Hur väljer man termoelementtyp och placering för en värmeplatta som utsätts för snabb termisk cykling?

En värmeplatta som går från 50 grader till 250 grader på sekunder och tillbaka igen behöver en sensor som kan hänga med. Typen av termoelement och var exakt det är i plattan avgör om regulatorn är före eller bakom den termiska processen. Långsamma temperatursensorer resulterar i översvängning, undersvängning och långa sedimenteringstider i applikationer där snabb termisk cykling krävs, såsom testning av halvledarskivor, responsformsprutning eller accelererad materialåldring. Korrekt val av termoelement och placering kan förvandla en oförutsägbar operation till en hårt kontrollerad.

Varför svarstid är viktig i Rapid Cycling
huruvida en värmeplatta är riktad att ändra temperatur snabbt använder reglerslingan den uppmätta temperaturen för att avgöra om strömmen ska brytas eller kyla. Om termoelementet läser av en temperatur som är väsentligt ur fas med den faktiska arbetsytans temperatur, kommer regulatorn att fortsätta värma efter att börvärdet har nåtts (översvängning) eller börja svalna i förtid (underslag). I värsta fall kan platttemperaturen uppvisa en svängning kring börvärdet utan att någonsin sätta sig.

Den viktiga parametern är sensorns tidskonstant - den tid det tar för sensorn att nå 63,2 % av en stegvis temperaturförändring. Om plattan rampar snabbt (säg 10 till 20 grader per sekund) kommer en sensor med en 3 sekunders tidskonstant att släpa med tiotals grader. En sensor med en tidskonstant på 0,3 sekunder följer den faktiska ytan betydligt närmare.

Korsningstypen är lika avgörande som typen av termoelement i press-instrumenteringsteknik. Valet av en termoelements typ av snabbcyklande värmeplatta bör baseras på snabb termisk respons, mekanisk robusthet och elektrisk isolering, om det behövs.

Typer av termoelementkopplingar: ojordade, jordade och exponerade
Det finns tre vanliga kopplingsstilar för mantlade termoelement. De reagerar olika på värme och el.

Junction StyleDescriptionTime Constant (standard 6 mm sond)Elektrisk isolering Bäst för jordade ledningar svetsade på insidan av mantelspetsen; koppling i direkt kontakt med mantel 0,1 – 0,5 sIngen (mantel vid signal gemensam) Snabbast känslighet, där elektriskt brus inte är ett problem
Ojordade ledningar sammansvetsade men isolerade från mantel av MgO; korsning inbäddad i komprimerat pulver 2 – 4 gånger långsammare än jordad (0,5 – 2 sekunder) mycket bra (jordmanteln kan separeras) Långsam cykling krävs med elektrisk isolering
Exponerad Kopplingen är utanför manteln och är direkt exponerad för mediet<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
För en värmeplatta som utsätts för snabb termisk cykling är det korrekta valet nästan alltid ett jordat kopplingstermoelement. Den direkta metall-till-kontakten mellan termoelementtrådarna och manteln säkerställer snabbast möjliga värmeöverföring från plattmaterialet till sensorövergången. Men om manteln nuddar plattan (som den ska) är termoelementsignalen på samma jordpotential som plattan, om det inte finns någon elektrisk isolering. Detta kan orsaka jordslingor om ingången till styrenheten inte är väl separerad. Jordade korsningar är säkra och effektiva med de flesta moderna PID-regulatorer och datainsamlingssystem som har isolerade ingångar.

Om korsningen inte är jordad kommer den att vara mycket långsammare, vanligtvis 2 till 4 gånger tidskonstanten för en jordad sond med samma diameter. Denna ytterligare fördröjning kan destabilisera kontrollslingan för snabb cykling. Ojordade korsningar är bäst reserverade för situationer där elektrisk isolering är ett måste (t.ex. hög-induktionsuppvärmning) och där cykelhastigheterna är måttliga.

Typ av termoelement: K, J eller Annat?
typ K (Chromel-Alumel) är den vanligaste typen för att värma plattor i intervallet 50 grader till 400 grader. Den har bra precision (±2,2 grader eller ±0,75%), bra oxidationsbeständighet och billig kostnad. Tillgängliga är jordade kopplingar av typ K termoelementenheter med mantel med liten diameter.

En annan möjlighet är Typ J (Iron-Constantan). Den har en högre termoelektrisk spänning (cirka 5 % mer uteffekt per grad än Typ K vid 200 grader), vilket kan tillåta en något snabbare elektrisk respons i vissa styrenheter på grund av ett bättre signal-till-förhållande. Typ J har dock en lägre maxtemperatur (ungefär 750 grader jämfört med 1200 grader för typ K) och järnbenet är benäget att oxidera, så det är inte lika-livat i cykelapplikationer. Typ K rekommenderas för de flesta snabba-cyklar på grund av dess tillförlitlighet och omfattande tillgänglighet.

Typ T (koppar-konstantan) kan övervägas för kryogena cykler (från -50 grader upp till höga temperaturer) men har en övre gräns på cirka 350 grader.

Placering: Nära arbetsytan finns allt
Det största termoelementet i världen är värdelöst om du sticker det för långt bort från ytan som faktiskt berör arbetsstycket. Värmen ska överföras från värmeelementen genom plattans tjocklek till arbetsytan och slutligen till detaljen. Sensorn bör placeras så nära arbetsytan som möjligt för att känna av temperaturen som delen ser.

Placeringsföreslagen metod:

Borra ett blindhål, med början från baksidan av värmeplattan, till inom 1-2 mm från arbetsytan.

Sätt in termoelementet (jordad koppling, liten diameter - normalt 1,5 mm till 3 mm) i hålet så att spetsen nuddar botten av hålet.

Fyll det återstående ringformade utrymmet med en värmeledande förening för hög temperatur (t.ex. bornitridpasta, silverfyllt fett eller värmeledande epoxi som är klassad för maximal arbetstemperatur). Detta minskar luftspalter som annars är värmeisolatorer.

Håll termoelementet på plats med en fjäderbelastad kompressionskoppling eller en liten fästklämma för att hålla kontakten när plattan expanderar och drar ihop sig.

Om sensorn är placerad för djupt, säg nära värmekomponenterna eller halvvägs genom plattans tjocklek, införs en termisk eftersläpning som är proportionell mot avståndet från ytan. Vid snabb uppvärmning kan en temperaturgradient på 5–10 grader observeras från sidan av värmaren till arbetssidan av en 20 mm tjock platta. Om en sensor placerades 5 mm från värmarna skulle den känna av en mycket varmare temperatur än arbetsytan och regulatorn skulle stänga av värmen för tidigt och lämna en kall arbetsyta.

En sensor som tar 0,3 sekunder att reagera istället för 3 sekunder gör hela skillnaden." Regulatorn läser av den verkliga yttemperaturen nästan snabbt, eftersom en snabb jordad korsning är belägen 1,5 mm från arbetsytan. Översvängning kan kontrolleras till 1-2 grader. En trög ojordad sensor på 10 mm djup uppvisar vanligtvis överskridning av 20 grader under en snabb ramp på 15 grader.

Ytterligare överväganden för tillförlitlig drift
Termoelement storlek
Sonder med mindre diameter har mindre termisk massa och svarar snabbare. Ett jordat termoelement med en diameter på 1,5 mm har en tidskonstant runt en-tredjedel av den för en 6 mm sond. Men små sonder är mekaniskt spröda. En sond med 3 mm diameter är en rimlig kompromiss av hastighet och hållbarhet för en värmeplatta som ofta expanderar och drar ihop sig termiskt.

Skyddar mot skjuvning och vibrationer
Termoelementkabeln kommer ut på baksidan av plattan och behöver lindras. Snabb temperaturväxling gör att plattan expanderar och komprimeras, vilket kan böja ledningstråden vid ingångsplatsen.