การวัดอุณหภูมิและเทคโนโลยีการควบคุมสำหรับการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ

เนื่องจากประสิทธิภาพสูง, ความเร็ว, และความสามารถในการควบคุม, การทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานต่างๆ เช่น การอบชุบด้วยความร้อนด้วยโลหะ (เช่น, ดับ, การแบ่งเบาบรรเทา, การหลอม), การเชื่อม, ละลาย, และการตีขึ้นรูปร้อน. ในกระบวนการเหล่านี้, อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการพิจารณาคุณภาพผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย, รวมถึงความแข็ง, โครงสร้างจุลภาค, และคุณสมบัติทางกล. ดังนั้น, การวัดและการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำถือเป็นสิ่งสำคัญ.

วิธีการวัดอุณหภูมิหลักในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ

วิธีการวัดอุณหภูมิบางวิธีอาจไม่เหมาะกับสภาพแวดล้อมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงเฉพาะของการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ. ต่อไปนี้เป็นเทคโนโลยีกระแสหลักหลายประการและลักษณะการใช้งาน.

1. อินฟราเรดไพโรเมทรี

ไพโรมิเตอร์อินฟราเรดเป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสซึ่งกำหนดอุณหภูมิของวัตถุโดยการวัดพลังงานรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิว.

• หลักการทำงาน: วัตถุใดๆ ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา (การแผ่รังสีความร้อน). ปริมาณพลังงานที่แผ่ออกมาและการกระจายความยาวคลื่นมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิพื้นผิวของวัตถุ. ระบบออปติคัลของไพโรมิเตอร์จะรวบรวมพลังงานที่แผ่ออกมาจากชิ้นงานและมุ่งไปที่เครื่องตรวจจับ. เครื่องตรวจจับจะแปลงพลังงานนี้เป็นสัญญาณไฟฟ้า, แล้วประมวลผลด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์, แก้ไขค่าการแผ่รังสีที่ทราบแล้ว, และสุดท้ายก็แสดงเป็นค่าอุณหภูมิ.
• ข้อดีในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ:
  • การวัดแบบไม่สัมผัส: นี่คือข้อได้เปรียบหลักของมัน. ไม่รบกวนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ และไม่เกิดการสึกหรอหรือความเสียหายจากการสัมผัส. เหมาะสำหรับการวัดชิ้นงานที่กำลังเคลื่อนที่ (เหมือนเพลาหมุน), ชิ้นส่วนที่ไม่สามารถเข้าถึงได้, หรือในการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงมาก.
  • เร็ว เวลาตอบสนอง: ไพโรมิเตอร์แบบอินฟราเรดสามารถมีเวลาตอบสนองในช่วงมิลลิวินาที, ช่วยให้สามารถจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ระหว่างกระบวนการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว เช่น การเหนี่ยวนำให้เย็นลง.
  • ช่วงการวัดกว้าง: สามารถวัดอุณหภูมิได้ตั้งแต่สองสามร้อยถึงหลายพันองศาเซลเซียส.
• ความท้าทายและมาตรการรับมือในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ:
  • การแผ่รังสี: นี่คือความท้าทายหลักสำหรับเทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรด. การแผ่รังสีแสดงถึงความสามารถของวัตถุในการแผ่รังสีความร้อน, โดยมีค่าระหว่าง 0 และ 1. ได้รับผลกระทบจากประเภทวัสดุ, ความหยาบผิว, ระดับของการเกิดออกซิเดชัน, และแม้กระทั่งอุณหภูมินั้นเอง.
    • มาตรการรับมือ:
      1. เลือกแบบสองสี (ความยาวคลื่นคู่) หรือไพโรมิเตอร์แบบหลายคลื่น: เปรียบเทียบกับไพโรมิเตอร์สีเดียว, แบบจำลองสองสีคำนวณอุณหภูมิโดยการวัดอัตราส่วนของพลังงานที่แผ่ออกมาที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันสองค่า. นี้สามารถ, ในระดับหนึ่ง, ลบล้างผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสี, ควัน, หรือไอน้ำ.
      2. การสอบเทียบและการตั้งค่า: ในทางปฏิบัติ, จำเป็นต้องกำหนดล่วงหน้าการแผ่รังสีของชิ้นงานเฉพาะที่อุณหภูมิเป้าหมายโดยการเปรียบเทียบกับเทอร์โมมิเตอร์แบบสัมผัส (เหมือนเทอร์โมคัปเปิล) แล้วตั้งค่านี้ให้ถูกต้องในไพโรมิเตอร์.
  • ด้านสิ่งแวดล้อม การรบกวน: ขดลวดเหนี่ยวนำ, ไอน้ำ, และฝุ่นสามารถบดบังแนวการมองเห็นของไพโรมิเตอร์ได้บางส่วน, ส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด.
    • มาตรการรับมือ: รักษาเลนส์สายตาให้สะอาดและใช้วิธีการต่างๆ เช่น การไล่อากาศ เพื่อเคลียร์เส้นทางการวัดสิ่งกีดขวาง. ออกแบบตำแหน่งการติดตั้งอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ามีขอบเขตการมองเห็นที่ชัดเจน.

2. เทอร์โมคัปเปิล เทอร์โมมิเตอร์

เทอร์โมคัปเปิลเป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิแบบสัมผัสที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม.

• หลักการทำงาน: ขึ้นอยู่กับผล Seebeck. เมื่อตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำสองตัวไม่เหมือนกัน (เอ และ บี) เชื่อมกันที่จุดสองจุดจนเกิดเป็นวงปิด, แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก (เทอร์โมอิเล็กทริก EMF) จะถูกสร้างขึ้นหากทางแยกทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกัน. ขนาดของแรงดันไฟฟ้านี้สัมพันธ์กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยก. โดยการวัด EMF ของเทอร์โมอิเล็กทริกนี้และรู้อุณหภูมิของจุดต่อเย็น (ทางแยกอ้างอิง), สามารถคำนวณอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อการวัดได้.
• ข้อดีในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ:
  • ความแม่นยำสูงและเทคโนโลยีที่สมบูรณ์: เมื่อไม่ถูกรบกวน, เทอร์โมคัปเปิลสามารถให้การวัดที่แม่นยำและทำซ้ำได้.
  • ต้นทุนที่ต่ำกว่า: โดยทั่วไปแล้ว เทอร์โมคัปเปิลจะมีราคาถูกกว่าไพโรมิเตอร์อินฟราเรดประสิทธิภาพสูง.
  • ไม่ได้รับผลกระทบจาก Emissivity: เพื่อเป็นช่องทางการติดต่อ, วัดอุณหภูมิภายในหรือพื้นผิวของชิ้นงานได้โดยตรง, เป็นอิสระจากการเปลี่ยนแปลงสภาพพื้นผิว.
• ความท้าทายและมาตรการรับมือในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ:
  • การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (อีเอ็มไอ): นี่เป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดในการใช้เทอร์โมคัปเปิ้ลในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ. ที่มีความถี่สูง, สนามแม่เหล็กแรงสูงจากขดลวดเหนี่ยวนำทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ารบกวนอย่างมากในสายเทอร์โมคัปเปิล. แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำนี้อาจมากกว่าสัญญาณเทอร์โมอิเล็กทริกอ่อนมาก, ทำให้การอ่านค่าผิดพลาดหรือไม่ถูกต้องโดยสิ้นเชิง.
    • มาตรการรับมือ:
      1. ป้องกันและ การต่อสายดิน: ใช้สายเทอร์โมคัปเปิลที่มีชีลด์โลหะ และให้แน่ใจว่าชีลด์มีการต่อสายดินอย่างเหมาะสม.
      2. การกรอง: เพิ่มตัวกรองความถี่ต่ำผ่านที่อินพุตของเครื่องมือเพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงออก.
      3. การเดินสายไฟที่เหมาะสม: เดินสายเทอร์โมคัปเปิลให้ห่างจากขดลวดเหนี่ยวนำมากที่สุดและตั้งฉากกับสายไฟ.
  • การสัมผัสทางกายภาพและการติดตั้ง:
    • ต้องเจาะรูหรือจุดเชื่อมเพื่อติดเทอร์โมคัปเปิล, ซึ่งอาจทำให้ชิ้นงานเสียหายได้และไม่เหมาะกับการผลิตจำนวนมาก.
    • การใช้เทอร์โมคัปเปิลกับชิ้นงานที่กำลังเคลื่อนที่เป็นเรื่องยากมาก.
  • เวลาตอบสนอง: เวลาตอบสนองของเทอร์โมคัปเปิลจะช้ากว่าไพโรมิเตอร์เนื่องจากต้องใช้เวลาในการเข้าถึงสมดุลทางความร้อนกับชิ้นงาน.
  • อายุการใช้งาน: ในสภาพแวดล้อมการหมุนเวียนความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงและรวดเร็ว, เทอร์โมคัปเปิลมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันและความเสียหาย.

3. เทอร์โมมิเตอร์แบบไฟเบอร์ออปติก

นี่เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูง. ก็ถือเป็นเรื่องพิเศษได้ “เทอร์โมคัปเปิล” ที่มีความทนทานต่อการรบกวนสูง.

• หลักการทำงาน: ปลายโพรบเคลือบด้วยวัสดุฟลูออเรสเซนต์หรือเซมิคอนดักเตอร์ที่ไวต่ออุณหภูมิ. พัลส์แสงจะถูกส่งผ่านสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกไปยังโพรบ, ทำให้วัสดุตื่นเต้นและทำให้เกิดแสงเรืองแสงที่ความยาวคลื่นเฉพาะ. เวลาสลายตัวหรือลักษณะสเปกตรัมของการเรืองแสงนี้มีความสัมพันธ์ที่แม่นยำกับอุณหภูมิ. โดยการวัดสัญญาณแสงที่ส่งคืน, สามารถกำหนดอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ.
• ข้อดีในการทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ:
  • ภูมิคุ้มกันที่สมบูรณ์ต่อ EMI: กระบวนการตรวจจับและการส่งสัญญาณทั้งหมดขึ้นอยู่กับแสง, ทำให้มีภูมิคุ้มกันต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์, ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบหลัก.
  • ความแม่นยำสูงและการตอบสนองที่รวดเร็ว: โดยผสมผสานความแม่นยำสูงเข้ากับเวลาตอบสนองที่ค่อนข้างรวดเร็ว.
  • ฉนวนไฟฟ้า: ทั้งโพรบและสายเคเบิลต่างก็เป็นฉนวนกันไฟฟ้า, ทำให้ปลอดภัยมาก.
• ความท้าทาย:
  • ต้นทุนสูง: ตอนนี้, ระบบเทอร์โมมิเตอร์แบบไฟเบอร์ออปติกมีราคาแพงกว่าเทอร์โมคัปเปิลและไพโรมิเตอร์อินฟราเรดมาตรฐานอย่างมาก.
  • โพรบเปราะบาง: หัววัดไฟเบอร์ออปติกค่อนข้างละเอียดอ่อนและต้องติดตั้งอย่างระมัดระวัง.

ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิดช่วยให้มั่นใจถึงความแม่นยำในการทำความร้อนได้อย่างไร

ไม่ว่าจะเลือกวิธีการวัดแบบใดก็ตาม, มันเป็นเพียง “ตา” ของระบบ. เพื่อการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ, จะต้องรวมเข้ากับระบบควบคุมวงปิด.

ก ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด คือระบบควบคุมการป้อนกลับอัตโนมัติโดยมีเป้าหมายเพื่อรักษาอุณหภูมิที่แท้จริงของชิ้นงาน (ตัวแปรกระบวนการ) อย่างใกล้ชิดตามอุณหภูมิที่ต้องการที่ตั้งไว้ล่วงหน้า (จุดกำหนด).

ระบบประกอบด้วยส่วนประกอบหลักดังต่อไปนี้:

1. เซ็นเซอร์อุณหภูมิ:
   • บทบาท: ที่ “ตา” ของระบบ.
   • การทำงาน: เพื่อวัดอุณหภูมิปัจจุบันของชิ้นงานอย่างต่อเนื่อง. นี่อาจเป็นไพโรมิเตอร์อินฟราเรด, เทอร์โมคัปเปิล, หรือเทอร์โมมิเตอร์แบบไฟเบอร์ออปติกตามที่กล่าวไว้ข้างต้น.
2. อุณหภูมิ ผู้ควบคุม:
   • บทบาท: ที่ “สมอง” ของระบบ, โดยทั่วไปแล้วจะเป็นตัวควบคุม PID (สัดส่วน-อินทิกรัล-อนุพันธ์).
   • การทำงาน: ก. รับสัญญาณอุณหภูมิจริงจากเซ็นเซอร์. ข. เปรียบเทียบกับอุณหภูมิเป้าหมายที่ผู้ใช้กำหนด (จุดกำหนด) เพื่อคำนวณ ข้อผิดพลาด (ข้อผิดพลาด = ค่าที่ตั้งไว้ – อุณหภูมิที่แท้จริง). ค. ขึ้นอยู่กับข้อผิดพลาด, โดยจะคำนวณสัญญาณเอาท์พุตที่ถูกแก้ไขโดยใช้อัลกอริธึม PID.
     • สัดส่วน (ป): ปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับขนาดของ ปัจจุบัน ข้อผิดพลาด. ยิ่งเกิดข้อผิดพลาดมากขึ้น, ยิ่งการปรับเอาต์พุตมากขึ้นเท่านั้น.
     • บูรณาการ (ฉัน): ขจัดข้อผิดพลาดในสภาวะคงตัว. หากอุณหภูมิยังคงต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง, ระยะอินทิกรัลสะสม, เพิ่มกำลังขับจนกว่าข้อผิดพลาดจะหมดไป.
     • อนุพันธ์ (ดี): คาดการณ์แนวโน้มข้อผิดพลาดในอนาคต. หากอุณหภูมิสูงขึ้นเร็วเกินไป, เงื่อนไขอนุพันธ์จะทำหน้าที่ลดผลผลิตล่วงหน้า, ป้องกันอุณหภูมิ แหก.
3. แอคชูเอเตอร์:
   • บทบาท: ที่ “มือ” ของระบบ.
   • การทำงาน: ในการเหนี่ยวนำความร้อน, ตัวกระตุ้นคือ แหล่งจ่ายไฟเหนี่ยวนำ. รับสัญญาณคำสั่งจากคอนโทรลเลอร์ (โดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณแรงดัน 0-10V หรือกระแส 4-20mA) และปรับกำลังเอาต์พุตให้เหมาะสม.
4. กระบวนการ:
   • บทบาท: วัตถุที่จะถูกทำให้ร้อน.
   • การทำงาน: ชิ้นงานนั้นเอง. อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงไปตามกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกของแหล่งจ่ายไฟแบบเหนี่ยวนำ.

ขั้นตอนการทำงาน เพื่อให้แน่ใจว่ามีความถูกต้อง:

1. ชุด: ผู้ใช้ตั้งค่าอุณหภูมิเป้าหมายบนคอนโทรลเลอร์, ตัวอย่างเช่น, 850เซอร์ซีซี.
2. วัด: ไพโรมิเตอร์อินฟราเรดจะวัดอุณหภูมิชิ้นงานในปัจจุบัน, ตัวอย่างเช่น, 30เซอร์ซีซี.
3. เปรียบเทียบ: ตัวควบคุมจะคำนวณข้อผิดพลาด: ข้อผิดพลาด=850−30=820circC.
4. ควบคุม: เนื่องจากเกิดความผิดพลาดครั้งใหญ่, ตัวควบคุม PID จะส่งค่าสูงสุด (หรือใกล้-สูงสุด) สัญญาณเอาท์พุตไปยังแหล่งจ่ายไฟเหนี่ยวนำ.
5. ดำเนินการ: แหล่งจ่ายไฟทำงานเต็มกำลัง, ให้ความร้อนแก่ชิ้นงานอย่างรวดเร็ว.
6. ข้อเสนอแนะและการปรับ:
   • เนื่องจากอุณหภูมิชิ้นงานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (เช่น, ถึง 830circC), ข้อผิดพลาดลดลง (ข้อผิดพลาด=20circC). เดอะ พี (สัดส่วน) การกระทำจะลดกำลังเอาต์พุต. พร้อมกัน, D (อนุพันธ์) การกระทำจะตรวจจับอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างรวดเร็วและเข้าไปแทรกแซงตั้งแต่เนิ่นๆ, ลดพลังงานลงอีกเพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิเกิน 850circC.
   • หากอุณหภูมิคงที่ที่, เช่น, 848เซอร์ซีซี, มีข้อผิดพลาดเกี่ยวกับสถานะคงตัวเล็กน้อย. ฉัน (บูรณาการ) การกระทำจะค่อยๆสะสม, ค่อยๆเพิ่มกำลังเอาท์พุตจนกระทั่งอุณหภูมิคงที่อย่างแม่นยำที่ 850circC.
7. การชดเชยการรบกวน: หากมีลมเย็นพัดเข้ามาทำให้ชิ้นงานเย็นลง, ระบบตรวจพบข้อผิดพลาดใหม่ทันทีและเพิ่มกำลังอย่างรวดเร็วเพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อน, นำอุณหภูมิกลับมาที่ 850circC.

ผ่านทางนี้อย่างต่อเนื่อง, วงจรตอบรับแบบไดนามิกของ “วัด -> เปรียบเทียบ -> คำนวณ -> ปรับ,” ระบบวงปิดสามารถเอาชนะสิ่งรบกวนต่างๆได้ (เช่น ความผันผวนของโครงข่ายไฟฟ้า, การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยรอบ, หรือการเปลี่ยนแปลงในการวางชิ้นงานเริ่มต้น), ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโปรไฟล์อุณหภูมิกระบวนการทำความร้อนนั้นแม่นยำ, มั่นคง, และทำซ้ำได้.

บทสรุป

• การเลือกเซ็นเซอร์: ในการเหนี่ยวนำความร้อน, ที่ ไพโรมิเตอร์อินฟราเรด เป็นตัวเลือกกระแสหลักเนื่องจากมีลักษณะไม่สัมผัสและตอบสนองรวดเร็ว, แต่ปัญหาการปล่อยก๊าซเรือนกระจกต้องได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม. ที่ เทอร์โมคัปเปิล ยังคงมีค่าเป็น R&ดี, แอปพลิเคชันแบบครั้งเดียว, หรือบริเวณที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ, แต่ EMI จะต้องได้รับการตอบโต้อย่างมีประสิทธิภาพ. เทอร์โมมิเตอร์แบบไฟเบอร์ออปติก เป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสูงแต่มีค่าใช้จ่ายสูง.
• ระบบควบคุมเป็นสิ่งสำคัญ: แค่มีเซ็นเซอร์ที่ดีนั้นไม่เพียงพอ. ที่ได้รับการปรับแต่งอย่างดี พีไอดี ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด เป็นองค์ประกอบหลักในการบรรลุความแม่นยำสูง, เครื่องทำความร้อนเหนี่ยวนำความสม่ำเสมอสูง. มันรวมเซ็นเซอร์เข้าด้วยกัน, ตัวควบคุม, และแหล่งจ่ายไฟเหนี่ยวนำเพื่อให้เกิดความอัจฉริยะ, อัตโนมัติ, และการจัดการกระบวนการทำความร้อนที่แม่นยำ.