal ab. Am Entladungsgefäß 2 liegt eine Spannung U_g, so daß über den Spannungsteiler 9,FIG. 2 shows an example of a simple circuit with only one transistor in the actual detector stage. 1 with the feeding rectifier and 2 with the discharge vessel in which the glow discharge takes place. The current in the glow discharge l _g causes a voltage drop across the resistor 6. This voltage is applied to the input of a Schmitt trigger 4 via the resistor 7. This known Schmitt trigger responds when its input voltage U _{a reaches} a certain value and then emits a signal at output 5. A voltage U _{g is applied} to the discharge vessel 2, so that via the voltage divider 9,

10 der Anteil α U_s an die Basis des Transistors 3 gelangt. Dieser Transistor 3 bildet den wesentlichen Teil der Detektorschaltung. Die Spannung α U_g bewirkt einen Strom durch Emitter und Kollektor des Transistors, welcher im wesentlichen abhängt von aUg, U₀ und dem Widerstände. Der durch diesen Strom bewirkte Spannungsabfall im Widerstand 7 wirkt der vom Strom I_g herrührenden Spannung entgegen und läßt somit den Schmitt-Trigger 4 erst bei entsprechend höherem Strom I_g ansprechen. Die aus dieser und ähnlichen Schaltungen resultierende, den Schutzbereich begrenzende Schutzlinie ist in F i g. 1 dargestellt. Mit 1 ist die wirkliche Kennlinie der Glimmentladung bezeichnet, mit 2 die durch eine Schaltung nach F i g. 2 erreichte Schutzlinie, und das schraffierte Gebiet 3 stellt den Schutzbereich dar. Der Schutzbereich ist nach links begrenzt und reicht nicht bis zum Strom Null, denn es muß ein minimaler Strom fließen, um den Schmitt-Trigger zum Ansprechen zu bringen. Es handelt sich hierbei aber nicht um eine störende Einschränkung. Der Schmitt-Trigger spricht an, wenn der durch U_g und l_g gegebene Arbeitspunkt im schraffierten Schutzbereich 3 liegt.10 the proportion α U _s reaches the base of the transistor 3. This transistor 3 forms the essential part of the detector circuit. The voltage α U _g causes a current through the emitter and collector of the transistor, which depends essentially on aUg, U ₀ and the resistances. The voltage drop in the resistor 7 caused by this current counteracts the voltage resulting from the current I _g and thus allows the Schmitt trigger 4 to respond only when the current I _{g is correspondingly higher.} The protection line that results from this and similar circuits and delimits the protection area is shown in FIG. 1 shown. With 1 the real characteristic of the glow discharge is designated, with 2 the through a circuit according to FIG. The protection line reached 2, and the hatched area 3 represents the protection area. The protection area is limited to the left and does not extend to current zero, because a minimum current must flow in order to make the Schmitt trigger respond. However, this is not an annoying limitation. The Schmitt trigger responds when the operating point given by U _g and l _g lies in the shaded protection area 3.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Überwachung des elektrischen Verhaltens einer stromstarken Glimmentladung für metallurgische Verfahren, wie Diffusionsverfahren, Katodenzerstäubung, Nitrierhärtung u. dgl., zwecks Beeinflussung der Speisestromkreise durch signalgesteuerte Mittel, dadurch gekennzeichnet, daß in dem unterhalb der erwünschten Sollkurve für den Arbeitspunkt der Glimmentladung im Spannungs-Strom-Kennh'nienfeld ein, auch das Gebiet unstabiler Entladungen umfassender Schutzbereich definiert wird durch einen einstellbaren, von den Speisestromkreisen beeinflußbaren Detektor, der dann ein Steuersignal für die genannten Mittel liefert, wenn der Arbeitspunkt von der Sollkurve so weit abweicht, daß er in den Schutzbereich fällt.1. Method for monitoring the electrical behavior of a high-current glow discharge for metallurgical processes such as diffusion processes, cathode sputtering, nitriding and the like, for the purpose of influencing the supply circuits by signal-controlled means, thereby characterized in that in the below the desired target curve for the operating point of the glow discharge in the voltage-current characteristic field a protection area, including the area of unstable discharges, is defined by an adjustable, from the feed circuits influenceable detector, which then sends a control signal for the said Average delivers when the operating point deviates from the target curve so far that it falls into the Protection area falls. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Detektor aus einer entladungsstromabhängigen Spannung der Entladungsspannung selbst und einer einstellbaren Vorspannung eine Steuerspannung gewonnen und einem trägheitslosen Schaltorgan zugeführt wird, das die genannten Mittel im Speisestromkreis beeinflußt, beispielsweise die Entladungsspannung in bekannter Weise kurzzeitig abschaltet.2. The method according to claim 1, characterized in that the detector from a discharge current dependent Voltage of the discharge voltage itself and an adjustable bias voltage obtained and a control voltage is fed to an inertia-free switching element, which influences the said means in the supply circuit, for example, the discharge voltage switches off briefly in a known manner. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Detektor, der aus einer pnp-Transistorschaltung besteht sowie aus einem Schmitt-Trigger (4) an sich bekannter Bauart, durch einen Serienwiderstand (6) im Speisestromkreis an dem über einen Vorwiderstand (7) eine Eingangsklemme des Schmitt-Triggers (4) und der Kollektor des Transistors (3) angeschlossen ist, durch einen parallel zur Stromquelle liegenden Spannungsteiler (9, 10), dessen Abgriff an der Basis des Transistors (3) angeschlossen ist, und durch einen Serienwiderstand (8) und eine Vorspannung (11) im Emitterstromkreis des Transistors, das Ganze derart, daß an den Trigger-3. Device for performing the method according to claims 1 and 2, characterized by a detector consisting of a pnp transistor circuit and a Schmitt trigger (4) of known type, through a series resistor (6) in the supply circuit to which via a series resistor (7) an input terminal of the Schmitt trigger (4) and the Collector of transistor (3) is connected through a parallel to the power source Voltage divider (9, 10), the tap of which is connected to the base of the transistor (3), and by a series resistor (8) and a bias voltage (11) in the emitter circuit of the transistor, the whole thing in such a way that the trigger eingangsklemmen einerseits die entladungsstromabhängige Spannung (U_a) des Widerstandes (6) im Speisestromkreis und eine vom Kollektorstrom durch den Vorwiderstand (7) abhängige Gegenspannung liegt, wobei der Kollektorstrom mittels der am Spannungsteiler (9, 10) abgegriffenen Teilspannung und der Emittervorspannung (JJ₀) so eingestellt ist, daß die Ansprechspannung an den Triggereingangsklemmen nur für Werte des Entladungsstromes und der Entladungsspannung im Schutzbereich des Spannungs-Strom-Kennlinienfeldes der Glimmentladung überschritten wird.input terminals on the one hand the discharge current-dependent voltage (U _a ) of the resistor (6) in the supply circuit and a counter voltage dependent on the collector current through the series resistor (7), the collector current by means of the partial voltage tapped at the voltage divider (9, 10) and the emitter bias voltage (JJ ₀ ) is set in such a way that the response voltage at the trigger input terminals is only exceeded for values of the discharge current and the discharge voltage in the protected area of the voltage-current characteristic field of the glow discharge. 4. Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens für eine Glimmentladung, die aus einer Dreiphasenstromquelle gespeist ist, gekennzeichnet durch je eine Transistorschaltung pro Phase der Speisestromkreise und einen gemeinsamen Schmitt-Trigger, dessen Eingangsklemmenspannung eine algebraische Summe der Phasenspannungen und der drei Gegenspannungen ist.4. Device according to claim 3 for carrying out the method for a glow discharge, which is fed from a three-phase power source, each characterized by a transistor circuit per phase of the supply circuits and a common Schmitt trigger, the input terminal voltage of which is an algebraic sum of the Phase voltages and the three counter voltages. In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschriften Nr. 212 954,
733.Considered publications:
Austrian patent specification No. 212 954,
733 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 809 590/368 8.68 © Bundesdruckerei Berlin809 590/368 8.68 © Bundesdruckerei Berlin