Bagaimana Memilih Jenis dan Penempatan Termokopel untuk Pelat Pemanas yang Mengalami Siklus Termal Cepat?

Pelat pemanas yang berubah dari 50 derajat ke 250 derajat dalam hitungan detik dan kembali lagi membutuhkan sensor yang dapat mengimbanginya. Jenis termokopel dan lokasi tepatnya di pelat menentukan apakah pengontrol mendahului atau di belakang proses termal. Sensor suhu yang lambat mengakibatkan overshoot, undershoot, dan waktu pengendapan yang lama dalam aplikasi yang memerlukan siklus termal cepat seperti pengujian wafer semikonduktor, pencetakan injeksi respons, atau penuaan material yang dipercepat. Pemilihan dan penempatan termokopel yang tepat dapat mengubah pengoperasian yang tidak terduga menjadi pengoperasian yang dikontrol dengan ketat.

Mengapa Waktu Respons Penting dalam Bersepeda Cepat
apakah pelat pemanas diarahkan untuk mengubah suhu dengan cepat, loop kontrol menggunakan suhu yang diukur untuk memutuskan apakah akan memutus daya atau menerapkan pendinginan. Jika termokopel membaca suhu yang jauh berbeda fase dengan suhu permukaan kerja sebenarnya, pengontrol akan terus melakukan pemanasan setelah titik setel tercapai (overshoot) atau mulai mendinginkan sebelum waktunya (undershoot). Dalam situasi terburuk, suhu pelat dapat menunjukkan fluktuasi terhadap tekanan yang dikehendaki tanpa pernah menetap.

Parameter penting adalah konstanta waktu sensor - waktu yang dibutuhkan sensor untuk mencapai 63,2% dari perubahan suhu. Jika pelat bergerak cepat (katakanlah 10 hingga 20 derajat per detik) maka sensor dengan konstanta waktu 3 detik akan tertinggal puluhan derajat. Sebuah sensor dengan konstanta waktu 0,3 detik mengikuti permukaan sebenarnya lebih dekat.

Jenis sambungan sama pentingnya dengan jenis termokopel dalam-teknik instrumentasi pers. Pemilihan penempatan pelat pemanas siklus cepat tipe termokopel harus didasarkan pada respons termal yang cepat, ketahanan mekanis, dan isolasi listrik, jika diperlukan.

Jenis Persimpangan Termokopel: Tidak Beralas, Beralas, dan Terkena
Ada tiga gaya sambungan umum untuk termokopel berselubung. Mereka masing-masing merespons secara berbeda terhadap panas dan listrik.

Gaya PersimpanganDeskripsiKonstan Waktu (probe standar 6 mm)Isolasi Listrik Terbaik Untuk Kabel Ground yang dilas ke bagian dalam ujung selubung; persimpangan yang bersentuhan langsung dengan selubung 0.1 – 0.5 sTidak ada (selubung pada sinyal umum) Respons tercepat, dimana kebisingan listrik tidak menjadi masalah
Kabel yang tidak dibumikan dilas menjadi satu tetapi diisolasi dari selubungnya dengan MgO; sambungan tertanam dalam bubuk padat 2 – 4 kali lebih lambat dibandingkan ground (0,5 – 2 detik)sangat baik (selubung ground dapat dipisahkan)Perputaran lambat diperlukan dengan isolasi listrik
Terkena Persimpangan berada di luar selubung dan langsung terkena medium<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Untuk pelat pemanas yang terkena siklus termal yang cepat, pilihan yang tepat hampir selalu adalah termokopel sambungan ground. Kontak langsung logam-ke-logam antara kabel termokopel dan selubung memastikan transmisi panas tercepat dari bahan pelat ke sambungan sensor. Tetapi jika selubungnya menyentuh pelat (sebagaimana mestinya), sinyal termokopel berada pada potensial ground yang sama dengan pelat, jika tidak ada isolasi listrik. Hal ini dapat menyebabkan ground loop jika masukan ke pengontrol tidak dipisahkan dengan baik. Persimpangan ground aman dan efektif dengan sebagian besar pengontrol PID modern dan sistem pengumpulan data yang menampilkan input terisolasi.

Jika persimpangan tidak dibumikan, maka akan jauh lebih lambat, biasanya 2 hingga 4 kali konstanta waktu dari probe yang dibumikan dengan diameter yang sama. Penundaan tambahan ini dapat mengganggu kestabilan loop kontrol untuk perputaran cepat. Persimpangan tak beralas paling baik digunakan untuk situasi yang memerlukan isolasi listrik (misalnya, pemanasan induksi frekuensi tinggi) dan saat kecepatan bersepeda sedang.

Jenis Termokopel: K, J atau Lainnya?
jenis K (Chromel-Alumel) adalah jenis yang paling umum digunakan untuk memanaskan pelat dalam kisaran 50 derajat hingga 400 derajat . Ini memiliki presisi yang baik (±2,2 derajat atau ±0,75%), ketahanan oksidasi yang tinggi, dan biaya yang murah. Tersedia rakitan termokopel tipe K sambungan ground dengan selubung berdiameter kecil.

Kemungkinan lainnya adalah Tipe J (Besi-Constantan). Ia memiliki tegangan termoelektrik yang lebih besar (sekitar 5% lebih banyak keluaran per derajat dibandingkan Tipe K pada 200 derajat ), yang memungkinkan respons listrik lebih cepat di beberapa pengontrol karena rasio sinyal-terhadap-kebisingan yang lebih baik. Namun, Tipe J memiliki suhu maksimum yang lebih rendah (kira-kira 750 derajat dibandingkan 1200 derajat untuk Tipe K) dan kaki besinya rentan terhadap oksidasi, sehingga tidak tahan lama-dalam aplikasi bersepeda. Tipe K disarankan untuk sebagian besar pelat{11}}berdaur cepat karena keandalan dan ketersediaannya yang luas.

Tipe T (Tembaga–Constantan) dapat dipertimbangkan untuk siklus kriogenik (dari -50 derajat hingga suhu tinggi) namun memiliki batas atas sekitar 350 derajat.

Penempatan: Dekat dengan Permukaan Kerja Adalah Segalanya
Termokopel terhebat di dunia tidak ada gunanya jika Anda menempelkannya terlalu jauh dari permukaan yang benar-benar menyentuh benda kerja. Panas akan dipindahkan dari elemen pemanas melalui ketebalan pelat ke permukaan kerja dan akhirnya ke bagian tersebut. Sensor harus ditempatkan sedekat mungkin dengan permukaan kerja tersebut untuk merasakan suhu yang dilihat bagian tersebut.

Metode Penempatan yang Disarankan:

Bor lubang buta, mulai dari bagian belakang pelat pemanas, hingga dalam jarak 1-2 mm dari permukaan kerja.

Masukkan termokopel (sambungan ground, diameter kecil - biasanya 1,5 mm hingga 3 mm) ke dalam lubang sehingga ujungnya menyentuh dasar lubang.

Isi ruang annular yang tersisa dengan senyawa konduktif termal suhu tinggi (misalnya, pasta boron nitrida, gemuk berisi perak, atau epoksi konduktif termal yang diberi peringkat untuk suhu kerja maksimum). Hal ini mengurangi celah udara yang merupakan isolator termal.

Pegang termokopel di tempatnya dengan fitting kompresi pegas atau klip penahan kecil agar termokopel tetap bersentuhan saat pelat mengembang dan berkontraksi.

Jika sensor ditempatkan terlalu dalam, misalnya di dekat komponen pemanas atau di tengah ketebalan pelat, maka akan terjadi jeda termal yang sebanding dengan jarak dari permukaan. Dalam pemanasan cepat, gradien suhu 5–10 derajat dapat diamati dari sisi pemanas ke sisi kerja pelat setebal 20 mm. Jika sensor ditempatkan 5 mm dari pemanas, maka sensor akan merasakan suhu yang jauh lebih panas daripada permukaan kerja dan pengontrol akan mematikan panas terlalu dini dan meninggalkan permukaan kerja yang dingin.

Sensor yang membutuhkan waktu 0,3 detik untuk merespons, bukan 3 detik, membuat semua perbedaan." Pengontrol membaca suhu permukaan sebenarnya hampir dengan cepat, karena sambungan ground yang cepat terletak 1,5 mm dari permukaan kerja. Overshoot dapat dikontrol hingga 1-2 derajat. Sensor yang tidak di-ground-kan dengan lamban pada kedalaman 10 mm biasanya menunjukkan overshoot 15-20 derajat selama ramp cepat.

Pertimbangan Tambahan untuk Pengoperasian yang Andal
Ukuran Termokopel
Probe berdiameter lebih kecil memiliki massa termal lebih sedikit dan merespons lebih cepat. Termokopel ground berdiameter 1,5 mm memiliki konstanta waktu sekitar-sepertiga dari probe 6 mm. Namun probe kecil secara mekanis rapuh. Probe berdiameter 3 mm merupakan kompromi yang wajar antara kecepatan dan daya tahan untuk pelat pemanas yang sering mengembang dan berkontraksi secara termal.

Menjaga Terhadap Geser dan getaran
Kawat timah termokopel keluar dari bagian belakang pelat dan perlu dikurangi tegangannya. Perputaran suhu yang cepat menyebabkan pelat mengembang dan menekan sehingga dapat melenturkan kabel timah di lokasi masuknya.