Como selecionar o tipo e o posicionamento do termopar para uma placa de aquecimento submetida a ciclos térmicos rápidos?

Uma placa de aquecimento que vai de 50 graus a 250 graus em segundos e vice-versa precisa de um sensor que possa acompanhar. O tipo de termopar e onde exatamente ele está na placa decidem se o controlador está à frente ou atrás do processo térmico. Sensores de temperatura lentos resultam em overshoot, undershoot e longos tempos de estabilização em aplicações onde o ciclo térmico rápido é necessário, como testes de wafers semicondutores, moldagem por injeção de resposta ou envelhecimento acelerado de materiais. A seleção e posicionamento adequados do termopar podem transformar uma operação imprevisível em uma operação rigidamente controlada.

Por que o tempo de resposta é importante no ciclismo rápido
se uma placa de aquecimento é direcionada para alterar a temperatura rapidamente, o circuito de controle usa a temperatura medida para decidir se deve cortar a energia ou aplicar resfriamento. Se o termopar ler uma temperatura significativamente desfasada da temperatura real da superfície de trabalho, o controlador continuará aquecendo depois que o ponto de ajuste for atingido (overshoot) ou começará a resfriar prematuramente (undershoot). Na pior situação, a temperatura da placa pode apresentar uma oscilação em torno do ponto de ajuste sem nunca estabilizar.

O parâmetro importante é a constante de tempo do sensor - o tempo que o sensor leva para atingir 63,2% de uma mudança gradual na temperatura. Se a placa estiver aumentando rapidamente (digamos, 10 a 20 graus por segundo), então um sensor com uma constante de tempo de 3 segundos ficará atrasado em dezenas de graus. Um sensor com uma constante de tempo de 0,3 segundos segue a superfície real consideravelmente mais perto.

O tipo de junção é tão crucial quanto o tipo de termopar na técnica de-instrumentação de prensagem. A seleção da colocação de uma placa de aquecimento de ciclo rápido do tipo termopar deve ser baseada na resposta térmica rápida, robustez mecânica e isolamento elétrico, se necessário.

Tipos de junções de termopares: não aterrados, aterrados e expostos
Existem três estilos de junção comuns para termopares com bainha. Cada um deles responde de maneira diferente ao calor e à eletricidade.

Estilo de junçãoDescriçãoConstante de tempo (sonda padrão de 6 mm)Isolamento elétrico Melhor para fios aterrados soldados na parte interna da ponta da bainha; junção em contato direto com a bainha 0,1 – 0,5 sNenhum (bainha no sinal comum)Resposta mais rápida, onde o ruído elétrico não é um problema
Fios não aterrados soldados entre si, mas isolados da bainha por MgO; junção imersa em pó compactado 2 a 4 vezes mais lenta que aterrada (0,5 a 2 segundos) muito boa (o revestimento de aterramento pode ser separado) Ciclagem lenta necessária com isolamento elétrico
Exposto A junção está fora da bainha e está diretamente exposta ao meio<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Para uma placa de aquecimento exposta a ciclos térmicos rápidos, a escolha adequada é quase sempre um termopar de junção aterrada. O contato direto de metal-com{2}}metal entre os fios do termopar e a bainha garante a transmissão de calor mais rápida possível do material da placa para a junção do sensor. Mas se a bainha tocar a placa (como deveria), o sinal do termopar estará no mesmo potencial de terra que a placa, se não houver isolamento elétrico. Isto pode causar loops de terra se a entrada do controlador não estiver bem separada. As junções aterradas são seguras e eficazes com a maioria dos controladores PID e sistemas de coleta de dados modernos que apresentam entradas isoladas.

Se a junção não estiver aterrada, será muito mais lenta, normalmente 2 a 4 vezes a constante de tempo de uma sonda aterrada do mesmo diâmetro. Este atraso adicional pode desestabilizar a malha de controle para um ciclo rápido. As junções não aterradas são mais bem reservadas para situações em que o isolamento elétrico é obrigatório (por exemplo, aquecimento por indução de alta-frequência) e onde as velocidades de ciclagem são moderadas.

Tipo de termopar: K, J ou outro?
tipo K (Chromel-Alumel) é o tipo mais comumente usado para aquecer placas na faixa de 50 graus a 400 graus. Possui boa precisão (±2,2 graus ou ±0,75%), ótima resistência à oxidação e custo barato. Estão disponíveis conjuntos de termopares tipo K com junção aterrada com bainhas de pequeno diâmetro.

Outra possibilidade é o Tipo J (Ferro-Constantan). Ele tem uma tensão termoelétrica maior (cerca de 5% mais saída por grau do que o Tipo K a 200 graus), o que pode permitir uma resposta elétrica um pouco mais rápida em alguns controladores devido a uma melhor relação sinal-para-ruído. No entanto, o Tipo J tem uma temperatura máxima mais baixa (aproximadamente 750 graus em comparação com 1.200 graus para o Tipo K) e a perna de ferro é propensa à oxidação, portanto, não tem vida-tão longa em aplicações de ciclismo. O tipo K é sugerido para a maioria das placas de{11}ciclagem rápida devido à sua confiabilidade e ampla disponibilidade.

O tipo T (Cobre-Constantan) pode ser considerado para ciclos criogênicos (de -50 graus até altas temperaturas), mas tem um limite superior de cerca de 350 graus.

Colocação: Perto da superfície de trabalho é tudo
O melhor termopar do mundo é inútil se você o colocar muito longe da superfície que realmente toca a peça de trabalho. O calor deve ser transferido dos elementos de aquecimento através da espessura da placa para a superfície de trabalho e finalmente para a peça. O sensor deve ser colocado o mais próximo possível da superfície de trabalho para detectar a temperatura que a peça vê.

Método sugerido de posicionamento:

Faça um furo cego, começando pela parte traseira da placa de aquecimento, até 1-2 mm da face de trabalho.

Insira o termopar (junção aterrada, diâmetro pequeno - normalmente 1,5 mm a 3 mm) no orifício de modo que a ponta toque a parte inferior do orifício.

Preencha o espaço anular restante com um composto condutor térmico de alta temperatura (por exemplo, pasta de nitreto de boro, graxa preenchida com prata ou epóxi termicamente condutor classificado para a temperatura máxima de trabalho). Isto reduz as lacunas de ar que, de outra forma, seriam isolantes térmicos.

Segure o termopar no lugar com um encaixe de compressão com mola ou um pequeno clipe de retenção para mantê-lo em contato quando a placa se expandir e contrair.

Se o sensor for colocado muito fundo, por exemplo, próximo aos componentes de aquecimento ou na metade da espessura da placa, será introduzido um atraso térmico que é proporcional à distância da superfície. No aquecimento rápido, um gradiente de temperatura de 5 a 10 graus pode ser observado desde a lateral do aquecedor até o lado de trabalho de uma placa de 20 mm de espessura. Se um sensor fosse colocado a 5 mm dos aquecedores, detectaria uma temperatura muito mais quente do que a superfície de trabalho e o controlador desligaria o aquecimento demasiado cedo e deixaria uma superfície de trabalho fria.

Um sensor que leva 0,3 segundos para responder em vez de 3 segundos faz toda a diferença." O controlador lê a temperatura real da superfície quase rapidamente, pois uma junção aterrada rápida está localizada a 1,5 mm de distância da superfície de trabalho. A ultrapassagem pode ser controlada em 1-2 graus. Um sensor lento e não aterrado a 10 mm de profundidade normalmente exibe uma ultrapassagem de 15-20 graus durante uma rampa rápida.

Considerações Adicionais para Operação Confiável
Tamanho do termopar
Sondas de diâmetro menor têm menos massa térmica e respondem mais rapidamente. Um termopar aterrado de 1,5 mm de diâmetro tem uma constante de tempo em torno de um{2}}terço da de uma sonda de 6 mm. Mas pequenas sondas são mecanicamente frágeis. Uma sonda de 3 mm de diâmetro é um compromisso razoável entre velocidade e durabilidade para uma placa de aquecimento que se expande e contrai termicamente com frequência.

Proteção contra cisalhamento e vibração
O fio condutor do termopar sai pela parte traseira da placa e precisa ser aliviado. O rápido ciclo de temperatura faz com que a placa se expanda e comprima, o que pode flexionar o fio condutor no local de entrada.