Hoe thermokoppeltype en plaatsing selecteren voor een verwarmingsplaat die wordt onderworpen aan snelle thermische cycli?

Een verwarmingsplaat die in enkele seconden van 50 graden naar 250 graden gaat en weer terug, heeft een sensor nodig die dat kan bijhouden. Het type thermokoppel en de plaats waar het zich precies in de plaat bevindt, bepalen of de controller voor of achter het thermische proces staat. Langzame temperatuursensoren resulteren in overshoot, undershoot en lange bezinkingstijden in toepassingen waar snelle thermische cycli vereist zijn, zoals het testen van halfgeleiderwafels, responsspuitgieten of versnelde veroudering van materialen. Een juiste selectie en plaatsing van thermokoppels kan een onvoorspelbare operatie veranderen in een strak gecontroleerde operatie.

Waarom reactietijd belangrijk is bij snel fietsen
Als een verwarmingsplaat de opdracht krijgt om de temperatuur snel te veranderen, gebruikt de regellus de gemeten temperatuur om te beslissen of de stroom moet worden uitgeschakeld of koeling moet worden toegepast. Als het thermokoppel een temperatuur meet die aanzienlijk uit fase is met de werkelijke temperatuur van het werkoppervlak, zal de controller doorgaan met verwarmen nadat het instelpunt is bereikt (overshoot) of voortijdig beginnen met koelen (undershoot). In de ergste situatie kan de plaattemperatuur een schommeling rond het instelpunt vertonen zonder ooit te dalen.

De belangrijke parameter is de sensortijdconstante - de tijd die de sensor nodig heeft om 63,2% van een stapsgewijze temperatuurverandering te bereiken. Als de plaat snel stijgt (zeg 10 tot 20 graden per seconde), zal een sensor met een tijdconstante van 3 seconden tientallen graden achterblijven. Een sensor met een tijdconstante van 0,3 seconde volgt het werkelijke oppervlak aanzienlijk dichterbij.

Het junctietype is net zo cruciaal als het soort thermokoppel in de pers-techniek. De selectie van een thermokoppel-type snelwisselende plaatsing van de verwarmingsplaten moet gebaseerd zijn op een snelle thermische respons, mechanische robuustheid en elektrische isolatie, indien nodig.

Soorten thermokoppelverbindingen: niet-geaard, geaard en blootgelegd
Er zijn drie veel voorkomende verbindingsstijlen voor omhulde thermokoppels. Ze reageren allemaal anders op warmte en elektriciteit.

Verbindingsstijl BeschrijvingTijdconstante (standaard sonde van 6 mm) Elektrische isolatie Beste voor geaarde draden gelast aan de binnenkant van de tip van de mantel; junctie in direct contact met omhulsel 0,1 – 0,5 sGeen (omhulsel bij gemeenschappelijk signaal)Snelste reactievermogen, waarbij elektrische ruis geen probleem is
Niet-geaarde draden aan elkaar gelast maar geïsoleerd van de mantel door MgO; junctie ingebed in verdicht poeder 2 – 4 keer langzamer dan geaard (0,5 – 2 seconden) zeer goed (aardmantel kan worden gescheiden) Langzame cyclus vereist met elektrische isolatie
Blootgesteld De junctie bevindt zich buiten de mantel en is direct blootgesteld aan het medium<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Voor een verwarmingsplaat die wordt blootgesteld aan snelle thermische cycli is de juiste keuze bijna altijd een thermokoppel met geaarde verbinding. Het directe metaal-op-metaalcontact tussen de thermokoppeldraden en de mantel zorgt voor de snelst mogelijke warmteoverdracht van het plaatmateriaal naar de sensorverbinding. Maar als de mantel de plaat raakt (zoals het hoort), heeft het thermokoppelsignaal hetzelfde aardpotentiaal als de plaat, als er geen elektrische isolatie is. Dit kan aardlussen veroorzaken als de ingang naar de controller niet goed gescheiden is. Geaarde kruispunten zijn veilig en effectief met de meeste moderne PID-controllers en gegevensverzamelingssystemen met geïsoleerde ingangen.

Als de junctie niet geaard is, zal deze veel langzamer zijn, doorgaans 2 tot 4 keer de tijdconstante van een geaarde sonde met dezelfde diameter. Deze extra vertraging kan de regellus voor snel fietsen destabiliseren. Niet-geaarde kruispunten kunnen het beste worden gereserveerd voor situaties waarin elektrische isolatie een must is (bijvoorbeeld hoogfrequente inductieverwarming) en waar de fietssnelheid gematigd is.

Soort thermokoppel: K, J of anders?
soort K (Chromel-Alumel) is de meest gebruikte soort om platen te verwarmen in het bereik van 50 graden tot 400 graden. Het heeft een goede nauwkeurigheid (± 2,2 graden of ± 0,75%), grote oxidatieweerstand en goedkope kosten. Er zijn geaarde K-thermokoppelsamenstellen met geaarde verbinding en omhulsels met een kleine diameter beschikbaar.

Een andere mogelijkheid is Type J (ijzer-Constantaan). Het heeft een hogere thermo-elektrische spanning (ongeveer 5% meer output per graad dan Type K bij 200 graden), wat bij sommige controllers een iets snellere elektrische reactie mogelijk maakt vanwege een betere signaal-tot-ruisverhouding. Type J heeft echter een lagere maximumtemperatuur (ongeveer 750 graden vergeleken met 1200 graden voor Type K) en de ijzeren poot is gevoelig voor oxidatie, waardoor deze niet zo lang meegaat- in fietstoepassingen. Type K wordt aanbevolen voor de meeste snelle-fietsplaten vanwege de betrouwbaarheid en uitgebreide beschikbaarheid ervan.

Type T (koper-constantaan) kan worden overwogen voor cryogene cycli (van -50 graden tot hoge temperaturen), maar heeft een bovengrens van ongeveer 350 graden.

Plaatsing: Dicht bij het werkoppervlak is alles
Het grootste thermokoppel ter wereld is nutteloos als je het te ver weg houdt van het oppervlak dat het werkstuk daadwerkelijk raakt. De warmte moet van de verwarmingselementen via de dikte van de plaat naar het werkoppervlak en uiteindelijk naar het onderdeel worden overgebracht. De sensor moet zo dicht mogelijk bij dat werkoppervlak worden geplaatst om de temperatuur te meten die het onderdeel waarneemt.

Plaatsing Voorgestelde methode:

Boor een blind gat, beginnend vanaf de achterkant van de verwarmingsplaat, tot op 1-2 mm van het werkvlak.

Steek het thermokoppel (geaarde verbinding, kleine diameter - normaal gesproken 1,5 mm tot 3 mm) in het gat, zodat de punt de bodem van het gat raakt.

Vul de resterende ringvormige ruimte met een thermisch geleidend mengsel voor hoge temperaturen (bijv. boornitridepasta, met zilver gevuld vet of thermisch geleidende epoxy die geschikt is voor de maximale werktemperatuur). Dit vermindert luchtspleten die anders thermische isolatoren zijn.

Houd het thermokoppel op zijn plaats met een veerbelaste compressiefitting of een kleine retentieclip om hem in contact te houden wanneer de plaat uitzet en samentrekt.

Als de sensor te diep wordt geplaatst, bijvoorbeeld dichtbij de verwarmingscomponenten of halverwege de dikte van de plaat, ontstaat er een thermische vertraging die evenredig is aan de afstand tot het oppervlak. Bij snel verwarmen kan een temperatuurgradiënt van 5–10 graden worden waargenomen vanaf de zijkant van de verwarmer naar de werkzijde van een 20 mm dikke plaat. Als een sensor op 5 mm van de verwarmingselementen zou worden geplaatst, zou deze een veel hogere temperatuur waarnemen dan het werkoppervlak en zou de controller de verwarming te vroeg uitschakelen en een koud werkoppervlak achterlaten.

Een sensor die 0,3 seconden nodig heeft om te reageren in plaats van 3 seconden maakt het verschil." De controller leest de werkelijke oppervlaktetemperatuur vrijwel snel af, omdat een snel geaard knooppunt zich op 1,5 mm afstand van het werkoppervlak bevindt. Overshoot kan worden geregeld tot 1-2 graden. Een trage, niet-geaarde sensor op 10 mm diepte vertoont doorgaans een overshoot van 15-20 graden tijdens een snelle helling.

Aanvullende overwegingen voor een betrouwbare werking
Thermokoppel maat
Sondes met een kleinere diameter hebben minder thermische massa en reageren sneller. Een geaard thermokoppel met een diameter van 1,5 mm heeft een tijdconstante van ongeveer een-derde van die van een sonde van 6 mm. Maar kleine sondes zijn mechanisch broos. Een sonde met een diameter van 3 mm is een redelijk compromis tussen snelheid en duurzaamheid voor een verwarmingsplaat die thermisch vaak uitzet en samentrekt.

Bescherming tegen afschuiving en trillingen
De thermokoppeldraad komt uit de achterkant van de plaat en moet spanningsvrij worden gemaakt. Snelle temperatuurwisselingen zorgen ervoor dat de plaat uitzet en comprimeert, waardoor de geleidingsdraad op de ingangslocatie kan buigen.