Pengukuran suhu dan teknologi kontrol untuk pemanasan induksi

Karena efisiensinya yang tinggi, kecepatan, dan kemampuan kontrol, pemanasan induksi banyak digunakan dalam aplikasi seperti perlakuan panas logam (MISALNYA., pendinginan, temper, anil), pengelasan, meleleh, dan penempaan panas. Dalam proses-proses ini, suhu adalah parameter paling penting yang menentukan kualitas produk akhir, termasuk kekerasan, struktur mikro, dan sifat mekanik. Karena itu, pengukuran dan kontrol suhu yang tepat sangat penting.

Metode Pengukuran Suhu Utama dalam Pemanasan Induksi

Tidak semua metode pengukuran suhu cocok untuk lingkungan medan elektromagnetik frekuensi tinggi yang unik pada pemanasan induksi. Berikut ini adalah beberapa teknologi mainstream dan karakteristik penerapannya.

1. Pirometri Inframerah

Pirometer inframerah adalah alat pengukur suhu non-kontak yang menentukan suhu suatu benda dengan mengukur energi radiasi inframerah yang dipancarkan dari permukaannya..

• Prinsip kerja: Benda apa pun yang suhunya di atas nol mutlak memancarkan gelombang elektromagnetik (radiasi termal). Jumlah energi yang dipancarkan dan distribusi panjang gelombangnya berkaitan erat dengan suhu permukaan benda. Sistem optik pirometer mengumpulkan energi yang dipancarkan benda kerja dan memfokuskannya ke detektor. Detektor mengubah energi ini menjadi sinyal listrik, yang kemudian diproses oleh rangkaian elektronik, dikoreksi untuk nilai emisivitas yang diketahui, dan akhirnya ditampilkan sebagai pembacaan suhu.
• Keuntungan dalam Pemanasan Induksi:
  • Pengukuran Non-Kontak: Inilah keunggulan utamanya. Itu tidak mengganggu medan elektromagnetik pemanas induksi dan tidak mengalami keausan atau kerusakan akibat kontak. Ini sangat ideal untuk mengukur benda kerja yang bergerak (seperti poros yang berputar), bagian yang tidak dapat diakses, atau dalam aplikasi suhu yang sangat tinggi.
  • Cepat Waktu Respons: Pirometer inframerah dapat memiliki waktu respons dalam kisaran milidetik, memungkinkan mereka menangkap perubahan suhu secara real-time selama proses pemanasan cepat seperti pendinginan induksi.
  • Rentang Pengukuran Luas: Mereka dapat mengukur suhu dari beberapa ratus hingga beberapa ribu derajat Celsius.
• Tantangan dan Penanggulangan dalam Pemanasan Induksi:
  • Emisivitas: Inilah tantangan utama termometri inframerah. Emisivitas mewakili kemampuan suatu benda untuk memancarkan radiasi termal, dengan nilai antara 0 Dan 1. Hal ini dipengaruhi oleh jenis materialnya, kekasaran permukaan, tingkat oksidasi, dan bahkan suhu itu sendiri.
    • Penanggulangan:
      1. Pilih Dua Warna (Panjang Gelombang Ganda) atau Pirometer Multi-Panjang Gelombang: Dibandingkan dengan pirometer satu warna, model dua warna menghitung suhu dengan mengukur rasio energi yang dipancarkan pada dua panjang gelombang berbeda. Ini bisa, sampai batas tertentu, meniadakan efek perubahan emisivitas, merokok, atau uap air.
      2. Kalibrasi dan Pengaturan: Dalam praktiknya, perlu untuk menentukan terlebih dahulu emisivitas benda kerja tertentu pada suhu target dengan membandingkannya dengan termometer kontak (seperti termokopel) dan kemudian mengatur nilai ini dengan benar di pirometer.
  • Lingkungan Gangguan: Kumparan induksi, uap air, dan debu sebagian dapat menghalangi pandangan pirometer, mempengaruhi akurasi pengukuran.
    • Penanggulangan: Jaga kebersihan lensa optik dan gunakan metode seperti pembersihan udara untuk membersihkan jalur pengukuran dari penghalang. Rancang posisi pemasangan dengan hati-hati untuk memastikan bidang pandang yang jelas.

2. Termometri Termokopel

Termokopel adalah sensor suhu tipe kontak yang paling umum digunakan di industri.

• Prinsip kerja: Berdasarkan Efek Seebeck. Ketika dua konduktor atau semikonduktor berbeda (A dan B) bergabung di dua titik untuk membentuk loop tertutup, tegangan kecil (EMF termoelektrik) dihasilkan jika kedua persimpangan berada pada suhu yang berbeda. Besarnya tegangan ini berhubungan dengan perbedaan suhu antar sambungan. Dengan mengukur EMF termoelektrik ini dan mengetahui suhu sambungan dingin (persimpangan referensi), suhu persimpangan pengukuran dapat dihitung.
• Keuntungan dalam Pemanasan Induksi:
  • Akurasi Tinggi dan Teknologi Matang: Bila tidak mengalami gangguan, termokopel dapat memberikan pengukuran yang sangat akurat dan berulang.
  • Biaya Lebih Rendah: Termokopel umumnya lebih murah dibandingkan pirometer inframerah berkinerja tinggi.
  • Tidak terpengaruh oleh Emisivitas: Sebagai metode kontak, itu secara langsung mengukur suhu internal atau permukaan benda kerja, independen terhadap perubahan kondisi permukaan.
• Tantangan dan Penanggulangan dalam Pemanasan Induksi:
  • Interferensi Elektromagnetik (EMI): Ini adalah kendala terbesar dalam penggunaan termokopel dalam pemanasan induksi. Frekuensi tinggi, medan magnet yang kuat dari kumparan induksi menginduksi tegangan interferensi yang signifikan pada kabel termokopel. Tegangan induksi ini bisa jauh lebih besar dibandingkan sinyal termoelektrik yang lemah, menyebabkan pembacaan yang tidak menentu atau sepenuhnya salah.
    • Penanggulangan:
      1. Perisai dan Landasan: Gunakan kabel termokopel dengan pelindung logam dan pastikan pelindung tersebut diarde dengan benar.
      2. Penyaringan: Tambahkan filter low-pass pada input instrumen untuk menyaring sinyal interferensi frekuensi tinggi.
      3. Pengkabelan yang Benar: Arahkan kabel termokopel sejauh mungkin dari kumparan induksi dan tegak lurus dengan saluran listrik.
  • Kontak Fisik dan Instalasi:
    • Diperlukan pengeboran lubang atau pengelasan titik untuk memasang termokopel, yang dapat merusak benda kerja dan tidak cocok untuk produksi massal.
    • Menggunakan termokopel pada benda kerja yang bergerak sangatlah sulit.
  • Waktu Respons: Waktu respons termokopel lebih lambat dibandingkan pirometer karena memerlukan waktu untuk mencapai kesetimbangan termal dengan benda kerja.
  • Jangka hidup: Di lingkungan siklus termal bersuhu tinggi dan cepat, termokopel rentan terhadap oksidasi dan kerusakan.

3. Termometri Serat Optik

Ini adalah teknologi baru yang dirancang khusus untuk lingkungan yang keras seperti medan elektromagnetik yang kuat. Itu bisa dianggap istimewa “termokopel” yang sangat tahan terhadap gangguan.

• Prinsip kerja: Ujung probe dilapisi dengan bahan fluoresen atau semikonduktor yang peka terhadap suhu. Pulsa cahaya dikirim melalui kabel serat optik ke probe, menarik material dan menyebabkannya menghasilkan fluoresensi pada panjang gelombang tertentu. Waktu peluruhan atau karakteristik spektral fluoresensi ini memiliki hubungan yang tepat dengan suhu. Dengan mengukur sinyal optik yang dikembalikan, suhu dapat ditentukan secara akurat.
• Keuntungan dalam Pemanasan Induksi:
  • Kekebalan Lengkap terhadap EMI: Seluruh proses penginderaan dan transmisi sinyal didasarkan pada cahaya, membuatnya benar-benar kebal terhadap medan elektromagnetik, yang merupakan keunggulan intinya.
  • Akurasi Tinggi dan Respon Cepat: Ini menggabungkan presisi tinggi dengan waktu respons yang relatif cepat.
  • Isolasi Listrik: Probe dan kabel keduanya merupakan isolator, membuatnya sangat aman.
• Tantangan:
  • Biaya Tinggi: Saat ini, sistem termometri serat optik jauh lebih mahal daripada termokopel dan pirometer inframerah standar.
  • Penyelidikan Rapuh: Probe serat optik relatif rumit dan memerlukan pemasangan yang hati-hati.

Bagaimana Sistem Kontrol Suhu Loop Tertutup Memastikan Akurasi Pemanasan

Terlepas dari metode pengukuran yang dipilih, itu hanya “mata” dari sistem. Untuk mencapai kontrol suhu yang tepat, itu harus diintegrasikan ke dalam sistem kontrol loop tertutup.

A Sistem Kontrol Suhu Loop Tertutup adalah sistem kontrol umpan balik otomatis yang tujuannya adalah untuk menjaga suhu sebenarnya benda kerja (Variabel Proses) mengikuti suhu yang diinginkan yang telah ditentukan sebelumnya (titik setel).

Sistem ini terdiri dari komponen utama berikut:

1. Sensor Suhu:
   • Peran: Itu “mata” dari sistem.
   • Fungsi: Untuk terus mengukur suhu benda kerja saat ini. Ini bisa menjadi pirometer inframerah, termokopel, atau termometer serat optik seperti dibahas di atas.
2. Suhu Pengontrol:
   • Peran: Itu “otak” dari sistem, biasanya pengontrol PID (Proporsional-Integral-Derivatif).
   • Fungsi: A. Menerima sinyal suhu aktual dari sensor. B. Bandingkan dengan suhu target yang ditentukan pengguna (titik setel) untuk menghitung Kesalahan (Kesalahan = Setpoint – Suhu Sebenarnya). C. Berdasarkan kesalahannya, itu menghitung sinyal keluaran yang dikoreksi menggunakan algoritma PID.
     • Sebanding (P): Bereaksi berdasarkan ukuran saat ini kesalahan. Semakin besar kesalahannya, semakin besar penyesuaian outputnya.
     • Integral (SAYA): Menghilangkan kesalahan kondisi tunak. Jika suhu tetap di bawah setpoint untuk jangka waktu tertentu, istilah integral terakumulasi, meningkatkan daya keluaran sampai kesalahan dihilangkan.
     • Turunan (D): Memprediksi tren kesalahan di masa depan. Jika suhu meningkat terlalu cepat, istilah turunannya akan bertindak untuk mengurangi output terlebih dahulu, mencegah suhu Melampaui.
3. Aktuator:
   • Peran: Itu “tangan” dari sistem.
   • Fungsi: Dalam pemanasan induksi, aktuatornya adalah Catu Daya Induksi. Ia menerima sinyal perintah dari pengontrol (biasanya tegangan 0-10V atau sinyal arus 4-20mA) dan menyesuaikan daya keluarannya.
4. Proses:
   • Peran: Objek yang akan dipanaskan.
   • Fungsi: Benda kerja itu sendiri. Suhunya berubah sebagai respons terhadap keluaran daya dari catu daya induksi.

Alur kerja untuk Memastikan Akurasi:

1. Mengatur: Pengguna menetapkan suhu target pada pengontrol, Misalnya, 850lingkaranC.
2. Ukuran: Pirometer inframerah mengukur suhu benda kerja saat ini, Misalnya, 30lingkaranC.
3. Membandingkan: Pengontrol menghitung kesalahan: Kesalahan=850−30=820lingkaranC.
4. Kontrol: Karena kesalahannya yang besar, pengontrol PID mengirimkan maksimum (atau mendekati maksimum) sinyal keluaran ke catu daya induksi.
5. Menjalankan: Catu daya beroperasi dengan daya penuh, memanaskan benda kerja dengan cepat.
6. Umpan Balik dan Sesuaikan:
   • Saat suhu benda kerja meningkat dengan cepat (MISALNYA., hingga 830circC), kesalahannya berkurang (Kesalahan=20circC). P (Sebanding) tindakan mengurangi daya keluaran. Serentak, D (Turunan) tindakan mendeteksi laju kenaikan suhu yang cepat dan melakukan intervensi sejak dini, mengurangi daya lebih lanjut untuk mencegah suhu melampaui 850circC.
   • Jika suhu stabil pada, misalnya, 848lingkaranC, ada kesalahan kondisi tunak yang kecil. saya (Integral) tindakan perlahan-lahan akan terakumulasi, tingkatkan daya keluaran secara bertahap hingga suhu stabil tepat pada 850circC.
7. Kompensasi Gangguan: Jika hembusan udara dingin tiba-tiba mendinginkan benda kerja, sistem segera mendeteksi kesalahan baru dan dengan cepat meningkatkan daya untuk mengkompensasi kehilangan panas, membawa suhu kembali ke 850circC.

Melalui ini terus menerus, putaran umpan balik dinamis dari “Ukuran -> Membandingkan -> Hitung -> Menyesuaikan,” sistem loop tertutup dapat mengatasi berbagai gangguan (seperti fluktuasi jaringan listrik, perubahan suhu lingkungan, atau variasi penempatan benda kerja awal), memastikan bahwa profil suhu proses pemanasan akurat, stabil, dan dapat diulang.

Kesimpulan

• Pemilihan Sensor: Dalam pemanasan induksi, itu pirometer inframerah adalah pilihan utama karena sifatnya yang non-kontak dan respons yang cepat, namun permasalahan emisivitas harus dikelola dengan baik. Itu termokopel masih memiliki nilai di R&D, aplikasi satu kali, atau di tempat yang interferensinya rendah, namun EMI harus dilawan secara efektif. Termometri serat optik adalah solusi berkinerja tinggi namun mahal.
• Sistem Kontrol adalah Kuncinya: Memiliki sensor yang bagus saja tidak cukup. Sebuah disetel dengan baik PID sistem kontrol suhu loop tertutup adalah komponen inti untuk mencapai presisi tinggi, pemanasan induksi konsistensi tinggi. Ini mengintegrasikan sensor secara organik, pengontrol, dan catu daya induksi untuk mengaktifkan cerdas, otomatis, dan manajemen proses pemanasan yang tepat.