Як вибрати тип термопари та місце розташування для нагрівальної плити, що піддається швидкому термічному циклу?

Нагрівальна плита, яка за секунди нагрівається від 50 градусів до 250 градусів і назад, потребує датчика, який може встигати. Тип термопари та місце її розташування в пластині визначають, чи контролер випереджає чи відстає від теплового процесу. Повільні температурні датчики призводять до перевищення, недорозвинення та тривалого часу осідання в програмах, де потрібний швидкий термоцикл, наприклад, випробування напівпровідникових пластин, лиття під тиском або прискорене старіння матеріалів. Правильний вибір і розміщення термопари може перетворити непередбачувану роботу на жорстко контрольовану.

Чому час відгуку важливий у швидкій їзді на велосипеді
незалежно від того, чи нагрівальна пластина спрямована на швидку зміну температури, контур керування використовує виміряну температуру, щоб прийняти рішення про відключення електроенергії чи застосування охолодження. Якщо термопара показує температуру, яка значно розходиться по фазі з фактичною температурою робочої поверхні, контролер продовжить нагрівання після досягнення заданого значення (перевищення) або почне передчасне охолодження (недорозряд). У найгіршому випадку температура пластини може коливатися відносно встановленого значення, не встановлюючись.

Важливим параметром є постійна часу датчика - час, який потрібен датчику, щоб досягти 63,2% крокової зміни температури. Якщо пластина швидко наростає (скажімо, від 10 до 20 градусів за секунду), то датчик із 3-секундною постійною часу буде відставати на десятки градусів. Датчик із постійною часом 0,3 секунди слідує за фактичною поверхнею значно ближче.

Тип з’єднання є таким же важливим, як і тип термопари в техніці прес{0}}вимірювання. Вибір типу термопари для швидкозмінного нагріву пластини повинен ґрунтуватися на швидкому тепловому відгуку, механічній міцності та електричній ізоляції, якщо це необхідно.

Типи спаїв термопар: незаземлені, заземлені та відкриті
Існує три загальних стилі з’єднання для термопар з оболонкою. Кожен з них по-різному реагує на тепло і електрику.

Стиль з’єднання Опис. Константа часу (стандартний 6-мм зонд) Електрична ізоляція Найкраще підходить для заземлених проводів, приварених до внутрішньої сторони наконечника оболонки; з’єднання в прямому контакті з оболонкою 0,1 – 0,5 s Немає (оболонка на загальному сигналі) Найшвидша чутливість, коли електричний шум не є проблемою
Незаземлені дроти, зварені разом, але ізольовані від оболонки MgO; з’єднання, занурене в ущільнений порошок, у 2–4 рази повільніше, ніж заземлене (0,5–2 секунди), дуже добре (заземлюючу оболонку можна від’єднати) Потрібна повільна зміна циклу з електричною ізоляцією
Відкритий З’єднання знаходиться поза оболонкою і безпосередньо піддається впливу середовища<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Для нагрівальної пластини, яка піддається швидкому термічному циклу, правильним вибором майже завжди є термопара із заземленим спаєм. Прямий контакт -{2}}метал між дротами термопари та оболонкою забезпечує якнайшвидшу передачу тепла від матеріалу пластини до з’єднання датчика. Але якщо оболонка торкається пластини (як це передбачається), сигнал термопари має той самий потенціал землі, що й пластина, якщо немає електричної ізоляції. Це може спричинити петлі заземлення, якщо вхід до контролера не добре розділений. Заземлені з’єднання є безпечними та ефективними для більшості сучасних ПІД-контролерів і систем збору даних, які мають ізольовані входи.

Якщо з’єднання не заземлене, воно буде набагато повільнішим, зазвичай у 2-4 рази більше, ніж постійна часу заземленого зонда такого ж діаметру. Ця додаткова затримка може дестабілізувати контур керування для швидкого циклу. Незаземлені з’єднання найкраще використовувати для ситуацій, коли електрична ізоляція є обов’язковою (наприклад, високо-індукційне нагрівання) і коли циклічні швидкості є помірними.

Тип термопари: K, J чи інший?
вид K (хромель-алюмель) — це тип, який найчастіше використовується для нагрівання пластин у діапазоні від 50 градусів до 400 градусів. Він має хорошу точність (±2,2 градуса або ±0,75%), чудову стійкість до окислення та низьку вартість. Доступні вузли термопар із заземленим спаєм типу K з оболонками малого діаметра.

Інша можливість – тип J (залізо-константан). Він має вищу термоелектричну напругу (приблизно на 5% більше вихідної потужності на градус, ніж тип K при 200 градусах), що може забезпечити дещо швидшу електричну реакцію в деяких контролерах завдяки кращому співвідношенню-до-шуму. Однак тип J має нижчу максимальну температуру (приблизно 750 градусів порівняно з 1200 градусами для типу K), а залізна ніжка схильна до окислення, тому вона не така довго-живе в циклічних програмах. Тип K пропонується для більшості швидкісних-велосипедних пластин через його надійність і широку доступність.

Тип T (мідь–константан) можна розглядати для кріогенних циклів (від -50 градусів до високих температур), але має верхню межу близько 350 градусів.

Розміщення: Близько до робочої поверхні - це все
Найбільша термопара в світі марна, якщо ви прикріпите її занадто далеко від поверхні, яка фактично торкається заготовки. Тепло має передаватися від нагрівальних елементів через товщу пластини до робочої поверхні і, нарешті, до деталі. Датчик слід розмістити якомога ближче до цієї робочої поверхні, щоб відчути температуру, яку бачить деталь.

Рекомендований метод розміщення:

Просвердліть глухий отвір, починаючи із зворотного боку нагрівальної плити, з точністю до 1-2 мм від робочої поверхні.

Вставте термопару (заземлений спай, малий діаметр - зазвичай від 1,5 мм до 3 мм) в отвір так, щоб кінчик торкався дна отвору.

Заповніть кільцевий простір, що залишився, високотемпературною теплопровідною сумішшю (наприклад, пастою нітриду бору, мастилом із срібним наповненням або теплопровідною епоксидною смолою, розрахованою на максимальну робочу температуру). Це зменшує повітряні проміжки, які в іншому випадку є теплоізоляторами.

Утримуйте термопару на місці за допомогою пружинного компресійного фітинга або невеликого утримуючого затиску, щоб підтримувати її контакт, коли пластина розширюється та стискається.

Якщо датчик розміщено занадто глибоко, скажімо, поблизу нагрівальних компонентів або на половині товщини пластини, тоді виникає теплова затримка, яка пропорційна відстані від поверхні. При швидкому нагріванні може спостерігатися градієнт температури 5-10 градусів від боку нагрівача до робочої сторони пластини товщиною 20 мм. Якщо датчик розташувати на відстані 5 мм від нагрівачів, він буде відчувати набагато більшу температуру, ніж робоча поверхня, і контролер вимкне обігрів надто рано та залишить холодну робочу поверхню.

Датчик, якому потрібно 0,3 секунди, щоб відповісти замість 3 секунд, має значення." Контролер зчитує справжню температуру поверхні майже швидко, оскільки швидке заземлене з’єднання розташоване на відстані 1,5 мм від робочої поверхні. Перевищення можна контролювати на 1-2 градуси Млявий незаземлений датчик на глибині 10 мм зазвичай показує перевищення на 15-20 градусів під час швидкого наростання.

Додаткові міркування для надійної роботи
Розмір термопари
Зонди меншого діаметру мають меншу теплову масу та реагують швидше. Заземлена термопара діаметром 1,5 мм має постійну часу приблизно в одну третину від 6-міліметрового зонда. Але маленькі зонди механічно крихкі. Зонд діаметром 3 мм є розумним компромісом швидкості та довговічності для нагрівальної пластини, яка часто термічно розширюється та стискається.

Захист від зсуву та вібрації
Провід термопари виходить із задньої частини пластини, і його потрібно зменшити. Швидка зміна температури спричиняє розширення та стискання пластини, що може згинати дріт у місці входу.