Jak wybrać typ i umiejscowienie termopary dla płyty grzejnej poddanej szybkim cyklom termicznym?

Płyta grzewcza, która w ciągu kilku sekund nagrzewa się z 50 do 250 stopni i z powrotem, wymaga czujnika, który dotrzyma kroku. Rodzaj termopary i jej dokładne umiejscowienie na płytce decyduje o tym, czy sterownik znajduje się przed, czy za procesem termicznym. Powolne czujniki temperatury powodują przekroczenia, niedoregulowania i długie czasy stabilizacji w zastosowaniach, w których wymagane są szybkie cykle termiczne, takich jak testowanie płytek półprzewodnikowych, formowanie wtryskowe z odpowiedzią lub przyspieszone starzenie materiałów. Właściwy dobór i rozmieszczenie termopary może zmienić nieprzewidywalną operację w ściśle kontrolowaną.

Dlaczego czas reakcji jest ważny w szybkiej jeździe na rowerze
niezależnie od tego, czy płyta grzewcza ma szybko zmieniać temperaturę, pętla kontrolna wykorzystuje zmierzoną temperaturę do podjęcia decyzji o odcięciu zasilania lub zastosowaniu chłodzenia. Jeśli termopara odczyta temperaturę znacznie niezgodną z rzeczywistą temperaturą powierzchni roboczej, sterownik będzie kontynuował ogrzewanie po osiągnięciu wartości zadanej (przekroczenie) lub przedwcześnie rozpocznie chłodzenie (poniżej). W najgorszej sytuacji temperatura płyty może oscylować w stosunku do wartości zadanej bez ustabilizowania się.

Ważnym parametrem jest stała czasowa czujnika - czas potrzebny czujnikowi na osiągnięcie 63,2% skokowej zmiany temperatury. Jeśli płyta narasta szybko (powiedzmy 10 do 20 stopni na sekundę), wówczas czujnik ze stałą czasową wynoszącą 3 sekundy będzie opóźniony o dziesiątki stopni. Czujnik ze stałą czasową 0,3 sekundy podąża znacznie bliżej rzeczywistej powierzchni.

Typ złącza jest tak samo istotny jak rodzaj termopary w technice-prasowania. Wybór umieszczenia płyty grzejnej o szybkim cyklu działania z termoparą powinien opierać się na szybkiej reakcji termicznej, wytrzymałości mechanicznej i izolacji elektrycznej, jeśli to konieczne.

Rodzaje połączeń termopar: nieuziemione, uziemione i odsłonięte
Istnieją trzy popularne typy złączy dla termopar płaszczowych. Każdy z nich inaczej reaguje na ciepło i elektryczność.

Styl złącza Opis Stała czasowa (standardowa sonda 6 mm) Izolacja elektryczna najlepsza dla przewodów uziemionych przyspawanych do wewnętrznej strony końcówki osłony; złącze w bezpośrednim kontakcie z osłoną 0,1 – 0,5 sBrak (osłona na wspólnym sygnale) Najszybsza reakcja, gdy zakłócenia elektryczne nie stanowią problemu
Nieuziemione druty zespawane ze sobą, ale izolowane od powłoki MgO; złącze zatopione w zagęszczonym proszku 2 – 4 razy wolniej niż uziemione (0,5 – 2 sekundy) bardzo dobre (możliwość oddzielenia powłoki uziemiającej) Wymagana wolna praca cykliczna z izolacją galwaniczną
Odsłonięte Złącze znajduje się na zewnątrz osłony i jest bezpośrednio wystawione na działanie medium<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
W przypadku płyty grzejnej narażonej na szybkie cykle termiczne właściwym wyborem jest prawie zawsze termopara z uziemionym złączem. Bezpośredni kontakt metal--pomiędzy drutami termopary a osłoną zapewnia najszybszą możliwą transmisję ciepła z materiału płytki do złącza czujnika. Ale jeśli osłona dotyka płytki (tak jak powinna), sygnał termopary ma ten sam potencjał masy co płytka, jeśli nie ma izolacji elektrycznej. Może to powodować pętle masy, jeśli wejście sterownika nie jest dobrze odseparowane. Złącza uziemione są bezpieczne i skuteczne w przypadku większości nowoczesnych regulatorów PID i systemów gromadzenia danych wyposażonych w izolowane wejścia.

Jeżeli złącze nie jest uziemione, będzie ono działać znacznie wolniej, zazwyczaj od 2 do 4 razy dłużej niż stała czasowa uziemionej sondy o tej samej średnicy. To dodatkowe opóźnienie może zdestabilizować pętlę sterowania w celu zapewnienia szybkiej pracy cyklicznej. Złącza nieuziemione najlepiej rezerwować w sytuacjach, w których niezbędna jest izolacja elektryczna (np. nagrzewanie indukcyjne o wysokiej-częstotliwości) i gdzie prędkość jazdy na rowerze jest umiarkowana.

Rodzaj termopary: K, J czy inny?
rodzaj K (Chromel-Alumel) jest najczęściej używanym rodzajem do podgrzewania płyt w zakresie temperatur od 50 do 400 stopni. Ma dobrą precyzję (± 2,2 stopnia lub ± 0,75%), doskonałą odporność na utlenianie i niski koszt. Dostępne są zespoły termopar typu K z uziemionym złączem i osłonami o małej średnicy.

Inną możliwością jest typ J (żelazo-konstantan). Ma większe napięcie termoelektryczne (około 5% więcej mocy wyjściowej na stopień niż typ K przy 200 stopniach), co może pozwolić na nieco szybszą reakcję elektryczną w niektórych sterownikach ze względu na lepszy stosunek sygnału-do-szumu. Jednakże typ J ma niższą maksymalną temperaturę (około 750 stopni w porównaniu do 1200 stopni w przypadku typu K), a żelazna noga jest podatna na utlenianie, dlatego nie jest tak długo-życiowa w zastosowaniach rowerowych. Typ K jest sugerowany w przypadku większości płyt-szybkiego cyklu ze względu na jego niezawodność i szeroką dostępność.

Typ T (miedź-konstantan) można uwzględnić w cyklach kriogenicznych (od -50 stopni do wysokich temperatur), ale jego górna granica wynosi około 350 stopni.

Umiejscowienie: blisko powierzchni roboczej to wszystko
Największa termopara na świecie jest bezużyteczna, jeśli przyklei się ją zbyt daleko od powierzchni faktycznie dotykającej obrabianego przedmiotu. Ciepło ma być przekazywane z elementów grzejnych przez grubość płyty na powierzchnię roboczą i ostatecznie na detal. Czujnik należy umieścić jak najbliżej powierzchni roboczej, aby wykryć temperaturę widzianą przez część.

Sugerowana metoda rozmieszczenia:

Wywierć ślepy otwór, zaczynając od tylnej części płyty grzewczej, w odległości 1-2 mm od powierzchni roboczej.

Włóż termoparę (uziemione złącze, mała średnica - zwykle 1,5 mm do 3 mm) do otworu tak, aby końcówka dotykała dna otworu.

Wypełnij pozostałą przestrzeń pierścieniową związkiem przewodzącym ciepło w wysokiej temperaturze (np. pastą azotku boru, smarem wypełnionym srebrem lub żywicą epoksydową przewodzącą ciepło, dostosowaną do maksymalnej temperatury roboczej). Zmniejsza to szczeliny powietrzne, które w przeciwnym razie są izolatorami termicznymi.

Przytrzymaj termoparę na miejscu za pomocą sprężynowej złączki zaciskowej lub małego zacisku mocującego, aby utrzymać ją w kontakcie, gdy płytka rozszerza się i kurczy.

Jeśli czujnik zostanie umieszczony zbyt głęboko, np. w pobliżu elementów grzejnych lub w połowie grubości płyty, powstaje opóźnienie termiczne proporcjonalne do odległości od powierzchni. Przy szybkim nagrzewaniu można zaobserwować gradient temperatury 5–10 stopni od strony grzejnika do strony roboczej płyty o grubości 20 mm. Gdyby czujnik został umieszczony 5 mm od grzejników, wyczułby znacznie wyższą temperaturę niż powierzchnia robocza, a sterownik zbyt wcześnie wyłączyłby ogrzewanie i pozostawiłby zimną powierzchnię roboczą.

Czujnik, którego reakcja zajmuje 0,3 sekundy zamiast 3 sekund, robi różnicę. Sterownik niemal szybko odczytuje rzeczywistą temperaturę powierzchni, ponieważ szybko uziemione złącze znajduje się 1,5 mm od powierzchni roboczej. Przeregulowanie można kontrolować w zakresie 1–2 stopni. Powolny, nieuziemiony czujnik na głębokości 10 mm zwykle wykazuje przeregulowanie o 15–20 stopni podczas szybkiego narastania.

Dodatkowe uwagi dotyczące niezawodnego działania
Rozmiar termopary
Sondy o mniejszej średnicy mają mniejszą masę termiczną i szybciej reagują. Uziemiona termopara o średnicy 1,5 mm ma stałą czasową około-około jednej trzeciej wartości sondy o średnicy 6 mm. Ale małe sondy są mechanicznie kruche. Sonda o średnicy 3 mm stanowi rozsądny kompromis w zakresie szybkości i trwałości w przypadku płyty grzewczej, która często rozszerza się i kurczy pod wpływem ciepła.

Ochrona przed ścinaniem i wibracjami
Przewód termopary wychodzi z tyłu płytki i należy go zmniejszyć. Gwałtowne zmiany temperatury powodują rozszerzanie się i ściskanie płytki, co może zgiąć przewód doprowadzający w miejscu wejścia.