Wie wählt man den Thermoelementtyp und die Platzierung für eine Heizplatte aus, die schnellen Temperaturwechseln ausgesetzt ist?

Eine Heizplatte, die in Sekundenschnelle von 50 Grad auf 250 Grad und wieder zurück heizt, braucht einen Sensor, der mithalten kann. Die Art des Thermoelements und seine genaue Position in der Platte entscheiden darüber, ob der Regler dem thermischen Prozess voraus oder hinter ihm liegt. Langsame Temperatursensoren führen zu Überschwingern, Unterschwingern und langen Einschwingzeiten bei Anwendungen, bei denen schnelle Temperaturwechsel erforderlich sind, z. B. beim Testen von Halbleiterwafern, beim Reaktionsspritzguss oder bei beschleunigter Materialalterung. Durch die richtige Auswahl und Platzierung des Thermoelements kann ein unvorhersehbarer Vorgang zu einem streng kontrollierten Vorgang werden.

Warum Reaktionszeit beim schnellen Radfahren wichtig ist
Unabhängig davon, ob eine Heizplatte so gesteuert wird, dass sie die Temperatur schnell ändert, entscheidet der Regelkreis anhand der gemessenen Temperatur, ob die Stromversorgung unterbrochen oder Kühlung angewendet werden soll. Wenn das Thermoelement eine Temperatur misst, die deutlich phasenverschoben zur tatsächlichen Temperatur der Arbeitsfläche ist, heizt der Regler weiter, nachdem der Sollwert erreicht ist (Überschreitung), oder beginnt vorzeitig mit der Abkühlung (Unterschreitung). Im schlimmsten Fall kann die Plattentemperatur um den Sollwert schwanken, ohne sich jemals einzupendeln.

Der wichtige Parameter ist die Sensorzeitkonstante - die Zeit, die der Sensor benötigt, um 63,2 % eines Temperatursprungs zu erreichen. Wenn die Platte schnell ansteigt (z. B. 10 bis 20 Grad pro Sekunde), wird ein Sensor mit einer Zeitkonstante von 3 Sekunden um mehrere zehn Grad nacheilen. Ein Sensor mit einer Zeitkonstante von 0,3 Sekunden folgt der tatsächlichen Oberfläche deutlich näher.

Der Verbindungstyp ist bei der Press-Instrumentierungstechnik ebenso entscheidend wie die Art des Thermoelements. Die Auswahl einer schnell wechselnden Thermoelement-Heizplattenanordnung sollte auf schneller thermischer Reaktion, mechanischer Robustheit und gegebenenfalls elektrischer Isolierung basieren.

Arten von Thermoelementverbindungen: ungeerdet, geerdet und freiliegend
Es gibt drei gängige Verbindungsarten für ummantelte Thermoelemente. Sie reagieren jeweils unterschiedlich auf Wärme und Strom.

VerbindungsartBeschreibungZeitkonstante (Standard-6-mm-Sonde)Elektrische Isolierung Am besten für geerdete Drähte geeignet, die an der Innenseite der Mantelspitze angeschweißt sind; Verbindungsstelle in direktem Kontakt mit der Hülle 0,1 – 0,5 sKeine (Hülle am gemeinsamen Signal)Schnellste Reaktionsfähigkeit, wenn elektrisches Rauschen kein Problem darstellt
Ungeerdete Drähte, zusammengeschweißt, aber durch MgO vom Mantel isoliert; Verbindung eingebettet in verdichtetem Pulver 2 – 4 mal langsamer als geerdet (0,5 – 2 Sekunden) sehr gut (Erdungsmantel kann getrennt werden) Langsames Zyklieren erforderlich mit elektrischer Isolierung
Freiliegend Die Verbindungsstelle liegt außerhalb des Mantels und ist direkt dem Medium ausgesetzt<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Für eine Heizplatte, die schnellen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, ist fast immer ein geerdetes Thermoelement die richtige Wahl. Der direkte Metallkontakt zwischen den Thermoelementdrähten und der Ummantelung gewährleistet die schnellstmögliche Wärmeübertragung vom Plattenmaterial zur Sensorverbindung. Berührt der Mantel jedoch die Platte (wie vorgesehen), liegt das Thermoelementsignal auf dem gleichen Erdpotential wie die Platte, wenn keine elektrische Trennung besteht. Dies kann Erdschleifen verursachen, wenn der Eingang zum Controller nicht gut getrennt ist. Geerdete Anschlüsse sind bei den meisten modernen PID-Reglern und Datenerfassungssystemen mit isolierten Eingängen sicher und effektiv.

Wenn die Verbindung nicht geerdet ist, ist sie viel langsamer, typischerweise zwei- bis viermal so lang wie die Zeitkonstante einer geerdeten Sonde mit demselben Durchmesser. Diese zusätzliche Verzögerung kann den Regelkreis für schnelle Zyklen destabilisieren. Nicht geerdete Verbindungen sind am besten für Situationen reserviert, in denen eine elektrische Isolierung ein Muss ist (z. B. Hochfrequenz-Induktionserwärmung) und in denen die Zyklengeschwindigkeiten moderat sind.

Art des Thermoelements: K, J oder andere?
Art K (Chromel-Alumel) ist die am häufigsten verwendete Art zum Erhitzen von Platten im Bereich von 50 bis 400 Grad. Es verfügt über eine gute Präzision (±2,2 Grad oder ±0,75 %), eine hohe Oxidationsbeständigkeit und niedrige Kosten. Erhältlich sind Thermoelementbaugruppen vom Typ K mit geerdetem Übergang und Ummantelungen mit kleinem Durchmesser.

Eine andere Möglichkeit ist Typ J (Eisen-Konstantan). Er verfügt über eine höhere Thermospannung (etwa 5 % mehr Leistung pro Grad als Typ K bei 200 Grad), was aufgrund eines besseren Signal-Rausch-Verhältnisses bei einigen Steuerungen eine etwas schnellere elektrische Reaktion ermöglichen kann. Allerdings hat Typ J eine niedrigere Maximaltemperatur (ungefähr 750 Grad im Vergleich zu 1200 Grad für Typ K) und das Eisenbein ist anfällig für Oxidation, sodass es bei zyklischen Anwendungen nicht so langlebig ist. Aufgrund seiner Zuverlässigkeit und umfassenden Verfügbarkeit wird Typ K für die meisten Schnellwechselplatten empfohlen.

Typ T (Kupfer-Konstantan) kann für kryogene Zyklen (von -50 Grad bis zu hohen Temperaturen) in Betracht gezogen werden, hat aber eine Obergrenze von etwa 350 Grad.

Platzierung: In der Nähe der Arbeitsfläche befindet sich alles
Das größte Thermoelement der Welt nützt nichts, wenn man es zu weit von der Oberfläche entfernt anbringt, die das Werkstück tatsächlich berührt. Die Wärme soll von den Heizelementen durch die Dicke der Platte auf die Arbeitsfläche und schließlich auf das Teil übertragen werden. Der Sensor sollte so nah wie möglich an der Arbeitsfläche platziert werden, um die Temperatur zu messen, die das Teil wahrnimmt.

Platzierungsvorschlag:

Bohren Sie ein Sackloch, beginnend an der Rückseite der Heizplatte, bis auf 1-2 mm von der Arbeitsfläche entfernt.

Führen Sie das Thermoelement (geerdete Verbindung, kleiner Durchmesser - normalerweise 1,5 mm bis 3 mm) so in das Loch ein, dass die Spitze den Boden des Lochs berührt.

Füllen Sie den verbleibenden Ringraum mit einer wärmeleitenden Hochtemperaturmasse (z. B. Bornitridpaste, silbergefülltes Fett oder wärmeleitendes Epoxidharz, das für die maximale Arbeitstemperatur ausgelegt ist). Dadurch werden Luftspalte reduziert, die ansonsten Wärmeisolatoren darstellen.

Halten Sie das Thermoelement mit einer federbelasteten Klemmverschraubung oder einer kleinen Halteklammer an Ort und Stelle, damit es in Kontakt bleibt, wenn sich die Platte ausdehnt und zusammenzieht.

Wenn der Sensor zu tief platziert wird, beispielsweise in der Nähe der Heizkomponenten oder auf halber Höhe der Plattendicke, entsteht eine thermische Verzögerung, die proportional zum Abstand von der Oberfläche ist. Beim schnellen Erhitzen kann ein Temperaturgradient von 5–10 Grad von der Seite des Heizgeräts zur Arbeitsseite einer 20 mm dicken Platte beobachtet werden. Wenn ein Sensor 5 mm von den Heizgeräten entfernt platziert würde, würde er eine viel höhere Temperatur als die Arbeitsfläche erfassen und der Regler würde die Heizung zu früh abschalten und eine kalte Arbeitsfläche hinterlassen.

Ein Sensor, der 0,3 Sekunden braucht, um statt 3 Sekunden zu reagieren, macht den Unterschied.“ Der Controller misst die tatsächliche Oberflächentemperatur fast schnell, da sich eine schnell geerdete Verbindungsstelle 1,5 mm von der Arbeitsfläche entfernt befindet. Überschwingen kann auf 1–2 Grad kontrolliert werden. Ein träger, nicht geerdeter Sensor in 10 mm Tiefe weist während einer schnellen Rampe typischerweise ein Überschwingen von 15–20 Grad auf.

Zusätzliche Überlegungen für einen zuverlässigen Betrieb
Thermoelementgröße
Sonden mit kleinerem Durchmesser haben weniger thermische Masse und reagieren schneller. Ein geerdetes Thermoelement mit 1,5 mm Durchmesser hat eine Zeitkonstante, die etwa ein -Drittel so groß ist wie eine 6 mm-Sonde. Aber kleine Sonden sind mechanisch spröde. Eine Sonde mit 3 mm Durchmesser ist ein vernünftiger Kompromiss aus Geschwindigkeit und Haltbarkeit für eine Heizplatte, die sich häufig thermisch ausdehnt und zusammenzieht.

Schutz vor Scherung und Vibration
Der Anschlussdraht des Thermoelements kommt auf der Rückseite der Platte heraus und muss entlastet werden. Schnelle Temperaturschwankungen führen dazu, dass sich die Platte ausdehnt und zusammendrückt, was zu einer Biegung des Anschlusskabels an der Eintrittsstelle führen kann.