Làm thế nào để chọn loại và vị trí cặp nhiệt điện cho tấm gia nhiệt chịu chu kỳ nhiệt nhanh?

Một tấm gia nhiệt tăng từ 50 độ lên 250 độ trong vài giây và ngược lại cần một cảm biến có thể theo kịp. Loại cặp nhiệt điện và vị trí chính xác của nó trong tấm quyết định xem bộ điều khiển ở phía trước hay phía sau quá trình nhiệt. Cảm biến nhiệt độ chậm dẫn đến thời gian quá mức, thiếu hụt và thời gian ổn định lâu trong các ứng dụng yêu cầu chu kỳ nhiệt nhanh như thử nghiệm tấm bán dẫn, ép phun phản ứng hoặc lão hóa vật liệu tăng tốc. Việc lựa chọn và bố trí cặp nhiệt điện thích hợp có thể biến một hoạt động không thể đoán trước thành một hoạt động được kiểm soát chặt chẽ.

Tại sao thời gian phản hồi lại quan trọng trong đạp xe nhanh
Nếu tấm gia nhiệt được điều khiển để thay đổi nhiệt độ nhanh chóng, vòng điều khiển sẽ sử dụng nhiệt độ đo được để quyết định nên cắt điện hay áp dụng làm mát. Nếu cặp nhiệt điện đọc nhiệt độ lệch pha đáng kể với nhiệt độ bề mặt làm việc thực tế, bộ điều khiển sẽ tiếp tục làm nóng sau khi đạt đến điểm đặt (vượt quá) hoặc bắt đầu làm mát sớm (dưới mức). Trong tình huống xấu nhất, nhiệt độ tấm có thể biểu hiện dao động quanh điểm đặt mà không bao giờ ổn định.

Tham số quan trọng là hằng số thời gian của cảm biến - thời gian để cảm biến đạt tới 63,2% của một bước thay đổi nhiệt độ. Nếu tấm tăng tốc nhanh (ví dụ 10 đến 20 độ mỗi giây) thì cảm biến có hằng số thời gian 3 giây sẽ bị trễ hàng chục độ. Một cảm biến có hằng số thời gian 0,3 giây sẽ bám theo bề mặt thực tế gần hơn đáng kể.

Loại mối nối cũng quan trọng như loại cặp nhiệt điện trong kỹ thuật thiết bị đo-báo chí. Việc lựa chọn vị trí đặt tấm gia nhiệt đạp xe nhanh loại cặp nhiệt điện phải dựa trên phản ứng nhiệt nhanh, độ bền cơ học và cách ly điện, nếu cần.

Các loại mối nối cặp nhiệt điện: Không nối đất, nối đất và tiếp xúc
Có ba kiểu mối nối phổ biến cho cặp nhiệt điện có vỏ bọc. Mỗi loại phản ứng khác nhau với nhiệt và điện.

Kiểu mối nốiMô tảHằng số thời gian (đầu dò 6 mm tiêu chuẩn)Cách điện tốt nhất cho dây nối đất được hàn vào bên trong đầu vỏ bọc; điểm nối tiếp xúc trực tiếp với vỏ bọc 0,1 – 0,5 sKhông (vỏ bọc ở tín hiệu chung)Phản ứng nhanh nhất, trong đó nhiễu điện không phải là vấn đề
Các dây không nối đất được hàn với nhau nhưng được cách điện với vỏ bọc bằng MgO; mối nối được nhúng trong bột nén Chậm hơn 2 – 4 lần so với nối đất (0,5 – 2 giây)rất tốt (có thể tách vỏ bọc đất)Yêu cầu đạp xe chậm với cách ly điện
Tiếp xúc Điểm nối nằm ngoài vỏ bọc và tiếp xúc trực tiếp với môi trường<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Đối với một tấm gia nhiệt tiếp xúc với chu kỳ nhiệt nhanh, sự lựa chọn thích hợp hầu như luôn là cặp nhiệt điện nối đất. Sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại-với-kim loại giữa dây cặp nhiệt điện và vỏ bọc đảm bảo truyền nhiệt nhanh nhất có thể từ vật liệu tấm đến điểm nối cảm biến. Nhưng nếu vỏ bọc chạm vào tấm (như dự kiến), tín hiệu cặp nhiệt điện có cùng điện thế nối đất với tấm, nếu không có cách ly điện. Điều này có thể gây ra vòng lặp trên mặt đất nếu đầu vào bộ điều khiển không được tách biệt rõ ràng. Các mối nối đất an toàn và hiệu quả với hầu hết các bộ điều khiển PID hiện đại và hệ thống thu thập dữ liệu có đầu vào cách ly.

Nếu điểm nối không được nối đất thì tốc độ sẽ chậm hơn nhiều, thường gấp 2 đến 4 lần hằng số thời gian của đầu dò nối đất có cùng đường kính. Độ trễ bổ sung này có thể làm mất ổn định vòng điều khiển để đạp xe nhanh. Các mối nối không nối đất được dành riêng tốt nhất cho các tình huống bắt buộc phải cách ly điện (ví dụ: sưởi ấm cảm ứng tần số-cao) và khi tốc độ đạp xe ở mức vừa phải.

Loại cặp nhiệt điện: K, J hay loại khác?
loại K (Chromel-Alumel) là loại được sử dụng phổ biến nhất để làm nóng các tấm trong khoảng từ 50 độ đến 400 độ . Nó có độ chính xác tốt (± 2,2 độ hoặc ± 0,75%), khả năng chống oxy hóa lớn và giá thành rẻ. Hiện có sẵn các cụm cặp nhiệt điện loại K nối đất với vỏ bọc có đường kính nhỏ.

Một khả năng khác là Loại J (Sắt-Constantan). Nó có điện áp nhiệt điện lớn hơn (đầu ra trên mỗi độ cao hơn khoảng 5% so với Loại K ở 200 độ), có thể cho phép phản ứng điện nhanh hơn một chút trong một số bộ điều khiển do có tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu tốt hơn. Tuy nhiên, Loại J có nhiệt độ tối đa thấp hơn (khoảng 750 độ so với 1200 độ đối với Loại K) và chân sắt dễ bị oxy hóa, do đó, nó-không tồn tại được lâu trong các ứng dụng đạp xe. Loại K được khuyên dùng cho phần lớn các tấm{11}đạp xe nhanh vì độ tin cậy và tính khả dụng rộng rãi của nó.

Loại T (Đồng–Constantan) có thể được xem xét cho chu trình đông lạnh (từ -50 độ đến nhiệt độ cao) nhưng có giới hạn trên khoảng 350 độ.

Vị trí: Gần bề mặt làm việc là tất cả
Cặp nhiệt điện tốt nhất trên thế giới sẽ vô dụng nếu bạn dán nó quá xa bề mặt thực sự chạm vào phôi. Nhiệt sẽ được truyền từ các bộ phận làm nóng qua độ dày của tấm tới bề mặt làm việc và cuối cùng đến bộ phận. Cảm biến phải được đặt càng gần bề mặt làm việc đó càng tốt để cảm nhận được nhiệt độ mà bộ phận đó nhìn thấy.

Vị trí Phương pháp đề xuất:

Khoan một lỗ mù, bắt đầu từ mặt sau của tấm gia nhiệt, cách bề mặt làm việc trong khoảng 1-2 mm.

Chèn cặp nhiệt điện (điểm nối đất, đường kính nhỏ - thường từ 1,5 mm đến 3 mm) vào lỗ sao cho đầu chạm vào đáy lỗ.

Đổ đầy không gian hình khuyên còn lại bằng hợp chất dẫn nhiệt ở nhiệt độ cao (ví dụ: bột boron nitrit, mỡ chứa đầy bạc hoặc epoxy dẫn nhiệt được xếp hạng cho nhiệt độ làm việc tối đa). Điều này làm giảm các khe hở không khí vốn là chất cách nhiệt.

Giữ cặp nhiệt điện tại chỗ bằng khớp nối nén có lò xo hoặc một kẹp giữ nhỏ để giữ nó tiếp xúc khi tấm giãn nở và co lại.

Nếu cảm biến được đặt quá sâu, chẳng hạn như gần các bộ phận làm nóng hoặc ở nửa độ dày của tấm, thì sẽ xuất hiện độ trễ nhiệt tỷ lệ thuận với khoảng cách từ bề mặt. Khi làm nóng nhanh, có thể quan sát được độ dốc nhiệt độ từ 5–10 độ từ mặt bên của lò sưởi đến mặt làm việc của tấm dày 20 mm. Nếu một cảm biến được đặt cách bộ sưởi 5 mm, nó sẽ cảm nhận được nhiệt độ nóng hơn nhiều so với bề mặt làm việc và bộ điều khiển sẽ tắt nhiệt quá sớm và để lại bề mặt làm việc lạnh.

Một cảm biến mất 0,3 giây để phản hồi thay vì 3 giây tạo nên sự khác biệt hoàn toàn." Bộ điều khiển đọc nhiệt độ bề mặt thực gần như nhanh chóng, vì điểm nối đất nhanh nằm cách bề mặt làm việc 1,5 mm. Độ vọt lố có thể được kiểm soát ở mức 1-2 độ. Cảm biến không nối đất chậm ở độ sâu 10 mm thường biểu hiện độ vọt lố 15-20 độ trong quá trình tăng tốc nhanh.

Những cân nhắc bổ sung để vận hành đáng tin cậy
Kích thước cặp nhiệt điện
Đầu dò có đường kính nhỏ hơn có khối lượng nhiệt ít hơn và phản hồi nhanh hơn. Cặp nhiệt điện nối đất đường kính 1,5 mm có hằng số thời gian khoảng 1{2}}so với hằng số thời gian của đầu dò 6 mm. Nhưng các đầu dò nhỏ dễ gãy về mặt cơ học. Đầu dò có đường kính 3 mm là sự kết hợp hợp lý giữa tốc độ và độ bền cho tấm gia nhiệt thường xuyên giãn nở và co lại vì nhiệt.

Bảo vệ chống cắt và rung
Dây dẫn cặp nhiệt điện đi ra phía sau tấm và cần được giảm bớt lực căng. Chu kỳ nhiệt độ nhanh làm cho tấm giãn nở và nén lại, có thể làm cong dây dẫn tại vị trí đi vào.