Cum să selectați tipul de termocuplu și amplasarea pentru o placă de încălzire supusă unui ciclu termic rapid?

O placă de încălzire care trece de la 50 de grade la 250 de grade în secunde și înapoi are nevoie de un senzor care poate ține pasul. Tipul de termocuplu și locul exact în care se află în placă decid dacă controlerul este înainte sau în spatele procesului termic. Senzorii de temperatură lentă au ca rezultat depășire, depășire și timpi lungi de așezare în aplicații în care este necesară ciclul termic rapid, cum ar fi testarea plăcilor semiconductoare, turnarea prin injecție cu răspuns sau îmbătrânirea accelerată a materialelor. Selectarea și plasarea corectă a termocuplului pot transforma o operațiune imprevizibilă într-una bine controlată.

De ce este important timpul de răspuns în ciclismul rapid
dacă o placă de încălzire este direcționată să modifice temperatura rapid, bucla de control utilizează temperatura măsurată pentru a decide dacă întrerupe puterea sau aplică răcirea. Dacă termocuplul citește o temperatură semnificativ defazată cu temperatura reală a suprafeței de lucru, regulatorul va continua încălzirea după atingerea punctului de referință (depășire) sau va începe să se răcească prematur (depășire). În cea mai proastă situație, temperatura plăcii poate prezenta o oscilație în jurul valorii de referință fără a se stabili vreodată.

Parametrul important este constanta de timp a senzorului - timpul necesar senzorului pentru a atinge 63,2% dintr-o modificare treptată a temperaturii. Dacă placa crește rapid (de exemplu, 10 până la 20 de grade pe secundă), atunci un senzor cu o constantă de timp de 3 secunde va întârzia cu zeci de grade. Un senzor cu o constantă de timp de 0,3 secunde urmărește suprafața reală mult mai aproape.

Tipul de joncțiune este la fel de esențial ca și tipul de termocuplu în tehnica de presă-instrumentare. Alegerea unei plăci de încălzire cu ciclu rapid de tip termocuplu ar trebui să se bazeze pe răspunsul termic rapid, robustețea mecanică și izolarea electrică, dacă este necesar.

Tipuri de joncțiuni de termocuplu: neîmpământate, împământate și expuse
Există trei stiluri comune de joncțiune pentru termocuplurile învelite. Fiecare răspunde diferit la căldură și electricitate.

Stil joncțiuneDescriereConstantă de timp (sondă standard de 6 mm)Izolație electrică Cel mai bun pentru firele împământate sudate la interiorul vârfului mantalei; joncțiune în contact direct cu mantaua 0,1 – 0,5 sNiciuna (teaca la semnal comun) Cel mai rapid răspuns, acolo unde zgomotul electric nu este o problemă
Fire neîmpământate sudate între ele, dar izolate de manta cu MgO; joncțiune încorporată în pulbere compactată de 2 – 4 ori mai lent decât împământat (0,5 – 2 secunde) foarte bine (învelișul de împământare poate fi separat) Ciclul lent este necesar cu izolare electrică
Expusă Joncțiunea se află în afara tecii și este direct expusă mediului<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Pentru o placă de încălzire care este expusă unui ciclu termic rapid, alegerea potrivită este aproape întotdeauna un termocuplu de joncțiune împământat. Contactul direct metal-la-metal dintre firele termocuplului și manta asigură cea mai rapidă transmisie posibilă a căldurii de la materialul plăcii la joncțiunea senzorului. Dar dacă învelișul atinge placa (așa cum se presupune că este), semnalul termocuplului este la același potențial de masă ca și placa, dacă nu există izolație electrică. Acest lucru poate cauza bucle de masă dacă intrarea către controler nu este bine separată. Joncțiunile împământate sunt sigure și eficiente cu cele mai moderne controlere PID și sisteme de colectare a datelor care au intrări izolate.

Dacă joncțiunea nu este împământată, va fi mult mai lent, de obicei de 2 până la 4 ori constanta de timp a unei sonde împământate de același diametru. Această întârziere suplimentară poate destabiliza bucla de control pentru ciclism rapid. Joncțiunile neîmpământate sunt rezervate cel mai bine pentru situațiile în care izolarea electrică este o necesitate (de exemplu, încălzirea prin inducție de-frecvență înaltă) și unde vitezele de ciclism sunt moderate.

Tip de termocuplu: K, J sau altele?
tipul K (Chromel-Alumel) este cel mai frecvent utilizat tip pentru încălzirea plăcilor în intervalul de la 50 la 400 de grade . Are precizie bună (±2,2 grade sau ±0,75%), rezistență mare la oxidare și costuri ieftine. Sunt disponibile ansambluri de termocuplu de tip K cu joncțiuni împământate cu mantale cu diametru mic.

O altă posibilitate este tipul J (Iron-Constantan). Are o tensiune termoelectrică mai mare (cu aproximativ 5% mai multă ieșire pe grad decât tipul K la 200 de grade), ceea ce poate permite un răspuns electric ceva mai rapid la unele controlere datorită unui raport semnal-la-mai bun. Cu toate acestea, tipul J are o temperatură maximă mai scăzută (aproximativ 750 de grade comparativ cu 1200 de grade pentru tipul K) și piciorul de fier este predispus la oxidare, prin urmare, nu este atât de mult-durat în aplicații ciclice. Tipul K este sugerat pentru majoritatea plăcilor de ciclism rapid-din cauza fiabilității și a disponibilității sale extinse.

Tipul T (Cupru-Constantan) poate fi luat în considerare pentru ciclurile criogenice (de la -50 de grade până la temperaturi ridicate), dar are o limită superioară de aproximativ 350 de grade.

Plasare: aproape de suprafața de lucru este totul
Cel mai mare termocuplu din lume este inutil dacă îl îndepărtezi prea mult de suprafața care atinge efectiv piesa de prelucrat. Căldura urmează să fie transferată de la elementele de încălzire prin grosimea plăcii către suprafața de lucru și în final către piesă. Senzorul trebuie plasat cât mai aproape posibil de acea suprafață de lucru pentru a detecta temperatura pe care o vede piesa.

Metoda sugerată de plasare:

Faceți o gaură oarbă, începând din spatele plăcii de încălzire, până la 1-2 mm de suprafața de lucru.

Introduceți termocuplul (joncțiune cu împământare, diametru mic - în mod normal 1,5 mm până la 3 mm) în orificiu, astfel încât vârful să atingă partea de jos a orificiului.

Umpleți spațiul inelar rămas cu un compus termoconductiv la temperatură înaltă (de exemplu, pastă de nitrură de bor, unsoare umplută cu argint sau epoxid conductiv termic pentru temperatura maximă de lucru). Acest lucru reduce golurile de aer care altfel sunt izolatori termici.

Țineți termocuplul în poziție cu un fiting de compresie cu arc sau cu o clemă mică de reținere pentru a-l menține în contact atunci când placa se extinde și se contractă.

Dacă senzorul este plasat prea adânc, să zicem lângă componentele de încălzire sau la jumătatea grosimii plăcii, atunci se introduce un decalaj termic proporțional cu distanța de la suprafață. La încălzirea rapidă se poate observa un gradient de temperatură de 5-10 grade din partea încălzitorului până pe partea de lucru a unei plăci cu grosimea de 20 mm. Dacă un senzor ar fi plasat la 5 mm de încălzitoare, ar simți o temperatură mult mai caldă decât suprafața de lucru, iar controlerul ar opri căldura prea devreme și ar lăsa o față de lucru rece.

Un senzor care are nevoie de 0,3 secunde pentru a răspunde în loc de 3 secunde face toată diferența." Controlerul citește temperatura reală a suprafeței aproape rapid, deoarece o joncțiune rapidă cu împământare este situată la 1,5 mm distanță de suprafața de lucru. Depășirea poate fi controlată la 1-2 grade.

Considerații suplimentare pentru o funcționare fiabilă
Dimensiunea termocuplului
Sondele cu diametru mai mic au o masă termică mai mică și răspund mai repede. Un termocuplu împământat cu diametrul de 1,5 mm are o constantă de timp de aproximativ o-treime față de o sondă de 6 mm. Dar sondele mici sunt fragile mecanic. O sondă cu diametrul de 3 mm este un compromis rezonabil de viteză și durabilitate pentru o placă de încălzire care se extinde și se contractă termic des.

Protecție împotriva forfecării și vibrațiilor
Firul de plumb al termocuplului iese din spatele plăcii și trebuie să fie atenuat. Ciclul rapid al temperaturii face ca placa să se extindă și să se comprima, ceea ce poate flexa firul de plumb la locul de intrare.