Які є варіанти багато-зонального контролю температури на одній нагрівальній плиті?

Велика пластина лише з однією зоною нагріву часто має більш холодний периметр, оскільки втрати на краю більші. Багато{1}}зональне керування дозволяє розділити пластину на зони, які регулюються індивідуально, дозволяючи трохи нагріти крайові зони для компенсації або відокремити області для підтримки різних параметрів для складних процесів. Багато-зональні системи пропонують однорідність і гнучкість процесів у системах точного нагрівання, таких як виготовлення напівпровідникових пластин, ламінування, вакуумне формування або лабораторні гарячі плити, чого не може забезпечити одно-зонна система.

Виготовлення багато{0}}зонної конфорки
Багато{0}}зональна конфорка складається з кількох незалежних нагрівальних контурів, вбудованих у корпус плити. Кожна схема часто є резистивним нагрівальним елементом (гравірована фольга, дріт або надрукована товста -плівка) у певній компоновці. Кожна зона має власний спеціалізований температурний датчик (зазвичай термопару або резистивний детектор температури (RTD)) і контролюється спеціальною петлею зворотного зв’язку. Зони електрично ізольовані одна від одної, але мають загальний теплопровідний матеріал пластин (алюміній, мідь або нержавіюча сталь).

Місце розташування нагрівальних елементів задає межі зон. Товщина кожної зони повинна бути в 2–3 рази більшою за товщину плити, щоб забезпечити розумний ступінь незалежності. Ця евристика зменшує тепловий перехресний вплив між сусідніми зонами. Чим тонші пластини або менші зони, тим сильніша взаємодія створюється і тим складніше незалежне керування.

Типові підходи до зонування
У промислових і лабораторних плитах використовуються три основні схеми зонування. Вибір продиктований вимогами процедури.

Посилення зони по периметру (компенсація країв)
Тепло, що втрачається периферією пластини, набагато більше, ніж тепло, що втрачається з її центру, оскільки периферія пропонує більшу поверхню, на яку може впливати холодніше повітря навколо неї. Таким чином, однозонна пластина має зниження температури на краях. У багато-зональному дизайні зовнішня зона (або окреме крайове кільце) працює з більшою потужністю або встановлюється на вищу температуру, ніж у внутрішніх зонах. Це враховує втрати на краю та створює однорідне температурне поле на всій поверхні пластини.

Популярною конфігурацією є 3-зонна кругла пластина, внутрішня кругла зона, середня кільцева зона та зовнішня кільцева зона. Зовнішня зона на 5–15 градусів тепліша за задане значення в середині, залежно від розміру пластини та умов навколишнього середовища. У прямокутних плит зона по периметру оточує центральну.

Робота з градієнтом
Для деяких операцій необхідний цілеспрямований градієнт температури вздовж пластини. Такі випадки включають профілі затвердіння, коли матеріал потрібно нагрівати поступово, від одного боку до іншого, або термічне випробування компонентів під регульованим температурним нахилом по всій частині. Градієнт контролюється шляхом встановлення різних значень температури сусідніх зон. Кількість зон визначає тонкість градієнта.

Чотири{0}}зонну лінійну пластину можна встановити на 50 градусів, 70 градусів, 90 градусів і 110 градусів відповідно (зона 1 до одного кінця, зона 4 до іншого кінця). Матеріал пластини дійсно проводить тепло, але окремий контур регулювання в кожній зоні підтримує локальне задане значення, незважаючи на потік тепла з сусідніх зон. Налаштування контролера адресує теплові перехресні перешкоди; градієнтні програми зазвичай вимагають більших пропорційних посилень.

Зони для окремих частин
При автоматизованій обробці можна нагрівати лише ділянки пластини, де знаходиться заготовка. Наприклад, величезна плита з кількома маленькими секціями може мати окремі зони для розміщення кожної деталі. Секції під деталлю вмикаються для економії енергії та запобігання перегріву вільних частин. Цей самий підхід використовується в обладнанні для термозварювання або склеювання, де потрібно нагріти лише область, що контактує з частиною.

Потрібні датчики присутності частини (наприклад, оптичні чи механічні датчики) і механізм керування для ввімкнення або вимкнення зон-спеціальних частин. Сама нагрівальна пластина повинна мати досить тонкий поділ зон, який відповідає плануванню виробу.

Специфікація системи керування багато{0}}зональними пластинами
Для кожної зони потрібен власний датчик температури та окремий контур керування. Є два варіанти системи управління:

Багато-канальний ПІД-регулятор - Один прилад, який приймає кілька входів термопар або резистивних датчиків температури та дає кілька керуючих виходів (як правило, твердотільні реле або тиристори). Кожен канал працює незалежно зі своїми параметрами PID. Ці контролери доступні у версіях з 2, 4, 8 або 16 зонами.

ПЛК із аналоговим вводом/виводом - Програмований логічний контролер (ПЛК) має численні модулі введення температури та модулі виводу, які запускають незалежні цикли ПІД у програмному забезпеченні. Це рішення більш гнучке для част-датчиків присутності, реєстрації даних і взаємодії з системами вищого рівня.

Налаштування кількох- зон викликає більше труднощів, ніж налаштування однієї зони через теплові перехресні перешкоди. Зміна електроенергії в одній зоні заважає сусіднім зонам. Сучасні ПІД-регулятори мають функції авто-налаштування, які можуть впоратися з незначними перехресними перешкодами, але для сильного зв’язку можуть знадобитися методи роз’єднання або керування-на основі моделі.

Пояснення діаграми прямокутної пластини з 3 зонами
Нижче наведено типову багатозонну прямокутну нагрівальну пластину для компенсації країв (немає зображення, але надається текстове розташування):

Габаритні розміри плити: 600 мм х 400 мм х 20 мм (алюміній)

Зона 1 (Центр): прямокутна зона 300 мм × 200 мм у центрі. Цю область рівномірно вкриває малюнок нагрівача.

Зона 2 (Середня): кільцевий прямокутник шириною 50 мм на всіх чотирьох кутах зони 1. Схема обігрівача являє собою іншу петлю

Зона 3 (Край): зовнішній периметр 50 мм. Утеплювач зосереджений по краях.

У геометричному центрі кожної зони імплантована термопара. Кожна з трьох зон незалежно регулюється 3-канальним ПІД-регулятором. Зона 3 встановлюється вище за цільове значення на 10 градусів, Зона 2 вище за цільове значення на 3 градуси, а Зона 1 встановлюється на цільове значення для сталої температури пластини. Справжня температура поверхні, виміряна інфрачервоною камерою, показує однорідність на пластині ±1 градус.

Проблеми дизайну та теплові перешкоди
Теплоізоляція між зонами ніколи не буває ідеальною. Тепло завжди тече від більш гарячої області до більш холодної області, що прилягає до неї. Ці перехресні перешкоди означають, що зміна заданого значення в одній зоні змінить температуру її сусідів. Однак відповідна незалежність досягається відповідною шириною зони ($\\geq 2-3$ $\\times$ товщина пластини) і ретельним налаштуванням PID.

Якщо зони надто вузькі або пластина надто тонка, система поводиться більше як одна зона з численними нагрівачами-, що порушує мету керування кількома зонами. Тому конструкція багатозонної нагрівальної плити повинна ґрунтуватися на аналізі кінцевих елементів або експериментальному тестуванні, щоб визначити мінімальну ширину зони для необхідної продуктивності.

Іншим є розподіл потужності нагрівача. Крайові зони можуть потребувати більшої щільності ват (Вт/см 2 ), щоб забезпечити додаткову потужність, необхідну для регулювання країв. Співвідношення потужності між крайовою та центральною зонами зазвичай знаходиться в діапазоні від 1,5:1 до 3:1, залежно від розміру пластини та ізоляції на краю.

Переваги та недоліки багато-зонального керування Переваги:

Краща однорідність температури (компенсація країв)

Здатність установлювати чітко-визначені градієнти температури

Спеціальні -застосування деактивації зони для економії енергії

Швидша теплова реакція, якщо лише частина пластини потребує зміни температури

Обмеження:

Дорожче (багато датчиків, обігрівачів і каналів управління)

Більш складне налаштування та настройка

Теплові перехресні перешкоди обмежують теоретичну незалежність

Збільшений мінімальний розмір пластини для кількох зон

Висновок
Багатозональний контроль температури для покращеної рівномірності та гнучкості у нагрівальних плитах великого формату. Три основні методології для зонування: збільшення зони по периметру для компенсації країв, керування градієнтом для навмисних температурних профілів і зон-спеціальних частин для енергоефективної обробки. Кожна зона контролюється власним датчиком і контуром керування, зазвичай реалізованим багато-канальними ПІД-контролерами або ПЛК. Теплові перехресні перешкоди між зонами неминучі, але їх можна пом’якшити, використовуючи ширину зони щонайменше в 2-3 рази більшу за товщину пластини та ретельним налаштуванням контролера. Удосконалений контроль є критично важливим чинником точності процесу в додатках від виробництва напівпровідників до промислового ламінування. Рішення вибору для процесів, що вимагають однорідності ±1 градус або програмованих температурних градієнтів, - це правильно сконструйована багатозонна нагрівальна плита.