DE2036247A1 - Temperaturregelvorrichtung fur eine elektrische Heizvorrichtung - Google Patents

Temperaturregelvorrichtung fur eine elektrische Heizvorrichtung

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DE2036247A1
DE2036247A1 DE19702036247 DE2036247A DE2036247A1 DE 2036247 A1 DE2036247 A1 DE 2036247A1 DE 19702036247 DE19702036247 DE 19702036247 DE 2036247 A DE2036247 A DE 2036247A DE 2036247 A1 DE2036247 A1 DE 2036247A1
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temperature
pyrometer
heating
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Oded Poughkeepsie NY Paz (V St A )
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    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means
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    • GPHYSICS
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications

Description

International Business Machines Corporation, Armonk, N,Y. 10504 Temperaturregelvorrichtung für eine elektrische Heizvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelvorrichtung für eine elektrische Heizvorrichtung zur Erzielung einer vorbestimmten Tem-, peratur eines in einem von einer Hochfrequenzheizspule beheizten Quarzrohr beweglichen Objektes, mit einem ersten Regler für die Heizleistung, dessen Meßfühler eine Induktionsspule im Induktionsbereich der Heizspule ist, mit einem zweiten von einer FUhrungsgröße abhängigen Regler, dessen Meßfühler ein Thermoelement außen am Quarzrohr ist und dessen Stellgröße ebenfalls die Heizleistung ist und mit einem Pyrometer zum direkten Messen der Objekt temperatur. ;
Bei dem Objekt kann es sich zum Beispiel um ein Halbleiterelement handeln, das epitaxisch wachsen soll. Das Halbleiterelement besteht dann beispielsweise aus Silizium und wird durch das Quarzrohr hindurch bewegt, in dem sich eine für das epitaxische Wachsen reagierende Gasatmosphäre befindet. Für die angestrebte epitaxische Wirlomg kommt es darauf an, daß das Halbleiterelement möglichst .
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genau auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, die eich unter Umständen während des ganzen Vorganges in bestimmter Weis« ändern kann. Die Temperatur des HaHbeiterelementee konstant zu halten, würde keine großen Probleme verursachen, wenn man die Temperatur des Halbleitereleaentes einwandfrei messen könnte. Das ist aber mit der pyrometrischen Messung nur bedingt möglich, denn diese wird erheblich' gestört durch das Quarzrohr· Diese Störungen sind auch noch abhängig von der jeweiligen Lage des Halbleiterelementes im Zuge des Bearbeitungavorgaages >
In manchen Stellungen des Baibleiterelementes ist eine pyrometrie sehe Messung überhaupt nicht möglich, weil das Pyrometer nicht auf das Halbleiterelement fokussiert werden kann. Auch unterliegt die pyromterische Messung noch weiteren Fehlerquellen. Auch die Messung mittels eines Therao element es außen aas Röhrehen läßt nur mittelbare Schlüsse auf die Temperatur <§e® Halbleiterelementes au. Die Folge ist, daß bei einer bekannte» ?©iriehtung der eingangs genannten Art, b©i der äer &neit© legier von einer Bedienungsperson nach Maßgabe von Seit ssu Zeit vorgenommener pyroneirischer Messungen nachgestellt wirü9 di© Temperatur äee Hai Blei terelementes nur sehr wenig genau auf dem aagestrebtea Wert gehalt®!! werden kann. . .
Aufgabe der Erfindimg ist es daher, bei ®±n®r Vorrichtung der eingangsgenannten Art ?ork@hrung®n m tr®ff@a9 daß die vorbestimmte Temperatur d@s Objektes möglietat gensa eingehalten werden kann·
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß äas Pyrometer MeQ-organ eines dritten Heglers iat, aus gase« Stellgröße.in einer Verarbeitungseinheit die PtthrungBgr5ße' füy" &m zweiten Regler abgeleitet wird und d®8 die. Medialteigen des* beiden T@üperaturmfßfühler in einer Probevörrich-teig periodiscli getastet werden und daS in der der PxobevOrriohtung' hachgeBettalteten Yerabreltungseinheit aus den getasteten M®8n»©rten des Pyrometers in einem ersten Yergleiöher gegenüber @in@ei äußeren Einrichtungseignal ein erstes Pehlereignal abgeleitet nird, uad" das-In einem;- zweiten Vergleicher der ?erarbeitung3@inh©it aus ii©aem ersten fehlersignäl und einem Korraktursignal9 das aus der Summe des Korrektursignals
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für den voraufgegangenen Meßzyklus und des ersten Fehlersignals für den voraufgegangenen Meßzyklus ein zweites Führungssignal abgeleitet vird und daß in einem dritten Vergleicher der Verarbeitungseinheit aus dem zveiten FUhrungssignal und den getasteten Meßwerten des Thermoelementes ein zweites Fehlersignal abgeleitet wird, aus dem ein Stellsignal für die Heizleistung abgeleitet
wird. Die Erfindung macht eich den Umstand zunutze, daß zwischen der äußeren Temepraturmeesung mit dem thermoelement und der pyrometrlschen Temperaturmessung Beziehungen bestthen, die eich sum Teil theoretisch errechnen lassen, sum Tell empirisch ermitteln laBßen. Aufgrund dieser Beziehungen kann wie reiter unten gezeigt wird auch bei nicht kontinuierlicher eondern nur periodischer Auswertung der TemperaturmeQergebniese eine einwandfrei« gtellsignäl zum Nachstellen der Heizung gewonnen werden, aufgrund dessen dann die gewünechte Temperaturkonatante ersielbar ist. Bemerkenswert ist dabei, daß dies mit einer diskontinuierlichen also periodischen Auswertung der Temperaturmessung«! möglich ist. Auf diese Welse kann dem umstand Rechnung getragen werden, daß nicht ständig eine pyrometrieche Messung durchgeführt werden kann, bedingt durch eine besonders ungünstige Lage, die das Objekt im Zuge seiner Fortbewegung von Zeit ku Zelt einniaet. Wann diese Situationen auftreten ist vorhersehbar und man kann deshalb die Periodic!tat der Auswertungen darauf abstellen.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Temperaturregelvorriehtung, von der die Erfindung ausgeht,
Fig. 2 die Schaltung des Hochfrequenz generator« bu Pig. 1B
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Regelfunktion der Vorrichtung nach Flg. 1,
Flg. 4 eine Vorrichtung nach der Erfindung in Blockdarstellung,
Fig· 5 die Regelkreise aus Fig. 4 noch einmal herausgesvichnet mit weiteren Details,
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Pig. 7 den Meßfühler eines Strählungspyrometers,
Fig« 8 eine Schaltung zum Eichen der Vorrichtung nach Fig. 4 und Fig. 5,
Fig. 13 eine Weitere Schaltung zum Eichen der Meßfühler der Vorrichtung nach Fig. 4 und 5 und
Fig. 6,
9 - 12 und
14 -17 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der beteiligten Regler.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Hochfrequenzabfühlspule bezeichnet, die als Meßfühler an ein Vergleichselement 9 angeschlossen ist, das unter dem Einfluß eine; auf der Leitung 20 eingespeisten Führungs-θί gnals ein StelleignsiJBum Nachstellen des Hochfrequenzgeneratore 8 erzeugt, der eine hochfrequente Hei wechselspannung für eine Heizspule 18 erzeugt, die induktiv mit der Abfühlspule 10 gekoppelt ist. Der Regelkreis aus der Abfühlspule 10, dem Vergleichselement 9 und dem Generator 8 alt der Heizspule 18 dient dazu, Spannungsschwankungen in der Heizleistung schnell auszugleichen. Die Heizspule 18 beheist ein Reaktionsrohr 13 aus Quarz an dem außen ein Graphitblock 12 mit einem Thermoelement 5 angeordnet ist. Das Thermoelement 5 ist über die Leitung 11 an ein Vergleichselement 17 angeschlossen, aus dessen Ausgangsepannung in der Analogschaltung 6 das FUb rungs signelffür den leistungsregler des öenerators 8 abgeleitet wird, die in das Vergleichselement 9 eingespeist wird. Innerhalb des Reaktionsrohres 13 ist als Träger ein Boot 15 aus Graphit vorgesehen, auf den ein Halbleiterelement 14 aus Silizium angeordnet ist, das epitaacisch wachsen eoll· Das Boot wird zu diesem Zweck während des Heizens von einem Sude des Reaktionsrohrs zum anderen bewegt. Auf das Halbleiterelement U ist als optischer Abfühl er 16 ein Pyrometer gerichtet, das die Temperatur des HaIbleltereleaentes mißt. Diese Messung kann aber nur durchgeführt werden, wenn sich das Halbleiterelement 14 In einer Stellung befindet, in der es von dem optischen Abfühler erfaßt werden kann. Aufgrund
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der Temperaturmeßwerte des optischen Abfühlers stellt eine Badiammgsperson 7 das Vergleichselement 17 von Zeit zu Zeitnacb.
Gemäß Pig, 2 gelangt daB Pübrungssigna$uf der leitung 20 in einen Magnetverstärker 21 und verstärkt in eine sich selbst sättigende Reaktionseinheit 22, in die das Meßsigneider Tastspule TO und eine Eingangsleistung eingespeist werden. Die Reaktionsschaltung 22 treibt die Primärseite eines Transformators 33» dessen Sekundärseite über einen Gleichrichter 21 einen Oszillator 24 treibt, dessen hochfrequente Ausgangsspannung die Heizspannung für die Heizspule
Zwischen der Temperatur des Graphitblocks 12, die mit dem Thermoelement 5 gemessen wird und der Temperatur des Halbleiters H, die mit dem optischen Abfühler von Zeit zu Zeit gemessen werden kann, besteht eine Differenz, die in Pig. 3 für den in Präge stehenden Temperaturbereich aufgetragen ist und etwa 78 bis 91 Grad Celsius beträgt. Die Bedienungsperson kann diese bekannte Temperaturdifferenzbeziehung beim Nachstellen für das Vergleichselement»17 berücksichtigen, Die Temperaturdifferenz ist im praktischen Betrieb aber außerdem abhängig von einer Reihe von Parametern, zum Beispiel der Umgebungstemperatur und der Lage des Halbleiters 14 innerhalb des Reaktionsröhrchens 13, wobei zu berücksichtigen ist, daß eich die Umgebungstemperatur nach längerer Betriebszeit erheblich erhöhen kann. Aus diesem Grunde ist auf diese Weise ein exakte Steuerung der Temperatur des Halbleiters 14 wie sie für einen epitaxischen Wachstumsprozeß wünschenswert ist, nicht durchführbar.
In Pige 4 ist mit 141 ein. Reaktionsrohr aus Quarz bezeichnet, in dem auf einem als Graphitblock ausgebildeten Boot 142 ein Halbleiterelement 157 angeordnet ist. Das Boot 142 wird während des epitaxischen Wachstumsprozesses durch das Reaktionsrohr 141 hindurchbewegt o Das Reaktionsrohr 141 ist mit einer Heizwicklung I40 umgeben, die von einem Hochfrequenzgenerator 160 mit hochfrequenter Heizspannung beschickt wird· Außen angrenzend an das Reaktionsrohr Hl ist ein Graphitblock 155 angeordnet, in den ein Thermoelement
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143 eingelassen ist, das über eine Meßleitung 153 an eine Probevorrichtung 149 angeschlossen Ist. Mit 156 let ein optischer Abfiihler bezeichnet, der als Pyrometer ausgebildet ist, Der Meßstrahl 144 des Pyrometers beziehungsweise optischen Abfühlers 156 1st auf das Halbleiterelement 157 gerichtet, sofern dies aufgrund der jeweiligen Stellung des Halbleiterelementes im Zuge seiner 'Fortbewegung durch das Reaktionsrohr 141 möglich ist. Die MeQ-leitung 154 des optischen Abftthlers ist ebenfalls an die Prüfvorrichtung 149 angeschlossen. Der Prüfvorrichtung 149 ist eine Verarbeitungseinheit 148 nachgeschaltet, deren Aufbau und Funktion weiter unten in Verbindung mit Fig. 5 näher erläutert wird. Dieser Verarbeitung einheit 158 ist eine Halteschaltung 159 nachgeschaltet, die das nioht kontinuierlich vorliegende Hehlereignal der Verarbei lunge einheit In «in kontinuierlich vorliegendes Signal umwandelt, das in den einen Singang «in·· !Afferent! alYeretärkers 152 eingespeist wird. An den anderen Singang des Differentlalveretärkers 1st die Meßleitung 150 einer induktiv mit der Heizspule 140 gekoppelte Abfühlspulβ angeschlossen· Der Mfferentialveretärker 152 erseugt nach Maßgabe der drei Regelkreise, die zu den drei Meßfühlern, nämlich den Thermoelement 143f dem optischen AbfÜhler 156 und der AbfUhlspule 151 gehören, ein kombiniert®« Stellsignal für den Generator 160, so daß diese? die Temperatur des Halbleiterelementes 142 exakt auf einem gewünschten W@rt hält. BIe Temperatur des Halbleiterelementea 157 ist mithin mittelbar beziehungsweise unmittelbar Stellgröße für alle drei Hegelkreise.
.Dem Differential verstärker Vorgeschaltet ist ein Gleichrichter für dia Maßspannung auf der Meßleitung 150.
Die Probevorrichtung I49 tastet die Meßwerte der beiden !temperaturfühler 143, 156 diskontinuierlich unter Zugrundelegung eines vorbestimmten Zeittaktes, so daS bei jeder lastung des Pyrometers am Pyrometer auch tateäobliob eine Messung der Temperatur des _, Halbleiterelementes 42 stattfindet, figur 5 *eigt dos Ausführungso beispiel nach flg. 4 aussctmittsveles alt Details der Verarbel*- tungselnhelt. .
Bei Betrieb wird zunächst als erste fObxiaagagru0e filsr den dritten ^ Regelkreis, an den der optische AbfUbier 156 als MeSfübler ang·- to schlossen ist, eine Spannung K1 von anteil als eretea ftUtcungaaig-κ, nal in die Verarbeitungselnbelt 156 eingeipelftt, dl» dowv an den Verglelotaer 163 gelangt· Aa
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den Vergleicher 163 gelangt auch dieMeß spannung; e.-j aus dem dritten Regelkreis· Der Vergleicher 163 bildet die Differenzepannung zwischen der Spannung R1 und der Spannung O1 und gibt diese ale erstes Fehlersignal B| ab. Aus den ersten Fehlersignal E1 wird ein zweites PUhrungasignal R2 für den zweiten Regelkreis, dem das Thermoelement 143 eis Meßfühler zugeordnet ist, abgeleitet.
Zu diesem Zweck wird zunächst ein Faktor &. errechnet, und zwar als Summe des Faktors λ aus de« vorauf gegangenen Probezyklus und dem ersten Fehlersignal E1 ebenfalls aus dem voraufgegangenen Probezyklus. Dies erfolgt in dea zweiten Vergleicher 161« Zu Beginn, also zur Zeit t ■ 0, wird der Faktor & mit dem Wert θ2/ also der Meßspannung des zweiten Regelkreises angesetzt* In einem dritten Vergleicher 162 wird aüe der Differenz zwischen demzweiten Führundgeeignal Rg 1^ dtr Meeepannung θ2 des zweiten Regelkreises die Differenz gebildet, die als «weites Fehlenignal B2 an die Halteschaltung 159 gelangt·
Die MeSβpennung θ2 entspricht der Temperatur des Graphitblocke 135, die in dem Thermoelement 143 gtmessen wurde. Diese Temperatur ist weitgehendstabil und hängt im wesentlichen nur τοη der magnetischen Feldstärke d«r E^lsepttlv 140 ab, steht aber nioht in einem exakten Zueaeoienhe»« su der Temperatur dee Halbleiters 157.
Die Meß spannung O1 entspricht der pyrometrie ch tatsächlich und direkt gemessenen Temperatur des Halbleiters 157. Da Jedoch das Halbleiterelement 157 seine !sage -rerändert,und dabei auch Lagen einnimmt« auf die der pyxoaetriache Abtaststrahl 144 nicht fokussiert werden kann, kann man keine kontinuierliche pyroeetrische Temperaturmessung durchführen. In der Proberorriohtung 149 stehen also die Meßwerte des optischen Abfühlers 156 mit niedrigerer Folgefrequenz als die des Ihexaoelementes 143 zur Verfügung.
Die optisch gemessenen Temperaturwerte werden, wie weiter unten noch näher erläutert unter Kugrundelegung vorbekannter Siissionsw er te korrigiert·
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Die am Graphitblock 155 und am Halbleiterelement 157 gemessenen Temperaturen unterscheiden sich. Um nun aus dem ersten Fehlersignal E- eine exakte Führungsgröße für den zweiten Regelkreis mit dem Thermoelement ale Meßfühler ableiten zu können, muß man die Beziehungen zwischen diesen beiden Temperaturen kennen. Biese Beziehungen hängen von einer Reihe von Umständen ab, die zum Teil bekannt und zum Teil unbekannt sind, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit mit der das am epitaxischen Wachsen beteiligte reagierende Gas das Reaktionsrohr Ht durchströmt, die Geschwindigkeit, mit der dale Boot 142 weiterbewegt wird und die Geschwindigkeit, mit der das Reaktionsrohr 141 aufgeheizt wird. Dies erfolgt durch Einführen des Faktors K nach der Gleichung:
P k (neu) β k (zuvor) + E1 (zuvor ) Gleichung 1
Die Verhältnisse lassen sich am besten anhand eines praktischen Beispiels Übersehen. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird von folgenden Größen ausgegangen:
R1 . w C 20° 1200° - 1180° » 20° C
zur « 20°
C + 1098° -.1118° C
e2. C C
(t0) -^1C
• 12 00 gesetzt.
Zeit t0 + k(t0) =
« 1180° -92(t0)
■ 1098°
b0) « R1
k wird zunäohst ©2
R2 s
E2,
■ B1Ct0)
- R2Ct0)
Wie erwartet ist ein Temperaturabfall, der am ersten Regelkreis kenntlich wird, auch am zweiten Regelkreis kenntlich. Zur Zeit t0 * T ergeben sich folgende Werte: .
109809713 ti
-Sf- P 15 913
%Λ = 1205° C
= 1119° C
-5°
) « 1118° C R2C\+Τ) = B1C to+T) + ^*ο+Τ) * -5°■ 0 ♦ 1118° «1113° C B2 * R2Ct0+1) - WT)a ~6° C
2 20 W
Biese Fehlerkorrektur aetet »ich fort bia B1 * 0 , woraufhin dann konstant bleibt.
Das zweite Feblersignal Bg gelangt in die Haltevorrichtung 159»die daraufbin ein Bauersignal der Größe des Fehleraignals E2 abgibt,bis ein neues Peblersignal Eg von der Verarbeitungseinbeit 158 an die Haltevorrichtung gelangt, das diese dann als Bauersignal abgibt und ao fort. FUr die Benessung der Probetakt·» alt der die Probevorrichtung 149 arbeitet, nuß saudie Totsalt der Regelkreise in Betracht ziehen. Insbesondere auch unter den Gesichtspunkt, daß keine Regelschwingungen entstehen. Wenn die Probevorricbtung 149 neue Meßwerte G1 und O2 ergibt, dann wird daraus ein xweitea Fehlersignal E2 abgeleitet, das nun in der Halteschaltung 159 gehalten wird und als kontinuierliches Peblersignal in den Bifferentialverstärker 152 eingespeist wird, wo es gemeinsam alt der Meßgröße des ersten Reglerkreises, zu dem die Abfühlspule 151 gehört, sub Stellsignal für den Generator 160 verarbeitet wird. Bret wenn nach Ablauf einer bestimmten^Zeit die Probevorrichtung 149 neue Proben vornimmt und neue Meßwerte O1 und O2 abgibt, wird ein neues zweites Feblersignäl E2 ermittelt, das dann statt des voraufgehenden in der Halteschaltung 159 bis zum näohsten Probezyklus gehalten wird.
Es sei angenommen, daß der Regelkreis mit der Abfühlspule 151 zehnmal schneller anspricht als die Regelkreise Bit den Temperaturfühlern. Diese Gescbwindigkeitsverbältniese erkennt aan durch Vergleich der Regeldiagramme der betroffenen Regelkreise. Ba die Messung des dritten Regelkreises, das ist die pyrometrisobe temperaturmessung, nicht immer durchführbar let, Im Gegensatz zur Temperaturmessung mit dem Thermoelement 143 folgen die Proben für die Meßgröße des ersten Regelkreises mit größerem Abstand aufeinander, als die für die Meßgröße dee zweiten Regelkreises. Die Größe C, bleibt
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am Ausgang der Probevorrichtung jeweils bis zur nächsten Probe der alte Wert,
Aus den Regeldiagrammen gemäß Pig. 14 und 15 ergeben sich die folgenden Regelfunktionen:
G(s)
(s + 0,0095) (s + 0,095)
A = 24,4
(ju + 0,0095) (je* + 0,095)^, ^
-3
= 2,62 3t 10
Daraus errechnet dich
Gleichung 2
Gleichung 3
- e-8t)
(s + 0,0095) (β + 0,095)'
Gleichung 4
die umgewandelt warden kann ins
θ U
(1-e"et)
[30,7 38, 8 (b+0,
3 7,29 0,325
+ ■ — + ■— : Λ
0095) (β+0,095) (e+0,095)_
Gleichung 5
Will man digital arbeiten, dann ou3 man die Meßwerte digitalisieren und dann buS man die Periodizität für die Proben anpassen. Me dieser Digitalisierung zugrunde liegende Theorie lieferte die Erkenntnis, daß man ein Signal auf einem begrenzten Band theoretisch vollständig aus der digitalisierten Fora wiedergewinnen kann, wenn die Bandbreite die BHIfte der Probefrequenz ist. Praktische
INSPECTED-
- tr- λλ ρ 15 913
Überlegungen führten dazu, daß es zweckmäßig ist, die Probefrequenz mindestens fünf mal so hoch nie die Bandbreite zu wählen.
Aufgrund der aus Fig. 14 ersichtlichen MeSergebnisse wird die Probefolgefrequenz auf einen Probezyklus pro Sekunde entsprechend einer Probeperiode in einer Sekunde festgelegt.
Führt man nun die s-Sransformation durch, dannergibteicht
θ -■ 30,7 38,3 7,29 - (ζ) = (1-b"1) +
(ζ) (b) \Τ
U 1-B; 1~0,99055b \ 1-0,9093z
■:■■■■ 0,293b""1
(1-O,9O93b"1)2 Gleichung
die vereinfacht werden kann zu:
ν ■■■'■■ - - . -
θ 0,31 (-1+1,9U"1 -0,4323b"2 -8,04b"3
- (β) · g(b) - ·-·—---'-.-T"———■-g-
Gleichung
Multipliziert aan den Zähler durch, dann ergibt sieht r 0,31 <U1,475b·1) ( -U3,385b·1- 5,432 b"2)
(1-O,99O55b·1) ( 1-O.9O93·"1)2
7a
Die Übertragungefunktion enthält eine lull auQerhalb des SLnheitekreises bei -1,475 und Pole bei +0,99055 und 0,9093, wob«! der i
letztere ein Doppelpol iet. fHr den »ohwinguneefreien GrenBfall ruß die Funktion Ktβ) die Nulleteile von ß(e) enthalten. Also gilt:
K(b) β (1 + 1,475 B~1) ( atiT1) Gleichung
1 - KCb) - (1 - β"1) ( 1 Vb1B"^ Gleicshung
mit folgenden Beziehungen!
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Gleichung 10 1,47Sa1 = bT
βλ = 0,404
b-, =0,596 ■■■"..,,
Κ( ζ) = 0,404z"1 + 0,596z""2 Gleichung 11
Die Zeitverhältnisse, nach dem das !©glersystem für den schrittweisen Eingang arbeitet, sind in Fig. 6 im Diagramm dargestellt.
Die Impulsübertragungsfunktion errechnet sich zus
D(z) = *|gJ · Gleichung 12
^z) i£(z)
0,404z"1 - 0,539z"2 - 0,61z"3 +1,246s"4■- 0,493z"5 ■-0,31+0,716z" -0-, 188ζ~ίί-2,79z"^+1,08z"4+1,49z*"'
Gleichung 13
Diese Antwort gewinnt man, indem man die letzten fünf Messungen des Auegange speichert.
Praktisch verwirklicht wird das Ergebnis dieser Rechnung, indem das zweite Fehlersignal als Eingang in Sie Probevorrichtung 149 eingespeist wird, die dann mit einer.F-zobenpexlodendauer voneiner Sekunde arbeitet. Bis Ausgangswerte gelangen nach Bearbeitung in die Haltevorrichtung 159 und von da als Eingang in den Differentialveretärker 152 und achließlich als Stellgröße an den Generator 160»
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Die Temperaturmessung durch pyrometrische Strahlungsmessung kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Sie bietet eine Reihe von Vorzügen, nämlich
1.es ist unmittelbarer mechanischer Kontakt mit der zu messenden Oberfläche nicht erforderlich,
2.ist diese Methode auch bei stark aggressiver Umgebung des Halbleiterelementes anwendbar,
3»liefert diese Methode sehr genaue Meßergebnisse und 4»ist diese Messung verhältnismäßigschnell durchführbar.
Grundsätzlich kommen in Verbindung mit der pyrometrischen Temperaturmessung >des" Halbleiters 157 zwei verschiedene Pyrometer in Frage, nämlich optische Pyrometer und Strahlungspyrometer.
Die Temperaturmessung in Verbindung mit optischen Pyrometern beruht auf der Tatsache, daß die Strahlungsintensität eines glühenden Körpers eine Punktion der Temperatur ist. Wenn der Körper schwarz ist, gilt für die Strahlungstemperatur die Plancksehe Strahlungsgleichung
N1L__ Gleichung U
1^ /λ
Dabei 1st N^ die Strahlungsintensität bei der Wellenlänge X eines schwarzenKörpers, dessen thermodynamisehe Teeperatür T beträgt und die Größen G1UHd C2 sind Strahlungskonetante. Wenn Nj3^ oder ein anderer Parameter aus Gleichung I4 bekannt lot, 1st es möglich, die Temperatur zu errechnen. Absolute Strahlungsmessungen sind jedoch sehr schwierig. Aue diesem Gründe wird N^ in der Hegel relativ gegenüber einer Standardstrahlung gemesaen. Diese Messung wird an eine-imaginären Strahlungsquelle durchgeführt, nämlich dem Glühfaden der Pyrometerlampe, Die Strahlungsintensität dea Glühfadens wird dabei so lange variiert, bis der Glühfaden sich vor dem als Hintergrund dienenden glühenden schwarzen Körper nicht mehr abhebt· Die dazu erforderliche Vergleichsbeobachtung "wird mit dem Auge oder automatisch mittel« einer fotovorvielfacherröhre durchgeführt. Die Wellenlänge, mit der die
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pyrometrie ehe Messung durchgeführt wird, ist konstant Über den betrachteten Temperaturbereich. Da die Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung mit der Temperatur ansteigt, liegen die Strahlungen bei über 1000 Grad Celsius im sichtbaren Spektralbereich,
Optische Pyrometer gestatten sehr genaue Messungen und werden oft dazu verwendet, andere ThexmomeSgerate zueichen.
Sin optisches Pyrometer wird auch bei der Siebung der Temperaturmessung in Verbindung mit der Erfindung verwendet.
Bei einem Strahlungspyrometer wird die thermische Strahlung eines zu vermessenden Ziels empfangen und deren Energie in elektrische . Signale umgesetzt. Bei einem Strahlungspyrometer, das vorzugsweise P in Verbindung mit der Erfindung angewendet wixü, ist eine SiIiziumzelle vorgesehen, die bei Bestrahlung la Spektral bereich nahe dem Infrarotbereich ein elektrisches Signal aligibt· Eine solche Silizium-Solarzelle 1st in Fig. 7 dargestellt* Mit 40 1st eine dünne p-typische Slllzlumschicht bezeichnet, die auf einer dickeren n-typischen Slliziuasohioht angeordnet ist. Mit 42 ist ein negativer Kontakt bezeichnet, der auf der Httckseite der Schicht 41 angesohlossen 1st, während auf der Vorderseite entlang der einen Kante ein metallischer Streifen als positiver AnsehluBkontakt angebracht 1st·
Schaltet Ban einen elektrischen Widerstand sfftechen die beiden Kontakte, dann fließt bei Bestrahlung geaäS den eingeselohneten fe Pfeilen durch diesen Widerstand ein elektrischer Strom, der proportional der einfallenden Strahlung und dealt der Teaperatur dieser Strahlungsquelle ist·
Bei optischen Pyrometern und StrnhlunggpyjDgatara wird also aus der Strahlungsenergie auf die temperatur der SifcraMsußgaquelle geschlossen* Pea liegt das Planeksehe Strafeli>ingsgee«*ts augrunde, das jedooh korrekt nur für den Fall de» schvgirseii K8r£eye gilt. Bei den meisten Körpern handelt es sich aber oiekt an eehwarse Körper und man buS für die SeapeTAtsmiessuns^^ ai0liteiil*(iaMf^ lörper einen Korrekturfaktor einführtn, dex· miseheE JNH rnsii eis» liegt, Die
:■;.'■■ /
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Temperaturanzeige bei einem realen Körper let niedriger ale die tatsächliche Temperatur, wenn man die Plancksehe Strahlungsformel allein zugrunde legt. Der Korrekturfaktor hängt von der Beschaffenheit des Oberflächenmaterials, der gemessenen Temperatur und der Wellenlänge ab. Aus diesem Gründe muß man bei derpyrometrlschen Temperaturmessung zunächst eine Eichung aufgrund bekannter Temperaturwerte für den in Frage stehenden zu vermessenden Körper durchführen. Dies erfolgt am einfachsten empirische Bei Vorrichtungen nach der Erfindung empfiehlt sich ebenfalls eine empirische Eichung der pyrometrischen Messung. Zu diesem Zweck stellt man die unter bestimmten Bedingungen gegebene Temperaturdifferenz zwischen dem Graphitkörper 155 und dem Halbleiter 157 fest. Diese Messungen erfolgen unter den verschiedensten Bedingungen, wie sie im praktischen Betrieb-auftreten können, damit man den Verlauf dieser Differenz während des praktischen Betriebes kennt.
Fig. 8 zeigt im BlookdiagraiBffi eine Vorrichtung zur Eichung der Temperaturmessung,
Gemäß Fig. 8 ist mit 50 ein Reaktionsrohr bezeichnet, in dem epitaxie eher Wachevorgang atatt finden kann. Aufgeheizt wird diesea Röhrchen über eine Heizspirale, die an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, der voa einem Analogregler 51 gesteuert wird. Mit 53 ist die Meßleitung-eines Thermoelemente« 49 bezeichnet, das in einem Kohleboot 58 angeordnet ist. Mit 54 ist ein Strahlungspyrometer, mit 55 ein optisches Pyrometer und mit 56 ein Prisma bezeichnet, das diese beiden Pyrometer wal das aus Kohle bestehende Boot 58 richtet·
Die Kalibrierung erfolgt unter Zuhilfenahme dieses Kohlebootes 58, das als schwarrz er Körper angesehen wird· Das Kohleboot 1st ho hl. Das Thermoelement 48 befindet sich innerhalb dieses Bootes. Auf dem Kohleboot 58 1st ein Halbleiterblättehen 59 angeordnet und zwar so, daß es sehr intensivem Wäraeauetsuechkontakt mit dem Kohleboot ausgesetzt ist. ,
109809/138a
2038247
/16
ρ 15
Die- δtrahlungeemission des Blättchens 59 für eine bestimmte Tem peratur errechnet sich frie folgt:
Gleichung 15 L" 1T TB J
£ » normale spektrale Eaissionsintensität λ. « die effektive Wellenlänge, bei der gemessen wird * 0,6450 Mikron für das optische Pyrometer » 0,9 Mikron für das Strahlungspyrometer TT * die thermodynamische Temperatur Tjj » die im Pyrometer gemessene Temperatur C * eine Konstante, nämlich 14 380,0 Mikron 0K
In diesem Fall beeinflußt neben der Emissionsintensität ein anderer Faktor die gemessene Temperatur Tg. Die Messung erfolgt durch den Mantel der Quarzröhre hindurch und dabei erfolgt Energieverlüat· Desgleichen findet Energieverlust in dem Prisma 56 statt. Zur Korrektur wird dieser Verlust berechnet und zwar anhand von zwei Messungen!
Zunächst werden die Pyrometer auf das Halbleiterblättchen 59 gerichtet, dabei wird die Temperatur pyrometrisoh und mittels Thermoelement gemessen· Dann werden die Pyrometer auf eine Ausnehmung im Kohleboot 58 gerichtet, deren Boden ganz dicht neben der tastenden Spitz· des Thermoelementes 49 Hegt· Nun werden wieder pyrometrische Messungen durchgeführt und eine Vergleichsmessung mit Hilfe des Thermoelementes 49· Aus diesen MeBergebniseen kann man eine KorrefcturgröSe für den Strahlungsintensitätsverlust an der Quarz* röhrchenwandung und am Prisma 56 errechnen.
Die Me θ Bungen werden Über einen Temperaturbereich von 165 Grad Celsius in Abständen von 10 Grad Celsius vorgenommen. Die Temperatur wird verstellt, indem man die Fünrungegröße für den Analogregler entsprechend verstellt. Der Meßfühler des Analogreglers 51 1st ein Thermoelement 48, das Über eine MeBleitung 52 angeschlossen ist«
BAD O
.- Vh- P 15 913
Die Meßwerte der beiden Pyrometer 54 und 55 und die über eine Bezugsschaltung umgewandelten Meßwerte des Thermoelementes 49 werden in einem Rechner 57 verarbeitet. Die Messungen erfolgen immer erst wenn eine Temperaturstabilität von ,+ 1/2 Grad erreicht ist.
In Fig. 9-11 sind Diagramme dargestellt, die die unkompensierte und die kompensierte Temperaturmeseungen nach dieser Eichung zeigen. ■■■ : ■■■- ..-■;■ ■■,-.. '. ■ ■
Fig. 9 und 10 zeigen die unkompensierte Temperaturmessung und zwar in Fig. 9 für ein optisches Pyrometer und in Fig. 10 für ein Strahlungspyrometer. Fig. 11 zeigt diese beiden Temperaturmessungen kompensiert hinsichtlich des Strahlungsverlustes im Prisma und in der Wandung des Quarzrohres.
Fig. 11 läßt erkennen, daß die Werte für das Strahlungspyrometer im ganzen Meßbereich niedriger liegen, als die für das optische Pyrometer. Das gilt auch für die Werte aus Fig. 9 und 10 und wird kenntlich, wenn man die dort unterschiedlichen Strahlen gleich macht. Diese Unterschiede beruhen darauf, daß beim optischen Pyrometer Strahlungsverluste im Prisma und in der Quarzwandung auftre·* ten, beim Strahlungspyrometer dagegen nur in der Quarzwandung und nicht im Prisma.
Anhand der Gleichung 15 wurden, linearen Verlauf unterstellt, folgende Werte errechnet:
Für das optische Pyrometer
£ = 0,30 11-40'2.'T-- 1280° C
Für das Strahlungspyrometer ,
6= 0,38 114Oi T S 1280° C
Die gemessenen und errechneten Korrefctürfaktoren werden bei der Regeleteuerung der Vorrichtung nach Fig. 4 und 5 berücksichtigt.
Fig. 12 zeigt die Abhängigkeit zwischen der am Thermoelement 48 gemessenen sogenannten Ersatzlastte»peratür und der am Thermoelement 49 gemessenen Boottemperatür.
100000/1162
P 15 913 j>i ~
Die Parameter für die Rückkopplungen nach Fig. 5 werden nach folgenden Gesichtspunkten ermittelt und fest gelegt. Um die übertragungsfunktion zu ermitteln kann man eine Treibfunktion an den Eingang geben und die Ausgangswerte messen und so die dynamische Ckarakte- ■ rjLStik eines linearen zeitunabhängigen Syteme gewinnen. Wenn man die Anfangsbedingungen außer acht läßt, dann gilt für die Übertragungsfunktion folgende Beziehung:
Ausgangsfunktion Übertragungsfunktion =
Treibfunktion
Am einfachsten ist es, eine sinusförmige Treibfunktion einzugeben, die konstante Frequenz hat und Amplitude und Phasenlage am Ausgang zu beobachten. Diese Messungen kann man dann für verschiedene Frequenzen wiederholen. Es genügt in der Regel auf diese Weise zwei Frequenzdekaden mit den Meßwerten zu überdecken,» Die Eingangs- und die Ausgangewerte werden dann gleichzeitig aufgezeichnet. Jede einzelne Messung wird dabei erst durchgeführt, wenn sich ein stationärer Zustand eingestellt hat. Das erfordert in der Regel, daß man einige volle Sinusschwingungen abwartet.
Ss sei nun angenommen, daS die Vernaltungew·!·· des Systems durch eine lineare Differentialgleichung n-t«r Ordnung mit konstanten Koeffizienten beschrieb·» werden kann. Bezeichnet man jr(t) als Eingangsfunktion oder al· unabhängige Variable und y( t) als Ausgangsfunktion oder abhängige Variable und nimmt aan für x(t) und y(t) als Anfangswerte lull, dann ergeben sich die ersten (n-1) und (m-1) Ableitungen wie folgt:
dy(t) <T
1 ' * l2
dt dt2 ■ at*
•1 η *_ m Gleichung 16
Jt(O) = x'. (0)
=
P 15 913 Gleichung 17 Gleichung 18
Nun kann man wegen der sinusförmigen Eingangefunktion schreiben:
x(t) = aelnüt Gleichung 19
und für y(t) auerechnen· Die Gleichung 16 kann man umschreiben in
ak
dky(t)
dt1
dkx(t) Gleichung 20
dt*
Wendet man die Laplace-Transformation auf Gleichung 8 an, dann ergibt sich
Setet man
JCb)
Gleichung 21
■(■)
B(e)
Y(B) «"
G(b)
1Γ(β)
β22 Gleichung22 Gleichung 23 Gleichung 24 Gleichung 25
103609/1382
- 29--
P 15 913
Ee sei angenommen, daß der reale Teil der Pole von G(s) negativ ist, so daß für G(e) keine isolierten imaginären Pole hat. Aus diesem Grunde tragen nur die Pole der Treibfunktion zu der stationären Antwort bei.
Die stationäre Antwortfunktion des Systems lautet alsos
Αω e
st
A co e
st
es
y = Y^ Rest von G(s) es £
für β=;)ω
2.,.2
8 *
A ω
.Bt
G(e)
Gleichung 26
Drückt man G( ju> ) ale Produkt der Amplitude und Phase aus, dann ergibt sich
,30(CO)
,-3β(ω->
sin u>t -
Gleichung 27 Gleichung 28 Gleichung 29
Die Antwortdaten für den stationären Zustand werden gewöhnlich nach Bode mit einem Therm für das Amplitudenverhältnis und einem Therm für den Phasenwinkel angegeben. Theoretisch ist es nicht nötig, eine sinusförmige Treibfunktion anzusetzen. Man kann die gleichen Informationen auch erhalten, wenn man eine willkürliche Impulsfunktion als Treibfunktion ansetzt. Bei einem linearen System wendet man bei einer willkürlichen Eingangstreibfunktion x(t) die Fouriertransformation auf die unabhängigen und abhängigen Variablen an.
10980 9/13 82
ta
P 15 913
Die Übertragungsfunktion ergibt sich dann, indem man die abhängigen. Variablen der Fouriertransformation durch die unabhängigen Variablen dividiert, wie folgt:
dt Y(jco
-^t dt (j) (j
Gleichung 30
Da x(t),und y(t) im betrachteten Fall Impulsfunktionen sind, die die Null-Linie schneiden, sind sie fourier-transfοrmabel und die Integrale können für jeden Wert von Q ausgerechnet werden. Das erfolgt mittels numerischer Integration.
Fig» 13 zeigt eine Schaltung zur Durchführung der eben erörterten Messungen. Gemäß Fig. 13 ist mit 100 ein Strahlungspyrometer bezeichnet, mit 101 die Meßleitung eines Thermoelementes 99» mit 102 eine Abfühlspüle, mit 103 eine Gleichspannungsquelle, mit 104 ein Signalgenerator, mit 105 ein Magnetverstärker, mit 109 ein Oszillator, mit 98 ein Tiefpaßfilter und mit 106 ein Hochfrequenzgenera·* tor, der die Heizwechselspannung für die Heizspule 97 liefert«
Bei Betrieb wird eine Sinuswechselspannung an die Steuerelektrode des Magnetverstärkers 105 gegeben, so daß der Betrieb sinusförmig schwankt» Sie Antworten der drei Eingangsvariablen auf diese sinusförmige Treibfunktion werden geprüft. Bei diesen Variablen handelt es sich um die Temperatur des Halbleiters 107, der auf einem Graphitblock 96 in Innern eines Quarzrohres 95 angeordnet ist, die Temperatur des Graphitblocks 108, der seitlich außen an dem Quarzrohr 95 angeordnet ist und die an der Abfühlspule 102 induzierte Spannung der Heizspule 97.
Die Steuerspannung wird mittels des Signalgenerators 104 variiert» Die Messung wird im Temperaturbereich von etwa1150 Grad Celsius des Quarzrohres 95 durchgeführt. Zunächst wird abgewartet, bis das Sytem sich hinsichtlich der Temperatur stabilisiert hat. Die
10S80Ö/1382
Sinuswelle ist in diesem Pall einer 18-VoIt Gleichspannung Uber-4 ,..,, lagert. Die Sinusamplitude beträgt zunächst 2 Volt. Bei höheren 7 t Frequenzen wird die Amplitude der Sinusspannung bis auf 8 Volt angehoben. Bei jeder Messung wird abgewartet, bis das System sich stabilisert hat. Die verschiedenen Variablen werden in einem vlelkanaligen Oszillografen 109 unter Zwischenschaltung des Tiefpaßfilters 98 angezeigt. Die οszillografische Anzeige erfolgt verzögerungsfrei.
Die Meßergebnisse sind graphisch in den Figuren 14 bis 16 dargestellt, wobei das Bode»Diagramm zugrunde gelegt ist.
Die Frequenzabhängigkeit der Antwortfunktion der drei Ausgangsvariablen ist aus den Figuren ersichtlich. Fig. 4 zeigt das logarithmische Amplitudenverhältnis der Meßwerte des Thermoelemente 49· Die Übertragungsfunktion ist in dritter Ordnung angenähert mit einem eingulären Punkt bei O90095 Zyklen pro Sekunde und einem Doppelpol bei 0,095 Zyklen pro Sekunde. Me theoretische und die experimentelle Übertragungsfunktion stimmea unterhalb von 0,12 Zyklen pro Sekunde gut überein. Im höheren Frequenzbereich muß man hohe Amplituden der Treibfunktion ansetzen und das System arbeitet dann vermutlich nicht mehr linear«, Bas Phasendiagramm für die Meßwerte dee Thermoelementes 99 und des Pyrometers 100 ist in Fig. 15 dargestellt.
Das logarithmische Amplitudenverhältnie für die Temperatur des Halbleiters 107 ißt in Fig. 16 dargestellt. Die dargestellte Kurve ist weitgehend identisch zu der entsprechenden aus Fig. 15. Die Amplitudendiagramme stimmen, wie erwartet, gut miteinander iiberein mit der Ausnahme einer Verschiebung, die zu erwarten ist, weil auch die unkompensierten Meßwerte der Halbleitertemperatur niedriger waren, als die der Temperatur d@s Graphitblocke 108. Fig. 17 zeigt logarithmisch das Amplitudenverhältnis und den Phasenwinkel für die Heizspannung. Der Bandpaß liegt dabei ungefähr zehnmal so hoch wie der für die Temperatur.
- «β.- Ρ 15 913
Eine weitere Störquelle in der Praxis liegt darin, daß die beteiligten Induktivitäten aus dem angeschlossenen Rechner, aus dem Oszillografen 109, &ue der Abfühlspule 102 und dergleichen, sich gegenseitig beeinflussen können, «as zu Fehlfunktionen führen kann. Solche gegenseitige Beeinflussungen muß man deshalb ausschalten. Wenn man die Abfühlspule 102 in ein Aluminiumgehäuse unterbringt und daurch elektrostatisch abschirmt, kann man einige solche schädliche gegenseitige Einflüsse vermeiden. Dem gleichen Zweck dient auch das Tiefpaßfilter 98» das Störspannungen höherer Frequenzen zurückhält.
10980 9/1

Claims (3)

  1. ,13.7- 70 P 15 913
    ANSPRÜCHE
    Temperaturregelvorrichtung für eine elektrische Heizvorrichtung zur Erzielung einer vorbestimmten Temperatur eines in einem von einer Hochfrequenzheizspule beheizten Quarzrohr beweglichen,Objektes, mit einem ersten Regler für die Heizleistung, dessen Meßfühler eine Induktionsspule im Induktionsbereich der Heizspule ist, mit einem zveiten von einer Führungsgröße abhängigen Regler, dessen Meßfühler ein Thermoelement außen am Quarzrohr ist und dessen Stellgröße ebenfalls die Heizleistung ist und mit einem Pyrometer zum direkten Messen der Objekttemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer (156) Meßorgan eines dritten Reglers ist, aus dessen Stellgröße in einer Verarbeitungseinheit (158) die Führungsgröße für den zveiten Regler abgeleitet wird und daß die Meßleitungen (153,154) der beiden Temperaturraeßfühler (143,156) in einer Probevorrichtung (149) periodisch getastet verden und daß in der der Probevorrichtung nachgeschalteten Verarbeitungseinheit (158) aus den getasteten Meßverten des Pyrometers (156) in einem ersten Vergleicher (163) gegenüber einem äußeren Führungssignal (R1) ein erstes Fehlersignal (E1) abgeleitet vird, und daß in einem zweiten
    1 09809/.1 3 82
    :■-/-■
    p 15 913
    Vergleicher der Verarbeitungseinheit (158) aus diesem ersten Fehlersignal (E1) und einem Korrektursignal (K), das aus der Summe des Korrektursignals für den voraufgegangenen Meßzyklus und des ersten Fehlersignals für den voraufgegangenen Meßzyklus ein zweites Führungssignal (Rg) abgeleitet wird und daß in einem dritten Vergleicher (162) der Verarbeitungseinheit
    (158) aus dem Einrichtungssignal (Rg) und den getasteten Meßwerten des Thermoelementes (143) ein zweites Fehlersignal (E2) abgeleitet wird, aus dem ein Stellsignal für die Heizleistung abgeleitet wird*
  2. 2. Temperaturregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungseinheit (148) eine Halteschaltung
    (159) nachgeschaltet ist, die ein Stellsignal erzeugt, dessen Wert dem Wert des zweiten Fehlersignals (Eg) bis zur jeweils nächsten Meßperiode der Probevorrichtung (149) entspricht.
  3. 3. Temperaturregelvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halteschaltung (159) ein Differentialverstärker (152) nachgeschaltet ist, in dessen einen Eingang das kontinuierliche Stellsignal der Halteschaltung eingespeist wird und in dessen anderen Eingang das gleichgerichtete MeS-signal der Induktionsspule (i51) des ersten Seglers eingespeist wird und dessen Ausgangssignal als Stellsignal zum Verstellen i der Heizleistung in einen Hochfrequenzgenerator (160) zur Erzeugung der Heizleistung eingespeist wird.
    TOS0O9/13Ö2
    L e e r s e 11 e
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