Које су опције за више{0}}зонску контролу температуре на једној грејној плочи?

Велика плоча са само једном зоном грејања често има хладнији периметар јер су губици на ивици већи. Контрола са више- зона омогућава да се плоча подели на зоне које су индивидуално регулисане, омогућавајући да се ивичне зоне гурну мало топлије да би се компензовале или да се одвоје области како би се задржале различите задате вредности за сложене процесе. Системи са више-зона нуде униформност и флексибилност процеса у апликацијама прецизног грејања као што су производња полупроводничких плочица, ламинација, вакуумско обликовање или лабораторијске грејне плоче које систем са једном{4}}зоном не може да пружи.

Производња грејне плоче са више{0}} зона
Више{0}}зонска плоча за кување се састоји од неколико независних кругова грејања уграђених у тело плоче. Свако коло је често отпорни грејни елемент (урезана фолија, жица или одштампани траг дебелог-филма) у одређеном распореду. Свака зона има свој специјализовани температурни сензор (обично термоелемент или отпорни температурни детектор (РТД)) и контролише се наменском повратном спрегом. Зоне су електрично изоловане једна од друге, али имају заједнички топлотно проводљиви материјал плоча (алуминијум, бакар или нерђајући челик).

Где се налазе грејни елементи постављају границе зона. Свака зона треба да буде 2-3 пута већа од дебљине плоче да би се добио разуман степен независности. Ова хеуристика смањује термални унакрсни разговор између суседних зона. Што су плоче тање или што су мање зоне, ствара се већа интеракција и тежа је независна контрола.

Типични приступи зонирања
У индустријским и лабораторијским грејним плочама користе се три главне шеме зонирања. Избор је диктиран захтевима процедуре.

Повећање периметарске зоне (компензација ивице)
Топлота која се губи са периферије плоче је много већа од оне из њеног центра, пошто периферија нуди већу површину на коју хладнији ваздух око ње делује. Плоча са једном зоном стога има пад температуре на ивицама. У дизајну са више- зона, спољна зона (или одређени ивични прстен) се покреће са већом снагом или је подешена на вишу температуру од унутрашњих зона. Ово објашњава губитке на ивицама и производи хомогено температурно поље на целој површини плоче.

Популарна конфигурација је кружна плоча са 3 зоне, унутрашња кружна зона, средња прстенаста зона и спољна прстенаста зона. Спољна зона је за 5–15 степени топлија од задате вредности у средини, у зависности од величине плоче и околности околине. Код правоугаоних плоча периметарска зона окружује централну.

Руковање градијентом
За неке операције потребан је сврсисходан температурни градијент преко плоче. Такви случајеви укључују профиле очвршћавања где материјал треба да се загрева на прогресиван начин, са једне стране на другу, или термичко тестирање компоненти под регулисаном температурном рампом у целом делу. Градијент се контролише подешавањем температуре суседних зона на различите вредности. Број зона дефинише финоћу градијента.

Четворозонска линеарна плоча се може подесити на 50 степени, 70 степени, 90 степени и 110 степени у складу са тим (зона 1 на једном крају, зона 4 на другом крају). Материјал плоче проводи топлоту, али појединачна контролна петља у свакој зони одржава локалну задату вредност упркос протоку топлоте из суседних зона. Подешавање контролера решава термичке преслушавање; апликације са градијентом обично захтевају веће пропорционалне добитке.

Зоне за одређене делове
У аутоматизованој обради могу се загревати само делови плоче на којима се налази радни предмет. На пример, огромна плоча са неколико малих делова може имати одвојене зоне за постављање сваког дела. Секције испод дела су укључене ради уштеде енергије и спречавања прегревања слободних делова. Исти приступ се користи у опреми за топлотно заптивање или лепљење, где само област која долази у контакт са делом треба да се загреје.

Неопходно је детектовање присуства делова (нпр. оптички или механички сензори) и контролни механизам за омогућавање или онемогућавање зона специфичних за део{2}}. Сама грејна плоча мора имати довољно фину поделу зона која одговара распореду предмета.

Спецификација система за контролу више{0}}зонских плоча
Свака зона треба свој температурни сензор и засебну контролну петљу. Постоје две варијанте управљачког система:

Више-канални ПИД контролер - Један инструмент који узима неколико термопарова или РТД улаза и даје више контролних излаза (обично полупроводнички релеји или тиристори). Сваки канал ради независно са својим ПИД параметрима. Ови контролери су доступни у верзијама са 2, 4, 8 или 16 зона.

ПЛЦ са аналогним И/О - Програмабилни логички контролер (ПЛЦ) има бројне температурне улазне и излазне модуле који покрећу независне ПИД петље у софтверу. Ово решење је флексибилније за{2}}сензоре присуства, евидентирање података и повезивање са системима вишег нивоа.

Подешавање у више- зона има веће потешкоће од једне зоне због термичког преслушавања. Промена струје у једној зони ремети суседне зоне. Модерни ПИД контролери имају функције аутоматског-подешавања које могу да се изборе са мањим унакрсним сметњама, али јаком повезивању ће можда бити потребне технике раздвајања или управљање{4}}засновано на моделу.

Објашњење дијаграма правоугаоне плоче са 3 зоне
Испод је типична вишезонска правоугаона грејна плоча за компензацију ивица (без слике, али је обезбеђен текстуални распоред):

Укупне димензије плоче: 600 мм к 400 мм к 20 мм (алуминијум)

Зона 1 (центар): правоугаона зона од 300 мм × 200 мм у средини. Ова област је равномерно прекривена узорком грејача.

Зона 2 (средња): прстенасти правоугаоник ширине 50 мм на сва четири угла зоне 1. Узорак грејача је различита петља

Зона 3 (ивица): крајњи периметар од 50 мм. Узорак грејача концентрисан на ивицама.

Термопар је имплантиран у геометријски центар сваке зоне. Свака од три зоне се контролише независно преко 3-каналног ПИД контролера. Зона 3 је постављена више од циља, за 10 степени, зона 2 је виша од циља за 3 степена, а зона 1 је постављена на циљ, за сталну температуру плоче. Стварна површинска температура мерена инфрацрвеном камером открива хомогеност плоче од ±1 степен.

Проблеми са дизајном и термичка преслушавања
Топлотна изолација између зона никада није савршена. Топлота увек тече из топлијег региона до хладнијег региона поред њега. Ово преслушавање имплицира да ће промена задате вредности у једној зони променити температуру њених суседа. Међутим, адекватна независност се постиже одговарајућом ширином зоне ($\\гек 2-3$ $\\тимес$ дебљине плоче) и пажљивим подешавањем ПИД-а.

Ако су зоне преуске или плоча претанка, систем се понаша више као једна зона са бројним грејачима-који побеђују циљ контроле у ​​више зона. Због тога, дизајн грејне плоче са више зона треба да се заснива на анализи коначних елемената или експерименталном тестирању да би се идентификовала минимална ширина зоне за потребне перформансе.

Друга је расподела густине вата грејача. Рубне зоне могу захтевати већу густину у ватима (В/цм 2 ) да би се обезбедила додатна снага потребна за подешавање ивица. Однос снаге између ивичних и централних зона је обично у опсегу од 1,5:1 до 3:1, у зависности од величине плоче и изолације на ивици.

Предности и недостаци више-{0}}зонске контроле Предности:

Боља уједначеност температуре (компензација ивица)

Способност успостављања добро{0}}дефинисаних температурних градијената

Део{0}}специфичне примене деактивације зоне ради уштеде енергије

Бржи термички одговор ако само део плоче треба да промени температуру

Ограничења:

Скупље (много сензора, грејача и контролних канала)

Софистицираније подешавање и подешавање

Термичка преслушавања ограничава теоријску независност

Повећана минимална величина плоче за више зона

Закључак
Контрола температуре у више зона за побољшану униформност и флексибилност у грејним плочама великог формата. Три главне методологије за зонирање су појачање периметарске зоне за компензацију ивица, контрола градијента за намерне температурне профиле и зоне{1}}специфичне за део за енергетски ефикасну обраду. Свака зона се контролише сопственим сензором и контролном петљом, коју обично имплементирају више-канални ПИД контролери или ПЛЦ-ови. Термички преслушавање између зона је неизбежно, али се може ублажити коришћењем ширине зоне најмање 2-3 дебљине плоче и пажљивим подешавањем контролера. Напредна контрола је кључни фактор за прецизност процеса у апликацијама од производње полупроводника до индустријске ламинације. Решење избора за процесе који захтевају хомогеност ±1 степен или програмабилне температурне градијенте је правилно конструисана плоча за грејање са више зона.