Com seleccionar el tipus i la col·locació de termoparells per a una placa de calefacció sotmesa a un cicle tèrmic ràpid?

Una placa de calefacció que va de 50 graus a 250 graus en segons i de nou necessita un sensor que pugui mantenir-se al dia. El tipus de termopar i on es troba exactament a la placa decideixen si el controlador està per davant o per darrere del procés tèrmic. Els sensors de temperatura lenta donen lloc a temps d'assentament superiors, inferiors i llargs en aplicacions on es requereix un cicle tèrmic ràpid, com ara proves d'hòsties de semiconductors, modelat per injecció de resposta o envelliment accelerat dels materials. La selecció i col·locació adequada del termoparell pot convertir una operació imprevisible en una de controlada.

Per què el temps de resposta és important en el ciclisme ràpid
si una placa calefactora està dirigida a canviar la temperatura ràpidament, el bucle de control utilitza la temperatura mesurada per decidir si es talla l'energia o aplica la refrigeració. Si el termoparell llegeix una temperatura significativament desfasada amb la temperatura real de la superfície de treball, el controlador continuarà escalfant-se després d'assolir el punt de consigna (sobrepassar) o començarà a refredar-se prematurament (inferior). En la pitjor situació, la temperatura de la placa pot presentar una oscil·lació sobre el punt de consigna sense que s'assenti mai.

El paràmetre important és la constant de temps del sensor - el temps que triga el sensor a assolir el 63,2% d'un canvi de pas de temperatura. Si la placa augmenta ràpidament (per exemple, de 10 a 20 graus per segon), un sensor amb una constant de temps de 3 segons es retardarà desenes de graus. Un sensor amb una constant de temps de 0,3 segons segueix la superfície real molt més a prop.

El tipus d'unió és tan crucial com el tipus de termoparell en la tècnica d'instrumentació{0}}de premsa. La selecció d'una col·locació de plaques de calefacció de cicle ràpid de tipus termopar s'ha de basar en una resposta tèrmica ràpida, robustesa mecànica i aïllament elèctric, si cal.

Tipus d'unions de termoparells: sense terra, posades a terra i exposades
Hi ha tres estils d'unió comuns per als termoparells enfundats. Cadascun respon de manera diferent a la calor i l'electricitat.

Estil de la unióDescripcióConstante de temps (sonda estàndard de 6 mm)Aïllament elèctric El millor per a cables connectats a terra soldats a l'interior de la punta de la funda; unió en contacte directe amb la funda 0,1 – 0,5 sCap (la funda al senyal comú) Resposta més ràpida, on el soroll elèctric no és un problema
Filferros sense terra soldats entre si però aïllats de la funda per MgO; unió incrustada en pols compactada 2 – 4 vegades més lenta que la posada a terra (0,5 – 2 segons) molt bona (la funda de terra es pot separar) Es requereix un cicle lent amb aïllament elèctric
Exposta La unió es troba fora de la beina i està directament exposada al medi<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Per a una placa de calefacció que està exposada a un cicle tèrmic ràpid, l'opció adequada és gairebé sempre un termoparell d'unió a terra. El contacte directe de metall-a-metall entre els cables del termopar i la funda assegura la transmissió de calor més ràpida possible des del material de la placa fins a la unió del sensor. Però si la funda toca la placa (com se suposa), el senyal del termopar té el mateix potencial de terra que la placa, si no hi ha aïllament elèctric. Això pot provocar bucles de terra si l'entrada al controlador no està ben separada. Les unions a terra són segures i efectives amb la majoria de controladors PID moderns i sistemes de recollida de dades que inclouen entrades aïllades.

Si la unió no està connectada a terra, serà molt més lenta, normalment de 2 a 4 vegades la constant de temps d'una sonda posada a terra del mateix diàmetre. Aquest retard addicional pot desestabilitzar el bucle de control per a un cicle ràpid. Les unions sense connexió a terra es reserven millor per a situacions en què l'aïllament elèctric és imprescindible (p. ex., calefacció per inducció d'alta-freqüència) i on les velocitats de ciclisme són moderades.

Tipus de termoparell: K, J o un altre?
El tipus K (Chromel-Alumel) és el tipus més utilitzat per escalfar plaques en el rang de 50 a 400 graus. Té una bona precisió (± 2,2 graus o ± 0,75%), una gran resistència a l'oxidació i un cost econòmic. Hi ha disponibles conjunts de termoparell tipus K d'unió a terra amb beines de petit diàmetre.

Una altra possibilitat és el tipus J (Iron-Constantan). Té una tensió termoelèctrica més gran (aproximadament un 5% més de sortida per grau que el tipus K a 200 graus), que pot permetre una resposta elèctrica una mica més ràpida en alguns controladors a causa d'una millor relació senyal-a-soroll. Tanmateix, el tipus J té una temperatura màxima més baixa (aproximadament 750 graus en comparació amb els 1200 graus per al tipus K) i la pota de ferro és propensa a l'oxidació, per la qual cosa no té tant de temps-en aplicacions de ciclisme. El tipus K es recomana per a la majoria de plaques-de ciclisme ràpid a causa de la seva fiabilitat i la seva àmplia disponibilitat.

El tipus T (Core-Constantan) es pot considerar per a cicles criogènics (des de -50 graus fins a altes temperatures), però té un límit superior d'uns 350 graus.

Col·locació: a prop de la superfície de treball ho és tot
El termoparell més gran del món és inútil si l'enganxeu massa lluny de la superfície que realment toca la peça de treball. La calor s'ha de transferir des dels elements de calefacció a través del gruix de la placa a la superfície de treball i finalment a la peça. El sensor s'ha de col·locar tan a prop com sigui possible d'aquesta superfície de treball per detectar la temperatura que veu la peça.

Mètode suggerit d'ubicació:

Perforeu un forat cec, començant des de la part posterior de la placa calefactora, fins a 1-2 mm de la cara de treball.

Introduïu el termopar (unió a terra, diàmetre petit - normalment d'1,5 mm a 3 mm) al forat de manera que la punta toqui la part inferior del forat.

Ompliu l'espai anular restant amb un compost conductor tèrmic d'alta temperatura (per exemple, pasta de nitrur de bor, greix farcit de plata o epoxi conductor tèrmic per a la temperatura màxima de treball). Això redueix els buits d'aire que, d'altra manera, són aïllants tèrmics.

Mantingueu el termopar al seu lloc amb un accessori de compressió amb molla o un petit clip de retenció per mantenir-lo en contacte quan la placa s'expandeix i es contrau.

Si el sensor es col·loca massa profund, per exemple a prop dels components de calefacció o a la meitat del gruix de la placa, s'introdueix un retard tèrmic que és proporcional a la distància de la superfície. En l'escalfament ràpid, es pot observar un gradient de temperatura de 5 a 10 graus des del costat de l'escalfador fins al costat de treball d'una placa de 20 mm de gruix. Si es col·loqués un sensor a 5 mm dels escalfadors, detectaria una temperatura molt més calenta que la de la superfície de treball i el controlador apagaria la calor massa aviat i deixaria una cara de treball freda.

Un sensor que triga 0,3 segons a respondre en comptes de 3 segons marca la diferència." El controlador llegeix la temperatura real de la superfície gairebé ràpidament, ja que una unió ràpida a terra es troba a 1,5 mm de distància de la superfície de treball. Es pot controlar el rebasament a 1-2 graus.

Consideracions addicionals per a un funcionament fiable
Mida del termoparell
Les sondes de menor diàmetre tenen menys massa tèrmica i responen més ràpidament. Un termoparell posat a terra d'1,5 mm de diàmetre té una constant de temps al voltant d'un-terç de la d'una sonda de 6 mm. Però les petites sondes són mecànicament fràgils. Una sonda de 3 mm de diàmetre és un compromís raonable de velocitat i durabilitat per a una placa calefactora que s'expandeix i es contrau tèrmicament sovint.

Protecció contra el cisallament i la vibració
El cable de plom del termopar surt per la part posterior de la placa i s'ha d'alleujar la tensió. El cicle ràpid de temperatura fa que la placa s'expandeixi i es comprimeixi, cosa que pot flexionar el cable conductor a la ubicació d'entrada.