Да ли оријентација унутрашњег термоелемента ПФА грејача (врх у односу на средњу тачку) мења стабилност контролне петље?

ПФА грејачи се често користе у апликацијама за прецизну контролу температуре – полупроводничке клупе за мокро, фармацеутски реактори, аналитичка инструментација. Они обично имају уграђени термоелемент, интегрисан у метално језгро или између језгра и ПФА омотача. Аксијални положај термоелемента (врх наспрам средње тачке) има велики утицај на стабилност контролне петље. Термопар- постављен на врх (на дисталном крају грејача) мери најтоплију тачку на грејачу, брзо реагује на промене снаге, али такође мери локалне варијације температуре које можда нису репрезентативне за масу течности. Термопар на средњој-тачки (50-70% дужине грејача од хладног краја) даје просечну температуру, реагује спорије али са мање буке. Оријентација на средини је боља за већину апликација за грејање течности, пружајући бољу стабилност контролне петље (мање осцилације, ниже прекорачење) пошто филтрира локалне вруће закрпе и термичке градијенте. Оријентација врха се препоручује само када је грејач у зони испарења или када је врх критична температурна граница (нпр. да би се спречило локално кључање). Разлику у стабилности контроле квантификујемо као смањење од 30-50% пропорционалне потребе за траком за средњи пут у односу на постављање врха.

Термичка динамика по целој дужини грејача
Расподела температуре за вертикални ПФА грејач уроњен у течност није-уједначена. Обично је врх (доњи) 5-15 степени хладнији од средње тачке, јер је врх даље од хладног краја (који одводи топлоту од резервоара) и може бити у зони различите брзине протока. Температура у региону близу површине течности (врх загрејане дужине) је често виша за 5–10 степени због смањеног преноса топлоте у граничном слоју. Температура у језгру (метал унутар ПФА) је знатно варијабилнија: при 3 В/цм² у води од 80 степени, средње језгро може бити 150 степени, језгро врха 140 степени, а језгро више загрејане зоне 160 степени. Термопар на врху прати нижу температуру (мање под утицајем површинских промена) која је стабилнија. Центар има термоелемент за топлију температуру која боље реагује. Термопар у близини површине течности ће мерити најтоплију, најпроменљивију температуру.

Када се користи као сензор повратне спреге за ПИД контролер, постављање термоелемента контролише карактеристике променљивих процеса. Сензор на средини има већу термичку масу (више метала и ПФА између сензора и течности) и стога дужу временску константу (τ=10-30 секунди). Сензори врха имају мању топлотну масу (мање материјала на танком врху) и краћу временску константу (τ=3–10 секунди). Што је временска константа краћа, одзив је бржи, али и контролна петља је подложнија шуму и већа је вероватноћа да ће осциловати ако појачања ПИД-а нису правилно подешена.

Поређење стабилности управљања
Локација термоелемента Типична временска константа (с) Температура у односу на велики проток течности Реакција на промене Препоручена стабилност ПИД акције при истом подешавању ПИД-а
Врх (близу врха у кругу од 5 цм)3–8 Булк + 5–15 степени Висок (врх изложен променљивом протоку) Ниско пропорционално појачање (П), велико интегрално време (И) Има тенденцију да осцилује (појачање превисоко)
Доња четвртина (напојница 25%) 6–12 Масивно + 8–20 степени Умерено Средње П, средње ИСстабилно умерено
Већи П, нижи И (бржи одзив, без осцилација) Најстабилнији,

Више сензора је у просеку 10-20 (просек) Просек изнад Ниско Као средње Најстабилније (смањује буку)

Изведен је контролисани експеримент контрастног врха у односу на положај термоелемента средње тачке у резервоару за галванизацију од 500 Л са ПФА грејачем од 6 кВ (дужина 1,5 м, вертикално). Коришћен је исти ПИД контролер (аутоматско подешен независно за сваку локацију сензора). Резултати: