Quines són les opcions per al control de la temperatura multi-zona en una sola placa de calefacció?

Una placa gran amb només una zona de calefacció sovint té un perímetre més fred perquè les pèrdues de vora són més grans. El control multi-zona permet dividir la placa en zones que es regulen individualment, permetent que les zones de vora s'impulsin una mica més calentes per compensar o separar àrees per mantenir diferents punts de consigna per a processos complexos. Els sistemes multi-zones ofereixen uniformitat i flexibilitat de procés en aplicacions d'escalfament de precisió, com ara la fabricació d'hòsties de semiconductors, laminació, conformació al buit o plaques calentes de laboratori que un sistema d'una sola-zona no pot oferir.

Fabricació d'una placa calenta multi-zona
La placa multi-zona inclou una sèrie de circuits de calefacció independents integrats al cos de la placa. Cada circuit és sovint un element d'escalfament resistiu (llamina gravada, filferro o traça-de pel·lícula gruixuda impresa) en un disseny determinat. Cada zona té el seu propi sensor de temperatura especialitzat (normalment un termoparell o un detector de temperatura de resistència (RTD)) i està controlat per un bucle de retroalimentació dedicat. Les zones estan aïllades elèctricament les unes de les altres, però tenen un material comú de plaques termoconductores (alumini, coure o acer inoxidable).

On es troben els elements de calefacció estableix els límits de les zones. Cada zona ha de tenir entre 2 i 3 vegades el gruix de la placa per donar un grau raonable d'independència. Aquesta heurística redueix la conversa tèrmica entre zones veïnes. Com més fines són les plaques o més petites són les zones, més interacció es crea i més difícil és el control independent.

Enfocaments típics de zonificació
S'utilitzen tres esquemes de zonificació principals en plaques calents industrials i de laboratori. L'elecció ve dictada per les exigències del procediment.

Augment de la zona perimetral (compensació de vora)
La calor perduda de la perifèria d'una placa és molt més gran que la del seu centre, ja que la perifèria ofereix una superfície més gran perquè l'aire més fresc que l'envolta. Per tant, una placa d'una sola zona té una disminució de temperatura als marges. En un disseny multi-zona, la zona exterior (o un anell de vora específic) s'acciona a més potència o s'estableix a una temperatura més alta que les zones interiors. Això explica les pèrdues de vora i produeix un camp de temperatura homogeni a tota la superfície de la placa.

Una configuració popular és una placa circular de 3 zones, una zona circular interior, una zona anular mitjana i una zona anular exterior. La zona exterior és de 5 a 15 graus més càlida que el punt de consigna del mig, depenent de la mida de la placa i de les circumstàncies ambientals. En el cas de plaques rectangulars la zona perimetral envolta la central.

Maneig del gradient
Per a algunes operacions es requereix un gradient de temperatura proposat a través de la placa. Aquests casos inclouen perfils de curat on un material s'ha d'escalfar de manera progressiva, d'un costat a l'altre, o proves tèrmiques de components sota una rampa de temperatura regulada en tota la porció. El gradient es controla ajustant la temperatura de les zones adjacents a diferents valors. El nombre de zones defineix la finesa del gradient.

La placa lineal de quatre -zones es pot configurar a 50 graus , 70 graus , 90 graus i 110 graus en conseqüència (zona 1 a un extrem, zona 4 a l'altre extrem). El material de la placa condueix la calor, però el bucle de control individual de cada zona manté el punt de consigna local malgrat el flux de calor de les zones veïnes. La sintonització del controlador aborda la diafonia tèrmica; Les aplicacions de gradient solen requerir guanys proporcionals més grans.

Zones per a peces específiques
En el processament automatitzat, només es poden escalfar les seccions de la placa on hi ha una peça de treball. Per exemple, una placa enorme amb diverses seccions petites pot tenir zones separades per a cada col·locació de peça. Les seccions sota una peça s'encenen per estalviar energia i evitar el sobreescalfament de les peces buides. Aquest mateix enfocament s'utilitza en equips de segellat tèrmic o unió, on només s'ha d'escalfar l'àrea en contacte amb la peça.

Cal detectar la presència de peces (per exemple, sensors òptics o mecànics) i un mecanisme de control per habilitar o desactivar zones específiques de parts-. La placa de calefacció en si ha de tenir una divisió de zones prou fina que coincideixi amb la disposició de l'element.

Especificació del sistema de control de plaques multi-zona
Cada zona necessita el seu propi sensor de temperatura i un bucle de control independent. Hi ha dues variants per al sistema de control:

Controlador PID multi-canal - Un únic instrument que pren diverses entrades de termoparell o RTD i proporciona múltiples sortides de control (normalment relés d'estat sòlid o tiristors). Cada canal funciona de manera independent amb els seus propis paràmetres PID. Aquests controladors estan disponibles en versions de 2, 4, 8 o 16 zones.

PLC amb E/S analògica - Un controlador lògic programable (PLC) té nombrosos mòduls d'entrada de temperatura i mòduls de sortida que executen bucles PID independents al programari. Aquesta solució és més flexible per als-sensors de presència parcial, el registre de dades i la interfície amb sistemes de nivell superior.

L'ajustament multi-zona té més dificultats que una sola zona a causa de la diafonia tèrmica. El canvi d'electricitat en una zona pertorba les zones veïnes. Els controladors PID moderns tenen funcions d'ajust automàtic-que poden fer front a una diafonia menor, però un acoblament fort pot necessitar tècniques de desacoblament o un control basat en model-.

Explicació d'un diagrama de plaques rectangulars de 3 zones
A continuació es mostra una típica placa de calefacció rectangular multizona per a la compensació de vores (no hi ha imatge, però es proporciona una disposició textual):

Dimensions totals de la placa: 600 mm x 400 mm x 20 mm (alumini)

Zona 1 (centre): una zona rectangular de 300 mm × 200 mm al centre. Aquesta àrea està coberta uniformement pel patró de l'escalfador.

Zona 2 (mitjana): un rectangle anular de 50 mm d'ample a les quatre cantonades de la Zona 1. El patró de l'escalfador és un bucle diferent

Zona 3 (vora): perímetre més exterior de 50 mm. Patró d'escalfador concentrat a les vores.

S'implanta un termoparell al centre geomètric de cada zona. Cadascuna de les tres zones està controlada independentment per un controlador PID de 3 canals. La zona 3 s'estableix més enllà de l'objectiu, en 10 graus, la zona 2 és més alta que l'objectiu en 3 graus i la zona 1 s'estableix a l'objectiu, per a una temperatura constant de la placa. La temperatura real de la superfície mesurada amb una càmera infraroja revela una homogeneïtat de ± 1 grau a la placa.

Problemes de disseny i diafonia tèrmica
L'aïllament tèrmic entre zones mai és perfecte. La calor sempre flueix de la regió més calenta a la regió més freda adjacent a ella. Aquesta diafonia implica que un canvi de consigna en una zona canviarà la temperatura dels seus veïns. No obstant això, s'aconsegueix una independència adequada amb una amplada de zona adequada ($\\geq 2-3$ $\\times$ gruix de la placa) i una ajustada PID acurada.

Si les zones són massa estretes o la placa massa prima, el sistema es comporta més com una sola zona amb nombrosos escalfadors-que superen l'objectiu del control multizona. Per tant, un disseny de placa de calefacció multizona s'ha de basar en l'anàlisi d'elements finits o en proves experimentals per identificar l'amplada de zona mínima per al rendiment necessari.

Un altre és la distribució de la densitat de watts de l'escalfador. Les zones de vora poden requerir una densitat de watts més gran (W/cm 2 ) per proporcionar la potència addicional necessària per ajustar la vora. La relació de potència entre les zones de vora i centre sol estar en el rang d'1,5:1 a 3:1, depenent de la mida de la placa i de l'aïllament de la vora.

Avantatges i desavantatges del control multi-zona Avantatges:

Millor uniformitat de temperatura (compensació de vores)

Capacitat d'establir gradients de temperatura-ben definits

Part-aplicacions específiques de desactivació de zones per estalviar energia

Resposta tèrmica més ràpida si només una part de la placa necessita canviar de temperatura

Limitacions:

Més car (molts sensors, escalfadors i canals de control)

Configuració i ajustament més sofisticats

La diafonia tèrmica limita la independència teòrica

Augment de la mida mínima de placa per a diverses zones

Conclusió
Control de temperatura multizona per a una millor uniformitat i flexibilitat en plaques calefactores de gran format. Les tres metodologies principals per a la zonificació són l'augment de la zona perimetral per a la compensació de vores, el control del gradient per als perfils de temperatura intencionats i les zones específiques de part-per a un processament eficient energèticament. Cada zona està controlada pel seu propi sensor i bucle de control, normalment implementat per controladors PID o PLC multi-canal. La diafonia tèrmica entre zones és inevitable, però es pot mitigar utilitzant amplades de zona com a mínim 2-3 vegades el gruix de la placa i ajustant acuradament el controlador. El control avançat és un facilitador crític per a la precisió del procés en aplicacions des de la fabricació de semiconductors fins a la laminació industrial. La solució escollida per als processos que requereixen una homogeneïtat de ± 1 grau o gradients de temperatura programables és una placa de calefacció multizona correctament construïda.