¿Cómo seleccionar el tipo de termopar y la ubicación de una placa calefactora sometida a ciclos térmicos rápidos?

Una placa calefactora que pasa de 50 grados a 250 grados en segundos y viceversa necesita un sensor que pueda mantener el ritmo. El tipo de termopar y su ubicación exacta en la placa deciden si el controlador está por delante o por detrás del proceso térmico. Los sensores de temperatura lentos dan como resultado tiempos excesivos, insuficientes y prolongados de estabilización en aplicaciones donde se requieren ciclos térmicos rápidos, como pruebas de obleas semiconductoras, moldeo por inyección de respuesta o envejecimiento acelerado de materiales. La selección y colocación adecuadas del termopar pueden convertir una operación impredecible en una estrictamente controlada.

Por qué el tiempo de respuesta es importante en los ciclos rápidos
Si se dirige una placa calefactora para cambiar la temperatura rápidamente, el circuito de control utiliza la temperatura medida para decidir si cortar la energía o aplicar enfriamiento. Si el termopar lee una temperatura significativamente desfasada con la temperatura real de la superficie de trabajo, el controlador continuará calentando después de alcanzar el punto de ajuste (sobreimpulso) o comenzará a enfriar prematuramente (infraimpulso). En la peor situación, la temperatura de la placa puede presentar una oscilación con respecto al punto de ajuste sin siquiera estabilizarse.

El parámetro importante es la constante de tiempo del sensor - el tiempo que le toma al sensor alcanzar el 63,2 % de un cambio escalonado de temperatura. Si la placa aumenta rápidamente (digamos de 10 a 20 grados por segundo), entonces un sensor con una constante de tiempo de 3 segundos se retrasará decenas de grados. Un sensor con una constante de tiempo de 0,3 segundos sigue la superficie real mucho más cerca.

El tipo de unión es tan crucial como el tipo de termopar en la técnica de instrumentación-de prensa. La selección de una placa calefactora de ciclo rápido tipo termopar debe basarse en una respuesta térmica rápida, robustez mecánica y aislamiento eléctrico, si es necesario.

Tipos de uniones de termopar: sin conexión a tierra, conectadas a tierra y expuestas
Hay tres estilos de unión comunes para termopares enfundados. Cada uno de ellos responde de manera diferente al calor y la electricidad.

Estilo de uniónDescripciónConstante de tiempo (sonda estándar de 6 mm)Aislamiento eléctrico Ideal para cables conectados a tierra soldados al interior de la punta de la funda; unión en contacto directo con la funda 0,1 – 0,5 s Ninguno (funda en señal común) Mayor capacidad de respuesta, donde el ruido eléctrico no es un problema
Cables sin conexión a tierra soldados entre sí pero aislados de la funda con MgO; Unión incrustada en polvo compactado 2 – 4 veces más lenta que la conectada a tierra (0,5 – 2 segundos) Muy buena (la funda de tierra se puede separar) Se requieren ciclos lentos con aislamiento eléctrico
Expuesto La unión está fuera de la funda y está directamente expuesta al medio.<0.1 secPoor (can short exposed wire)Gas temperature measurement ; not used inside metal plates
Para una placa calefactora expuesta a ciclos térmicos rápidos, la elección adecuada casi siempre es un termopar con unión a tierra. El contacto directo de metal-con-metal entre los cables del termopar y la funda garantiza la transmisión de calor más rápida posible desde el material de la placa hasta la unión del sensor. Pero si la funda toca la placa (como se supone que debe hacerlo), la señal del termopar tiene el mismo potencial de tierra que la placa, si no hay aislamiento eléctrico. Esto puede causar bucles de tierra si la entrada al controlador no está bien separada. Las uniones a tierra son seguras y efectivas con la mayoría de los controladores PID y sistemas de recopilación de datos modernos que cuentan con entradas aisladas.

Si la unión no está conectada a tierra, será mucho más lenta, normalmente de 2 a 4 veces la constante de tiempo de una sonda conectada a tierra del mismo diámetro. Este retraso adicional puede desestabilizar el circuito de control para ciclos rápidos. Es mejor reservar las uniones sin conexión a tierra para situaciones en las que el aislamiento eléctrico es imprescindible (p. ej., calentamiento por inducción de alta-frecuencia) y en las que las velocidades de ciclo son moderadas.

Tipo de termopar: ¿K, J u otro?
El tipo K (Chromel-Alumel) es el tipo más comúnmente utilizado para calentar placas en el rango de 50 grados a 400 grados. Tiene buena precisión (±2,2 grados o ±0,75%), gran resistencia a la oxidación y costo económico. Están disponibles conjuntos de termopar tipo K con unión a tierra con vainas de diámetro pequeño.

Otra posibilidad es el tipo J (hierro-Constantan). Tiene un voltaje termoeléctrico mayor (aproximadamente un 5 % más de salida por grado que el Tipo K a 200 grados), lo que puede permitir una respuesta eléctrica algo más rápida en algunos controladores debido a una mejor relación señal-a-ruido. Sin embargo, el tipo J tiene una temperatura máxima más baja (aproximadamente 750 grados en comparación con los 1200 grados del tipo K) y la pata de hierro es propensa a la oxidación, por lo que no tiene una vida tan larga-en aplicaciones de ciclismo. El tipo K se sugiere para la mayoría de las placas-de ciclo rápido debido a su confiabilidad y amplia disponibilidad.

El tipo T (Cobre-Constantán) se puede considerar para ciclos criogénicos (desde -50 grados hasta altas temperaturas), pero tiene un límite superior de aproximadamente 350 grados.

Colocación: cerca de la superficie de trabajo lo es todo
El termopar más grande del mundo es inútil si lo colocas demasiado lejos de la superficie que realmente toca la pieza de trabajo. El calor debe transferirse desde los elementos calefactores a través del espesor de la placa hasta la superficie de trabajo y finalmente a la pieza. El sensor debe colocarse lo más cerca posible de esa superficie de trabajo para detectar la temperatura que ve la pieza.

Colocación Método sugerido:

Taladre un agujero ciego, comenzando desde la parte posterior de la placa calefactora, hasta 1-2 mm de la cara de trabajo.

Inserte el termopar (unión a tierra, diámetro pequeño - normalmente de 1,5 mm a 3 mm) en el orificio de modo que la punta toque el fondo del orificio.

Llene el espacio anular restante con un compuesto conductor térmico de alta temperatura (por ejemplo, pasta de nitruro de boro, grasa rellena de plata o epoxi térmicamente conductor clasificado para la temperatura máxima de trabajo). Esto reduce los espacios de aire que de otro modo serían aislantes térmicos.

Sujete el termopar en su lugar con un accesorio de compresión accionado por resorte o un pequeño clip de retención para mantenerlo en contacto cuando la placa se expanda y contraiga.

Si el sensor se coloca demasiado profundo, digamos cerca de los componentes calefactores o en la mitad del espesor de la placa, se introduce un retraso térmico que es proporcional a la distancia desde la superficie. En el calentamiento rápido se puede observar un gradiente de temperatura de 5 a 10 grados desde el lado del calentador hasta el lado de trabajo de una placa de 20 mm de espesor. Si se colocara un sensor a 5 mm de los calentadores, detectaría una temperatura mucho más alta que la superficie de trabajo y el controlador apagaría el calor demasiado pronto y dejaría una cara de trabajo fría.

Un sensor que tarda 0,3 segundos en responder en lugar de 3 segundos marca la diferencia". El controlador lee la temperatura real de la superficie casi rápidamente, ya que una unión rápida con conexión a tierra se encuentra a 1,5 mm de distancia de la superficie de trabajo. El exceso se puede controlar a 1-2 grados. Un sensor lento sin conexión a tierra a 10 mm de profundidad generalmente muestra un exceso de 15-20 grados durante una rampa rápida.

Consideraciones adicionales para una operación confiable
Tamaño del termopar
Las sondas de menor diámetro tienen menos masa térmica y responden más rápido. Un termopar conectado a tierra de 1,5 mm de diámetro tiene una constante de tiempo de aproximadamente un-tercio de la de una sonda de 6 mm. Pero las sondas pequeñas son mecánicamente frágiles. Una sonda de 3 mm de diámetro es un compromiso razonable entre velocidad y durabilidad para una placa calefactora que se expande y contrae térmicamente con frecuencia.

Protección contra cortes y vibraciones
El cable del termopar sale por la parte posterior de la placa y es necesario aliviar la tensión. Los ciclos rápidos de temperatura hacen que la placa se expanda y se comprima, lo que puede flexionar el cable en el lugar de entrada.