Технология измерения температуры и управления для индукционного нагрева

Благодаря высокой эффективности, скорость, и управляемость, Индукционное нагревание широко используется в таких приложениях, как термообработка металлов (например, закалка, закалка, отжиг), сварка, плавление, и горячая корова. В этих процессах, Температура является наиболее важным параметром, определяющим конечное качество продукта, включая твердость, Микроструктура, и механические свойства. Поэтому, точное измерение температуры и контроль необходимы.

Основные методы измерения температуры при индукционном нагревании

Не все методы измерения температуры подходят для уникальной высокочастотной среды электромагнитного поля индукционного нагрева. Ниже приведены несколько основных технологий и их применения.

1. Инфракрасная пирометрия

Инфракрасный пирометр представляет собой бесконтактное устройство измерения температуры, которое определяет температуру объекта путем измерения энергии инфракрасного излучения, излучаемой с его поверхности.

• Рабочий принцип: Любой объект с температурой выше абсолютного нуля излучает электромагнитные волны (тепловое излучение). Количество этой излучаемой энергии и распределения длины волны тесно связаны с температурой поверхности объекта. Оптическая система пирометра собирает энергию, излученную заготовкой, и фокусирует ее на детекторе. Детектор преобразует эту энергию в электрический сигнал, который затем обрабатывается электронной цепью, корректируется на известное значение излучения, и, наконец, отображается как показание температуры.
• Преимущества в индукционном нагревании:
  • Неконтактное измерение: Это его основное преимущество. Он не мешает электромагнитному полю индукционного нагрева и не подвержена износу или повреждению от контакта. Это идеально подходит для измерения движущихся заготовков (Как вращающиеся валы), недоступные части, или в чрезвычайно высоких приложениях.
  • Быстрый Время ответа: Инфракрасные пирометры могут иметь время отклика в миллисекундном диапазоне, Позволяет им захватить изменения температуры в режиме реального времени во время быстрых процессов нагрева, таких как индукционное гашение.
  • Широкий диапазон измерений: Они могут измерить температуру от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов по Цельсию.
• Проблемы и контрмеры при индукционном нагревании:
  • Излучательная способность: Это основная проблема для инфракрасной термометрии. Имиссерьера представляет собой способность объекта выделять термическое излучение, со значением между 0 и 1. На него влияет тип материала, шероховатость поверхности, Уровень окисления, и даже сама температура.
    • Контрмеры:
      1. Выберите двухцветный (Двойная длина) или многоволновый пирометр: По сравнению с одноцветными пирометрами, Двухцветные модели рассчитывают температуру, измеряя соотношение излучаемой энергии на двух разных длин волн. Это может, в определенной степени, отрицать последствия изменения излучательной способности, дымка, или водяной пары.
      2. Калибровка и настройка: На практике, Необходимо заранее определить излучение определенной заготовки при целевой температуре, сравнивая ее с контактным термометром (как термопару) и затем правильно установить это значение в пирометре.
  • Относящийся к окружающей среде Вмешательство: Индукционная катушка, водяной пары, и пыль может частично препятствовать линии зрения пирометра, влияет на точность измерения.
    • Контрмеры: Держите оптическую линзу в чистоте и используйте методы, такие как чистки воздуха, чтобы очистить путь измерения обструкций. Осторожно разработать положение установки, чтобы обеспечить четкое поле зрения.

2. Термометрия термопары

Термопары являются наиболее распространенными датчиками температуры контактного типа, используемыми в промышленности.

• Рабочий принцип: На основе эффекта Seebeck. Когда два разнородных дирижера или полупроводники (А и б) соединяются в двух точках, чтобы сформировать закрытый цикл, небольшое напряжение (Термоэлектрический ЭДС) генерируется, если два соединения находятся при разных температурах. Величина этого напряжения связана с разницей температуры между соединениями. Измеряя этот термоэлектрический ЭДС и зная температуру холодного соединения (Справочный перекресток), температура измерительного соединения может быть рассчитана.
• Преимущества в индукционном нагревании:
  • Высокая точность и зрелая технология: Когда не подвергается помехи, Термопары могут обеспечить очень точные и повторяемые измерения.
  • Более низкая стоимость: Термопары, как правило, дешевле, чем высокопроизводительные инфракрасные пирометры.
  • Не затронут излучательной способностью: Как метод контакта, он непосредственно измеряет внутреннюю или поверхностную температуру заготовки, Независимо от изменений состояния поверхности.
• Проблемы и контрмеры при индукционном нагревании:
  • Электромагнитное помехи (Эми): Это самое большое препятствие для использования термопалей в индукционном нагревании. Высокочастотная, Сильное магнитное поле из индукционной катушки вызывает значительное интерференционное напряжение в проводах термопары. Это индуцированное напряжение может быть намного больше, чем слабый термоэлектрический сигнал, вызывая неустойчивые или совершенно неверные показания.
    • Контрмеры:
      1. Экранирование и Заземление: Используйте кабели термопары с металлическим экраном и убедитесь, что щит правильно заземлен.
      2. Фильтрация: Добавить фильтр низкого уровня на входе прибора для фильтрации высокочастотных интерференционных сигналов.
      3. Правильная проводка: Путь термопару ведет как можно дальше от индукционной катушки и перпендикулярно линиям электропередачи.
  • Физический контакт и установка:
    • Для прикрепления термопары требуется бурение отверстия или пятна, который может повредить заготовку и не подходит для массового производства.
    • Использовать термопару на движущейся заготовке очень сложно.
  • Время ответа: Время отклика термопары медленнее, чем у пирометра, потому что ему нужно время, чтобы достичь теплового равновесия с заготовкой.
  • Продолжительность жизни: В высокотемпературных и быстрых средах для велосипедного цикла, Термопары склонны к окислению и повреждению.

3. Волоконно -оптическая термометрия

Это более новая технология, разработанная специально для суровых сред, таких как сильные электромагнитные поля. Это можно рассматривать как особый “термопару” это очень устойчиво к помехам.

• Рабочий принцип: Кончик зонда покрыт чувствительным к температуре флуоресцентного или полупроводникового материала. Световой импульс отправляется через волоконно -оптический кабель в зонд, захватывающий материал и заставляя его производить флуоресценцию на определенной длине волны. Время распада или спектральные характеристики этой флуоресценции имеют точную связь с температурой. Измеряя возвращенный оптический сигнал, температура может быть точно определена.
• Преимущества в индукционном нагревании:
  • Полный иммунитет к EMI: Весь процесс зондирования и передачи сигнала основан на свете, Делая его полностью невосприимчивым к электромагнитным полям, которое является его основным преимуществом.
  • Высокая точность и быстрый ответ: Он сочетает в себе высокую точность с относительно быстрым временем реагирования.
  • Электрически изолирующий: Зонд и кабель - оба изоляторы, сделать это очень безопасным.
• Проблемы:
  • Высокая стоимость: В настоящее время, Оптоволоконные термометрические системы значительно дороже, чем термопары и стандартные инфракрасные пирометры.
  • Хрупкий зонд: Волоконно -оптическое зонд относительно деликатный и требует тщательной установки.

Как система управления температурой в замкнутом цикле обеспечивает точность нагрева

Независимо от выбранного метода измерения, это только “глаза” системы. Для достижения точного контроля температуры, он должен быть интегрирован в систему управления с замкнутой петлей.

А Система управления температурой с закрытым контуром это автоматическая система управления обратной связью, цель которого состоит в том, чтобы сохранить фактическую температуру заготовки (Переменная процесса) внимательно следуя желаемой температуре (Уставная точка).

Система состоит из следующих основных компонентов:

1. Датчик температуры:
   • Роль: The “глаза” системы.
   • Функция: Непрерывно измерять текущую температуру заготовки. Это может быть инфракрасный пирометр, термопару, или волоконно -оптический термометр, как обсуждалось выше.
2. Температура Контроллер:
   • Роль: The “мозг” системы, Обычно контроллер PID (Пропорциональная интегральная производство).
   • Функция: а. Получает фактический сигнал температуры от датчика. беременный. Сравнивает его с определенной пользовательской целевой температурой (Уставная точка) для расчета Ошибка (Error = setpoint – Фактическая температура). в. На основе ошибки, он вычисляет скорректированный выходной сигнал с помощью алгоритма PID.
     • Пропорциональный (П): Реагирует на основе размера текущий ошибка. Чем больше ошибка, Чем больше регулировка вывода.
     • Интеграл (я): Устраняет устойчивую ошибку. Если температура остается ниже установленной точки в течение периода, Интегральный термин накапливается, Увеличение выходной мощности до устранения ошибки.
     • Производное (Дюймовый): Прогнозирует будущие тенденции ошибок. Если температура повышается слишком быстро, Термин «производный» будет действовать для заранее сократить результат, предотвращение температуры Заново.
3. Привод:
   • Роль: The “руки” системы.
   • Функция: При индукционном нагреве, привод является Индукционный источник питания. Он получает командный сигнал от контроллера (Обычно напряжение 0-10 В или сигнал тока 4-20 мА) и соответствующим образом настраивает свою выходную мощность.
4. Процесс:
   • Роль: Объект, подлежащий обогреву.
   • Функция: Сама заготовка. Его температурные изменения в ответ на выход мощности индукционного источника питания.

Рабочий процесс Чтобы обеспечить точность:

1. Набор: Пользователь устанавливает целевую температуру на контроллере, например, 850цикл.
2. Мера: Инфракрасный пирометр измеряет текущую температуру заготовки, например, 30цикл.
3. Сравнивать: Контроллер вычисляет ошибку: Ошибка = 850–30 = 820circc.
4. Контроль: Из -за большой ошибки, контроллер PID отправляет максимальный (или почти максимум) выходной сигнал для индукционного источника питания.
5. Выполнять: Питание работает при полной энергии, быстро нагревая заготовку.
6. Обратная связь и отрегулировать:
   • По мере повышения температуры заготовки быстро повышается (например, до 830circc), ошибка уменьшается (Ошибка = 20circc). Р (Пропорциональный) Действие уменьшает выходную мощность. Одновременно, д (Производное) Действие обнаруживает быструю скорость повышения температуры и вмешивается рано, Дальнейшее снижение мощности, чтобы предотвратить превышение температуры 850circc.
   • Если температура стабилизируется в, например, 848цикл, Небольшая устойчивая ошибка существует. I. (Интеграл) действие будет медленно накапливаться, Постепенно увеличивая выходную мощность до тех пор, пока температура не станет точно стабильной при 850circc.
7. Компенсация нарушений: Если внезапный набросок холодного воздуха охлаждает заготовку, Система немедленно обнаруживает новую ошибку и быстро увеличивает мощность, чтобы компенсировать потерю тепла, возвращение температуры до 850 CIRCC.

Через это непрерывное, динамическая петля обратной связи “Мера -> Сравнивать -> Рассчитать -> Регулировать,” Система с замкнутым контуром может преодолеть различные нарушения (как колебания силовой сетки, Изменения температуры окружающей среды, или вариации в начальном размещении заготовки), Обеспечение того, чтобы профиль температуры процесса нагрева был точным, стабильный, и повторяется.

Заключение

• Выбор датчика: При индукционном нагреве, тот инфракрасный пирометр является основным выбором из-за его неконтактного характера и быстрых ответов, Но проблема излучения должна быть должным образом управляется. The термопару все еще имеет ценность в r&Дюймовый, одноразовые приложения, или где вмешательство низкое, Но EMI следует эффективно противостоять. Волоконно -оптическая термометрия это высокоэффективное, но дорогостоящее решение.
• Система управления является ключом: Просто иметь хорошего датчика недостаточно. Хорошо настроенный Пид Система управления температурой с закрытым контуром является основным компонентом для достижения высокой степени, Индукционное отопление индукции высокого согласования. Он органически интегрирует датчик, контроллер, и индукционный источник питания, чтобы обеспечить интеллектуальную, автоматизированный, и точное управление процессом нагрева.