تقنية قياس درجة الحرارة والتحكم في تسخين الحث

بسبب كفاءتها العالية, سرعة, والتحكم, يستخدم تسخين الحث على نطاق واسع في التطبيقات مثل معالجة حرارة المعادن (على سبيل المثال, التبريد, هدأ, الصلب), اللحام, ذوبان, وتزوير الساخنة. في هذه العمليات, درجة الحرارة هي المعلمة الأكثر أهمية التي تحدد جودة المنتج النهائي, بما في ذلك الصلابة, البنية المجهرية, والخصائص الميكانيكية. لذلك, قياس درجة الحرارة الدقيقة والتحكم ضرورية.

طرق قياس درجة الحرارة الرئيسية في تسخين الحث

ليست جميع طرق قياس درجة الحرارة مناسبة للبيئة الكهرومغناطيسية الفريدة من نوعها للتدفئة الحث. فيما يلي العديد من التقنيات السائدة وخصائص تطبيقها.

1. الحمر بالأشعة تحت الحمراء

Pyrometer الأشعة تحت الحمراء هو جهاز قياس درجة حرارة غير الاتصال يحدد درجة حرارة الكائن عن طريق قياس طاقة الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطحه.

• مبدأ العمل: أي جسم تزيد درجة حرارته عن الصفر المطلق يصدر موجات كهرومغناطيسية (الإشعاع الحراري). وترتبط كمية هذه الطاقة المشعة وتوزيع طولها الموجي ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة سطح الجسم. يقوم النظام البصري للبيرومتر بجمع الطاقة التي تشعها قطعة العمل ويركزها على الكاشف. يقوم الكاشف بتحويل هذه الطاقة إلى إشارة كهربائية, والتي تتم معالجتها بعد ذلك بواسطة دائرة إلكترونية, تصحيح لقيمة الابتعاثية المعروفة, وأخيراً يتم عرضها كقراءة لدرجة الحرارة.
• المزايا في التدفئة التعريفي:
  • قياس عدم الاتصال: هذه هي ميزتها الأساسية. لا يتداخل مع المجال الكهرومغناطيسي للتدفئة التعريفي ولا يتعرض للتآكل أو التلف الناتج عن التلامس. إنه مثالي لقياس قطع العمل المتحركة (مثل مهاوي الدوارة), أجزاء لا يمكن الوصول إليها, أو في تطبيقات درجات الحرارة العالية للغاية.
  • سريع وقت الاستجابة: يمكن أن يكون للبيرومترات العاملة بالأشعة تحت الحمراء أوقات استجابة في نطاق المللي ثانية, لتمكينهم من التقاط التغيرات في درجات الحرارة في الوقت الحقيقي أثناء عمليات التسخين السريعة مثل التبريد التعريفي.
  • نطاق قياس واسع: يمكنهم قياس درجات الحرارة من بضع مئات إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية.
• التحديات والتدابير المضادة في التدفئة التعريفي:
  • الابتعاثية: هذا هو التحدي الرئيسي لقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء. تمثل الابتعاثية قدرة الجسم على إصدار إشعاع حراري, مع قيمة بين 0 و 1. يتأثر بنوع المادة, خشونة السطح, مستوى الأكسدة, وحتى درجة الحرارة نفسها.
    • التدابير المضادة:
      1. اختر لونين (الطول الموجي المزدوج) أو البيرومتر متعدد الأطوال الموجية: بالمقارنة مع البيرومترات أحادية اللون, تحسب النماذج ذات اللونين درجة الحرارة عن طريق قياس نسبة الطاقة المشعة عند طولين موجيين مختلفين. هذا يمكن, إلى حد ما, ينفي آثار تغير الابتعاثية, دخان, أو بخار الماء.
      2. المعايرة والإعداد: في الممارسة العملية, من الضروري التحديد المسبق لانبعاثية قطعة عمل معينة عند درجة الحرارة المستهدفة من خلال مقارنتها بمقياس حرارة ملامس (مثل المزدوجة الحرارية) ومن ثم ضبط هذه القيمة بشكل صحيح في البيرومتر.
  • البيئة تدخل: الملف التعريفي, بخار الماء, ويمكن أن يعيق الغبار خط رؤية البيرومتر جزئيًا, تؤثر على دقة القياس.
    • التدابير المضادة: حافظ على نظافة العدسة البصرية واستخدم طرقًا مثل تطهير الهواء لمسح مسار القياس من العوائق. قم بتصميم موضع التثبيت بعناية لضمان مجال رؤية واضح.

2. قياس الحرارة الحرارية

المزدوجات الحرارية هي أجهزة استشعار درجة الحرارة الأكثر شيوعًا من نوع التلامس المستخدمة في الصناعة.

• مبدأ العمل: بناءً على تأثير SEEBECK. عندما يكون اثنين من الموصلات المتباينة أو أشباه الموصلات (أ و ب) انضمت إلى نقطتين لتشكيل حلقة مغلقة, جهد صغير (EMF الحرارية) يتم إنشاؤه إذا كان الوصلان في درجات حرارة مختلفة. يرتبط حجم هذا الجهد بفارق درجة الحرارة بين الوصلات. من خلال قياس هذا EMF الحراري ومعرفة درجة حرارة الوصلات الباردة (تقاطع مرجع), يمكن حساب درجة حرارة تقاطع القياس.
• المزايا في التدفئة التعريفي:
  • دقة عالية وتكنولوجيا ناضجة: عندما لا تتعرض للتداخل, يمكن أن توفر المزدوجات الحرارية قياسات دقيقة للغاية وقابلة للتكرار.
  • انخفاض التكلفة: عادة ما تكون المزدوجات الحرارية أقل تكلفة من أجبرات الأشعة تحت الحمراء عالية الأداء.
  • لا يتأثر بالانبعاثات: كوسيلة اتصال, فهو يقيس مباشرة درجة الحرارة الداخلية أو السطحية لقطعة العمل, مستقلة عن التغيرات في حالة السطح.
• التحديات والتدابير المضادة في التدفئة التعريفي:
  • التداخل الكهرومغناطيسي (إيمي): هذا هو أكبر عائق أمام استخدام المزدوجات الحرارية في التسخين التعريفي. عالية التردد, يؤدي المجال المغناطيسي القوي الناتج عن الملف التعريفي إلى إحداث جهد تداخل كبير في الأسلاك المزدوجة الحرارية. يمكن أن يكون هذا الجهد المستحث أكبر بكثير من الإشارة الكهروحرارية الضعيفة, مما يسبب قراءات غير منتظمة أو غير صحيحة تماما.
    • التدابير المضادة:
      1. التدريع و التأريض: استخدم الكابلات الحرارية مع درع معدني وتأكد من تأريض الدرع بشكل صحيح.
      2. تصفية: أضف مرشح تمرير منخفض عند مدخل الجهاز لتصفية إشارات التداخل عالية التردد.
      3. الأسلاك المناسبة: قم بتوجيه الأسلاك الحرارية بعيدًا عن ملف الحث قدر الإمكان وعموديًا على خطوط الكهرباء.
  • الاتصال الجسدي والتثبيت:
    • يتطلب الأمر حفر ثقب أو لحام موضعي لتوصيل المزدوجة الحرارية, والتي يمكن أن تلحق الضرر بقطعة العمل وغير مناسبة للإنتاج الضخم.
    • يعد استخدام المزدوجة الحرارية على قطعة عمل متحركة أمرًا صعبًا للغاية.
  • وقت الاستجابة: زمن استجابة المزدوجة الحرارية أبطأ من زمن استجابة البيرومتر لأنها تحتاج إلى وقت للوصول إلى التوازن الحراري مع قطعة العمل.
  • عمر: في بيئات ركوب الدراجات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية والسريعة, المزدوجات الحرارية عرضة للأكسدة والضرر.

3. قياس حرارة الألياف الضوئية

هذه تقنية أحدث مصممة خصيصًا للبيئات القاسية مثل المجالات الكهرومغناطيسية القوية. يمكن اعتباره خاصًا “الحرارية” التي تتميز بمقاومة عالية للتدخل.

• مبدأ العمل: طرف المسبار مطلي بمادة فلورسنت أو شبه موصلة حساسة لدرجة الحرارة. يتم إرسال نبضة ضوئية عبر كابل الألياف الضوئية إلى المسبار, إثارة المادة وجعلها تنتج مضانًا عند طول موجي محدد. إن زمن الاضمحلال أو الخصائص الطيفية لهذا التألق لها علاقة دقيقة مع درجة الحرارة. عن طريق قياس الإشارة الضوئية المرتجعة, يمكن تحديد درجة الحرارة بدقة.
• المزايا في التدفئة التعريفي:
  • الحصانة الكاملة لEMI: تعتمد عملية الاستشعار ونقل الإشارة بأكملها على الضوء, مما يجعلها محصنة تماما ضد المجالات الكهرومغناطيسية, وهي ميزتها الأساسية.
  • دقة عالية واستجابة سريعة: فهو يجمع بين الدقة العالية وزمن الاستجابة السريع نسبيًا.
  • عازلة للكهرباء: المسبار والكابل كلاهما عوازل, مما يجعلها آمنة للغاية.
• التحديات:
  • تكلفة عالية: حالياً, تعد أنظمة قياس الحرارة بالألياف الضوئية أكثر تكلفة بكثير من المزدوجات الحرارية ومقاييس البيرومتر القياسية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
  • مسبار هش: مسبار الألياف الضوئية حساس نسبيًا ويتطلب تركيبًا دقيقًا.

كيف يضمن نظام التحكم في درجة الحرارة ذو الحلقة المغلقة دقة التسخين

بغض النظر عن طريقة القياس المختارة, انها ليست سوى “عيون” من النظام. لتحقيق التحكم الدقيق في درجة الحرارة, يجب أن يتم دمجها في نظام التحكم في الحلقة المغلقة.

أ نظام التحكم في درجة الحرارة ذو الحلقة المغلقة هو نظام تحكم تلقائي في ردود الفعل هدفه هو الحفاظ على درجة الحرارة الفعلية لقطعة العمل (متغير العملية) بعد عن كثب درجة الحرارة المطلوبة مسبقا (نقطة الضبط).

يتكون النظام من المكونات الرئيسية التالية:

1. مستشعر درجة الحرارة:
   • دور: ال “عيون” من النظام.
   • وظيفة: لقياس درجة الحرارة الحالية لقطعة العمل بشكل مستمر. يمكن أن يكون هذا البيرومتر بالأشعة تحت الحمراء, الحرارية, أو مقياس حرارة الألياف الضوئية كما نوقش أعلاه.
2. درجة حرارة المراقب المالي:
   • دور: ال “مخ” من النظام, عادة وحدة تحكم PID (النسبي-التكاملي-المشتق).
   • وظيفة: أ. يستقبل إشارة درجة الحرارة الفعلية من المستشعر. ب. يقارنها بدرجة الحرارة المستهدفة المحددة من قبل المستخدم (نقطة الضبط) لحساب خطأ (خطأ = نقطة الضبط – درجة الحرارة الفعلية). ج. بناء على الخطأ, يقوم بحساب إشارة الإخراج المصححة باستخدام خوارزمية PID.
     • النسبي (ص): يتفاعل على أساس حجم حاضِر خطأ. كلما كان الخطأ أكبر, كلما زاد تعديل الإخراج.
     • أساسي (أنا): يزيل خطأ الحالة المستقرة. إذا ظلت درجة الحرارة أقل من المستوى المحدد لفترة, يتراكم المصطلح المتكامل, زيادة طاقة الخرج حتى يتم التخلص من الخطأ.
     • المشتق (د): يتنبأ باتجاهات الخطأ المستقبلية. إذا ارتفعت درجة الحرارة بسرعة كبيرة, سيعمل المصطلح المشتق على تقليل الإنتاج مقدمًا, منع درجة الحرارة تجاوز.
3. المحرك:
   • دور: ال “الأيدي” من النظام.
   • وظيفة: في التدفئة الحث, المشغل هو التعريفي إمدادات الطاقة. يتلقى إشارة الأمر من وحدة التحكم (عادة جهد 0-10 فولت أو إشارة تيار 4-20 مللي أمبير) ويضبط طاقة الإخراج وفقًا لذلك.
4. عملية:
   • دور: الكائن المراد تسخينه.
   • وظيفة: الشغل نفسه. تتغير درجة حرارته استجابة لإخراج الطاقة من مصدر الطاقة التعريفي.

سير العمل لضمان الدقة:

1. تعيين: يقوم المستخدم بتعيين درجة الحرارة المستهدفة على وحدة التحكم, على سبيل المثال, 850سيركج.
2. يقيس: يقيس البيرومتر بالأشعة تحت الحمراء درجة حرارة قطعة العمل الحالية, على سبيل المثال, 30سيركج.
3. يقارن: وحدة التحكم تحسب الخطأ: الخطأ=850−30=820circC.
4. يتحكم: بسبب الخطأ الكبير, وحدة تحكم PID ترسل الحد الأقصى (أو بالقرب من الحد الأقصى) إشارة الإخراج إلى مصدر الطاقة التعريفي.
5. ينفذ: يعمل مصدر الطاقة بكامل طاقته, تسخين قطعة العمل بسرعة.
6. ردود الفعل والضبط:
   • كما ترتفع درجة حرارة الشغل بسرعة (على سبيل المثال, إلى 830 درجة مئوية), يتناقص الخطأ (الخطأ = 20 درجة مئوية). ص (النسبي) العمل يقلل من انتاج الطاقة. معًا, د (المشتق) يكتشف الإجراء المعدل السريع لارتفاع درجة الحرارة ويتدخل مبكرًا, مزيد من تقليل الطاقة لمنع درجة الحرارة من تجاوز 850 درجة مئوية.
   • إذا استقرت درجة الحرارة عند, على سبيل المثال, 848سيركج, يوجد خطأ صغير في الحالة المستقرة. أنا (أساسي) سوف يتراكم العمل ببطء, زيادة طاقة الخرج تدريجياً حتى تصبح درجة الحرارة مستقرة بدقة عند 850 درجة مئوية.
7. تعويض الاضطراب: إذا أدى تيار مفاجئ من الهواء البارد إلى تبريد قطعة العمل, يكتشف النظام الخطأ الجديد على الفور ويزيد الطاقة بسرعة للتعويض عن فقدان الحرارة, وبذلك تعود درجة الحرارة إلى 850 درجة مئوية.

من خلال هذا المستمر, حلقة ردود الفعل الديناميكية “يقيس -> يقارن -> احسب -> يُعدِّل,” يمكن لنظام الحلقة المغلقة التغلب على الاضطرابات المختلفة (مثل تقلبات شبكة الكهرباء, تغيرات درجة الحرارة المحيطة, أو الاختلافات في وضع الشغل الأولي), التأكد من دقة ملف تعريف درجة حرارة عملية التسخين, مستقر, وقابلة للتكرار.

خاتمة

• اختيار المستشعر: في التدفئة الحث, ال البيرومتر بالأشعة تحت الحمراء هو الخيار السائد نظرًا لطبيعة عدم الاتصال والاستجابة السريعة, ولكن يجب إدارة مسألة الابتعاثية بشكل صحيح. ال الحرارية لا يزال لديه قيمة في R&د, تطبيقات لمرة واحدة, أو حيث يكون التداخل منخفضًا, ولكن يجب مواجهة EMI بشكل فعال. قياس حرارة الألياف الضوئية هو حل عالي الأداء ولكنه مكلف.
• نظام التحكم هو المفتاح: مجرد وجود جهاز استشعار جيد لا يكفي. ضبطها جيدا معرف المنتج نظام التحكم في درجة الحرارة ذو الحلقة المغلقة هو العنصر الأساسي لتحقيق دقة عالية, التدفئة التعريفي عالية الاتساق. إنه يدمج المستشعر بشكل عضوي, تحكم, وإمدادات الطاقة التعريفي لتمكين ذكي, الآلي, والإدارة الدقيقة لعملية التدفئة.