Comment sélectionner le type et l'emplacement du thermocouple pour une plaque chauffante soumise à un cycle thermique rapide ?

Une plaque chauffante qui passe de 50 degrés à 250 degrés en quelques secondes et vice-versa a besoin d'un capteur capable de suivre le rythme. Le type de thermocouple et son emplacement exact dans la plaque déterminent si le contrôleur est en avance ou en retard sur le processus thermique. Les capteurs de température lents entraînent des dépassements excessifs, inférieurs et de longs temps de stabilisation dans les applications où un cycle thermique rapide est requis, telles que les tests de plaquettes semi-conductrices, le moulage par injection de réponse ou le vieillissement accéléré des matériaux. Une sélection et un placement appropriés des thermocouples peuvent transformer une opération imprévisible en une opération étroitement contrôlée.

Pourquoi le temps de réponse est important dans le cyclisme rapide
Si une plaque chauffante doit changer rapidement de température, la boucle de contrôle utilise la température mesurée pour décider s'il faut couper l'alimentation ou appliquer un refroidissement. Si le thermocouple lit une température considérablement déphasée par rapport à la température réelle de la surface de travail, le contrôleur continuera à chauffer une fois le point de consigne atteint (dépassement) ou commencera à refroidir prématurément (sous-dépassement). Dans le pire des cas, la température de la plaque peut présenter une oscillation autour du point de consigne sans jamais se stabiliser.

Le paramètre important est la constante de temps du capteur -, le temps nécessaire au capteur pour atteindre 63,2 % d'un changement de température par paliers. Si la plaque monte rapidement (disons 10 à 20 degrés par seconde), alors un capteur avec une constante de temps de 3 secondes sera en retard de plusieurs dizaines de degrés. Un capteur avec une constante de temps de 0,3 seconde suit la surface réelle de beaucoup plus près.

Le type de jonction est aussi crucial que le type de thermocouple dans la technique d'instrumentation de presse-. La sélection de l'emplacement d'une plaque chauffante à cycle rapide de type thermocouple doit être basée sur une réponse thermique rapide, une robustesse mécanique et une isolation électrique, si nécessaire.

Types de jonctions de thermocouple : non mises à la terre, mises à la terre et exposées
Il existe trois styles de jonction courants pour les thermocouples gainés. Ils réagissent chacun différemment à la chaleur et à l’électricité.

Style de jonctionDescriptionConstante de temps (sonde standard de 6 mm)Isolation électrique Idéale pour les fils mis à la terre soudés à l'intérieur de l'extrémité de la gaine ; jonction en contact direct avec la gaine 0,1 – 0,5 sAucun (gaine au niveau commun du signal)Réactivité la plus rapide, là où le bruit électrique n'est pas un problème
Fils non mis à la terre soudés ensemble mais isolés de la gaine par MgO ; jonction incorporée dans la poudre compactée 2 à 4 fois plus lente que mise à la terre (0,5 à 2 secondes) très bonne (la gaine de terre peut être séparée) Cyclage lent requis avec isolation électrique
Exposée La jonction est à l'extérieur de la gaine et est directement exposée au milieu<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Pour une plaque chauffante exposée à des cycles thermiques rapides, le choix approprié est presque toujours un thermocouple à jonction mis à la terre. Le contact direct métal-à-métal entre les fils du thermocouple et la gaine assure la transmission de chaleur la plus rapide possible du matériau de la plaque à la jonction du capteur. Mais si la gaine touche la plaque (comme elle est censée le faire), le signal du thermocouple est au même potentiel de masse que la plaque, s'il n'y a pas d'isolation électrique. Cela peut provoquer des boucles de masse si l'entrée du contrôleur n'est pas bien séparée. Les jonctions mises à la terre sont sûres et efficaces avec la plupart des contrôleurs PID et des systèmes de collecte de données modernes dotés d'entrées isolées.

Si la jonction n'est pas mise à la terre, elle sera beaucoup plus lente, généralement 2 à 4 fois la constante de temps d'une sonde mise à la terre du même diamètre. Ce délai supplémentaire peut déstabiliser la boucle de contrôle pour un cyclage rapide. Il est préférable de réserver les jonctions non mises à la terre aux situations où l'isolation électrique est indispensable (par exemple, chauffage par induction à haute fréquence) et où les vitesses de cyclage sont modérées.

Type de thermocouple : K, J ou autre ?
le type K (Chromel-Alumel) est le type le plus couramment utilisé pour chauffer des plaques entre 50 degrés et 400 degrés. Il a une bonne précision (± 2,2 degrés ou ± 0,75 %), une grande résistance à l'oxydation et un coût bon marché. Des assemblages de thermocouples de type K à jonction mise à la terre avec des gaines de petit diamètre sont disponibles.

Une autre possibilité est le type J (fer -Constantan). Il a une tension thermoélectrique plus élevée (environ 5 % de sortie par degré en plus que le type K à 200 degrés), ce qui peut permettre une réponse électrique un peu plus rapide dans certains contrôleurs en raison d'un meilleur rapport signal-sur-bruit. Cependant, le type J a une température maximale plus basse (environ 750 degrés contre 1 200 degrés pour le type K) et la jambe en fer est sujette à l'oxydation, elle n'a donc pas une durée de vie aussi longue - dans les applications cyclistes. Le type K est suggéré pour la majorité des plaques à cycle rapide-en raison de sa fiabilité et de sa disponibilité étendue.

Le type T (Cuivre-Constantan) peut être envisagé pour les cycles cryogéniques (de -50 degrés jusqu'à des températures élevées) mais a une limite supérieure d'environ 350 degrés.

Placement : tout est à proximité de la surface de travail
Le plus grand thermocouple du monde est inutile si vous le collez trop loin de la surface qui touche réellement la pièce. La chaleur doit être transférée des éléments chauffants à travers l'épaisseur de la plaque jusqu'à la surface de travail et enfin à la pièce. Le capteur doit être placé aussi près que possible de cette surface de travail pour détecter la température vue par la pièce.

Placement Méthode suggérée :

Percez un trou borgne, en partant de l'arrière de la plaque chauffante, jusqu'à 1 à 2 mm de la face de travail.

Insérez le thermocouple (jonction mise à la terre, petit diamètre - normalement 1,5 mm à 3 mm) dans le trou de manière à ce que la pointe touche le fond du trou.

Remplissez l'espace annulaire restant avec un composé thermoconducteur haute température (par exemple, une pâte de nitrure de bore, de la graisse remplie d'argent ou une résine époxy thermoconductrice conçue pour la température de fonctionnement maximale). Cela réduit les entrefers qui sont autrement des isolants thermiques.

Maintenez le thermocouple en place avec un raccord à compression à ressort ou un petit clip de rétention pour le maintenir en contact lorsque la plaque se dilate et se contracte.

Si le capteur est placé trop profondément, par exemple près des composants chauffants ou à mi-chemin de l'épaisseur de la plaque, un décalage thermique se produit alors qui est proportionnel à la distance par rapport à la surface. Lors d'un chauffage rapide, un gradient de température de 5 à 10 degrés peut être observé du côté de l'appareil de chauffage jusqu'au côté de travail d'une plaque de 20 mm d'épaisseur. Si un capteur était placé à 5 mm des radiateurs, il détecterait une température beaucoup plus chaude que la surface de travail et le contrôleur éteindrait le chauffage trop tôt et laisserait une face de travail froide.

Un capteur qui prend 0,3 seconde pour répondre au lieu de 3 secondes fait toute la différence. » Le contrôleur lit la température réelle de la surface presque rapidement, car une jonction rapide mise à la terre est située à 1,5 mm de la surface de travail. Le dépassement peut être contrôlé à 1-2 degrés. Un capteur lent non mis à la terre à 10 mm de profondeur présente généralement un dépassement de 15-20 degrés lors d'une rampe rapide.

Considérations supplémentaires pour un fonctionnement fiable
Taille du thermocouple
Les sondes de plus petit diamètre ont moins de masse thermique et répondent plus rapidement. Un thermocouple mis à la terre de 1,5 mm de diamètre a une constante de temps d'environ un-tiers de celle d'une sonde de 6 mm. Mais les petites sondes sont mécaniquement fragiles. Une sonde de 3 mm de diamètre constitue un compromis raisonnable entre vitesse et durabilité pour une plaque chauffante qui se dilate et se contracte thermiquement souvent.

Protection contre le cisaillement et les vibrations
Le fil conducteur du thermocouple sort par l’arrière de la plaque et doit être détendu. Un cycle de température rapide provoque l'expansion et la compression de la plaque, ce qui peut fléchir le fil conducteur à l'emplacement d'entrée.