Đo nhiệt độ và công nghệ điều khiển để sưởi ấm cảm ứng

Do hiệu quả cao của nó, tốc độ, và khả năng kiểm soát, gia nhiệt cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như xử lý nhiệt kim loại (ví dụ., dập tắt, ủ, ủ), Hàn, tan chảy, và rèn nóng. Trong các quá trình này, nhiệt độ là thông số quan trọng nhất quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng, bao gồm cả độ cứng, vi cấu trúc, và tính chất cơ học. Vì thế, đo lường và kiểm soát nhiệt độ chính xác là rất cần thiết.

Các phương pháp đo nhiệt độ chính trong hệ thống sưởi cảm ứng

Không phải tất cả các phương pháp đo nhiệt độ đều phù hợp với môi trường trường điện từ tần số cao duy nhất của hệ thống sưởi cảm ứng. Sau đây là một số công nghệ chủ đạo và đặc điểm ứng dụng của chúng.

1. Nhiệt kế hồng ngoại

Nhiệt kế hồng ngoại là thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc, xác định nhiệt độ của vật thể bằng cách đo năng lượng bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt của nó.

• Nguyên tắc làm việc: Mọi vật có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra sóng điện từ (bức xạ nhiệt). Lượng năng lượng bức xạ này và sự phân bố bước sóng của nó có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ bề mặt của vật thể.. Hệ thống quang học của hỏa kế thu thập năng lượng tỏa ra từ phôi và tập trung vào máy dò. Máy dò chuyển đổi năng lượng này thành tín hiệu điện, sau đó được xử lý bởi một mạch điện tử, được hiệu chỉnh theo giá trị phát xạ đã biết, và cuối cùng được hiển thị dưới dạng đọc nhiệt độ.
• Ưu điểm trong hệ thống sưởi cảm ứng:
  • Đo không tiếp xúc: Đây là ưu điểm chính của nó. Nó không can thiệp vào trường điện từ của hệ thống sưởi cảm ứng và không bị hao mòn hoặc hư hỏng do tiếp xúc. Đó là lý tưởng để đo phôi chuyển động (như trục quay), bộ phận không thể tiếp cận, hoặc trong các ứng dụng nhiệt độ cực cao.
  • Nhanh Thời gian đáp ứng: Nhiệt kế hồng ngoại có thể có thời gian phản hồi trong phạm vi mili giây, cho phép họ nắm bắt được sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian thực trong các quá trình gia nhiệt nhanh như làm nguội bằng cảm ứng.
  • Phạm vi đo rộng: Chúng có thể đo được nhiệt độ từ vài trăm đến vài nghìn độ C.
• Những thách thức và biện pháp đối phó trong hệ thống sưởi cảm ứng:
  • Độ phát xạ: Đây là thách thức chính đối với nhiệt kế hồng ngoại. Độ phát xạ thể hiện khả năng phát ra bức xạ nhiệt của vật thể, với giá trị giữa 0 Và 1. Nó bị ảnh hưởng bởi loại vật liệu, độ nhám bề mặt, mức độ oxy hóa, và thậm chí cả nhiệt độ.
    • Biện pháp đối phó:
      1. Chọn hai màu (Bước sóng kép) hoặc Hỏa kế đa bước sóng: So với hỏa kế đơn màu, mô hình hai màu tính toán nhiệt độ bằng cách đo tỷ lệ năng lượng bức xạ ở hai bước sóng khác nhau. Điều này có thể, ở một mức độ nhất định, phủ nhận ảnh hưởng của việc thay đổi độ phát xạ, khói, hoặc hơi nước.
      2. Hiệu chuẩn và thiết lập: Trong thực tế, cần xác định trước độ phát xạ của phôi cụ thể ở nhiệt độ mục tiêu bằng cách so sánh nó với nhiệt kế tiếp xúc (giống như một cặp nhiệt điện) và sau đó thiết lập giá trị này một cách chính xác trong nhiệt kế.
  • Môi trường Sự can thiệp: Cuộn dây cảm ứng, hơi nước, và bụi có thể cản trở một phần tầm nhìn của hỏa kế, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
    • Biện pháp đối phó: Giữ ống kính quang học sạch sẽ và sử dụng các phương pháp như lọc không khí để dọn sạch vật cản trên đường đo. Thiết kế vị trí lắp đặt cẩn thận để đảm bảo tầm nhìn rõ ràng.

2. Nhiệt kế cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện là loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp.

• Nguyên tắc làm việc: Dựa trên Hiệu ứng Seebeck. Khi hai vật dẫn hoặc chất bán dẫn khác nhau (A và B) được nối tại hai điểm để tạo thành một vòng khép kín, điện áp nhỏ (EMF nhiệt điện) được tạo ra nếu hai điểm nối ở nhiệt độ khác nhau. Độ lớn của điện áp này liên quan đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nối. Bằng cách đo EMF nhiệt điện này và biết nhiệt độ của điểm nối lạnh (ngã ba tham chiếu), nhiệt độ của điểm nối đo có thể được tính toán.
• Ưu điểm trong hệ thống sưởi cảm ứng:
  • Độ chính xác cao và công nghệ trưởng thành: Khi không bị nhiễu, cặp nhiệt điện có thể cung cấp các phép đo rất chính xác và có thể lặp lại.
  • Chi phí thấp hơn: Cặp nhiệt điện thường rẻ hơn so với nhiệt kế hồng ngoại hiệu suất cao.
  • Không bị ảnh hưởng bởi sự phát xạ: Là phương thức liên lạc, nó trực tiếp đo nhiệt độ bên trong hoặc bề mặt của phôi, độc lập với sự thay đổi điều kiện bề mặt.
• Những thách thức và biện pháp đối phó trong hệ thống sưởi cảm ứng:
  • Nhiễu điện từ (EMI): Đây là trở ngại lớn nhất của việc sử dụng cặp nhiệt điện trong hệ thống sưởi cảm ứng. Tần số cao, từ trường mạnh từ cuộn dây cảm ứng tạo ra điện áp nhiễu đáng kể trong dây cặp nhiệt điện. Điện áp cảm ứng này có thể lớn hơn nhiều so với tín hiệu nhiệt điện yếu, gây ra kết quả đọc thất thường hoặc hoàn toàn không chính xác.
    • Biện pháp đối phó:
      1. Che chắn và Nền tảng: Sử dụng cáp cặp nhiệt điện có tấm chắn kim loại và đảm bảo tấm chắn được nối đất đúng cách.
      2. Lọc: Thêm bộ lọc thông thấp ở đầu vào của thiết bị để lọc tín hiệu nhiễu tần số cao.
      3. Đấu dây đúng cách: Định tuyến dây dẫn cặp nhiệt điện càng xa cuộn dây cảm ứng càng tốt và vuông góc với đường dây điện.
  • Liên hệ vật lý và cài đặt:
    • Cần phải khoan một lỗ hoặc hàn điểm để gắn cặp nhiệt điện, có thể làm hỏng phôi và không phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
    • Việc sử dụng cặp nhiệt điện trên phôi chuyển động là rất khó khăn.
  • Thời gian đáp ứng: Thời gian đáp ứng của cặp nhiệt điện chậm hơn so với nhiệt kế vì nó cần thời gian để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt với phôi..
  • Tuổi thọ: Trong môi trường nhiệt độ cao và chu kỳ nhiệt nhanh, cặp nhiệt điện dễ bị oxy hóa và hư hỏng.

3. Nhiệt kế sợi quang

Đây là công nghệ mới hơn được thiết kế dành riêng cho môi trường khắc nghiệt như trường điện từ mạnh. Có thể coi đó là một điều đặc biệt “cặp nhiệt điện” có khả năng chống nhiễu cao.

• Nguyên tắc làm việc: Đầu dò được phủ một lớp vật liệu bán dẫn hoặc huỳnh quang nhạy cảm với nhiệt độ. Một xung ánh sáng được gửi qua cáp quang tới đầu dò, kích thích vật liệu và khiến nó tạo ra huỳnh quang ở bước sóng cụ thể. Thời gian phân rã hoặc đặc tính quang phổ của huỳnh quang này có mối quan hệ chính xác với nhiệt độ. Bằng cách đo tín hiệu quang trở lại, nhiệt độ có thể được xác định chính xác.
• Ưu điểm trong hệ thống sưởi cảm ứng:
  • Miễn nhiễm hoàn toàn với EMI: Toàn bộ quá trình cảm biến và truyền tín hiệu đều dựa trên ánh sáng, làm cho nó hoàn toàn miễn nhiễm với trường điện từ, đó là lợi thế cốt lõi của nó.
  • Độ chính xác cao và phản hồi nhanh: Nó kết hợp độ chính xác cao với thời gian phản hồi tương đối nhanh.
  • Cách điện: Đầu dò và cáp đều là chất cách điện, làm cho nó rất an toàn.
• Thách thức:
  • Chi phí cao: Hiện nay, hệ thống đo nhiệt độ sợi quang đắt hơn đáng kể so với cặp nhiệt điện và nhiệt kế hồng ngoại tiêu chuẩn.
  • Đầu dò dễ vỡ: Đầu dò sợi quang tương đối tinh vi và cần lắp đặt cẩn thận.

Cách hệ thống kiểm soát nhiệt độ vòng kín đảm bảo độ chính xác của hệ thống sưởi

Bất kể phương pháp đo được chọn, nó chỉ là “mắt” của hệ thống. Để đạt được kiểm soát nhiệt độ chính xác, nó phải được tích hợp vào hệ thống điều khiển vòng kín.

MỘT Hệ thống kiểm soát nhiệt độ vòng kín là một hệ thống điều khiển phản hồi tự động với mục tiêu là giữ nhiệt độ thực tế của phôi (Biến quy trình) tuân thủ chặt chẽ nhiệt độ mong muốn được đặt trước (Điểm đặt).

Hệ thống bao gồm các thành phần chính sau:

1. Cảm biến nhiệt độ:
   • Vai trò: Các “mắt” của hệ thống.
   • Chức năng: Để liên tục đo nhiệt độ hiện tại của phôi. Đây có thể là nhiệt kế hồng ngoại, cặp nhiệt điện, hoặc nhiệt kế sợi quang như đã thảo luận ở trên.
2. Nhiệt độ Bộ điều khiển:
   • Vai trò: Các “não” của hệ thống, điển hình là bộ điều khiển PID (Tỷ lệ tích hợp-detrivative).
   • Chức năng: Một. Nhận tín hiệu nhiệt độ thực tế từ cảm biến. b. So sánh nó với nhiệt độ mục tiêu do người dùng xác định (điểm đặt) để tính toán Lỗi (Lỗi = Điểm đặt – Nhiệt độ thực tế). c. Dựa vào lỗi, nó tính toán tín hiệu đầu ra đã hiệu chỉnh bằng thuật toán PID.
     • Tỷ lệ thuận (P): Phản ứng dựa trên kích thước của hiện hành lỗi. Sai số càng lớn, điều chỉnh đầu ra càng lớn.
     • tích phân (TÔI): Loại bỏ lỗi trạng thái ổn định. Nếu nhiệt độ duy trì dưới mức cài đặt trong một khoảng thời gian, số hạng tích phân tích lũy, tăng công suất đầu ra cho đến khi lỗi được loại bỏ.
     • phái sinh (D): Dự đoán xu hướng lỗi trong tương lai. Nếu nhiệt độ tăng quá nhanh, số hạng phái sinh sẽ có tác dụng làm giảm sản lượng trước, ngăn chặn nhiệt độ Vượt quá.
3. Thiết bị truyền động:
   • Vai trò: Các “bàn tay” của hệ thống.
   • Chức năng: Trong hệ thống sưởi ấm, bộ truyền động là Nguồn điện cảm ứng. Nó nhận tín hiệu lệnh từ bộ điều khiển (thường là tín hiệu điện áp 0-10V hoặc dòng điện 4-20mA) và điều chỉnh công suất đầu ra cho phù hợp.
4. Quá trình:
   • Vai trò: Đối tượng được làm nóng.
   • Chức năng: Bản thân phôi. Nhiệt độ của nó thay đổi để đáp ứng với công suất đầu ra của nguồn điện cảm ứng.

Quy trình làm việc để đảm bảo độ chính xác:

1. Bộ: Người dùng đặt nhiệt độ mục tiêu trên bộ điều khiển, Ví dụ, 850vòngC.
2. Đo lường: Nhiệt kế hồng ngoại đo nhiệt độ phôi hiện tại, Ví dụ, 30vòngC.
3. So sánh: Bộ điều khiển tính toán lỗi: Lỗi=850−30=820circC.
4. Điều khiển: Do lỗi lớn, bộ điều khiển PID gửi giá trị tối đa (hoặc gần tối đa) tín hiệu đầu ra tới nguồn điện cảm ứng.
5. Thực hiện: Nguồn điện hoạt động hết công suất, làm nóng phôi nhanh chóng.
6. Phản hồi và điều chỉnh:
   • Khi nhiệt độ phôi tăng nhanh (ví dụ., đến 830circC), lỗi giảm đi (Lỗi=20circC). P (Tỷ lệ thuận) hành động làm giảm công suất đầu ra. Đồng thời, D (phái sinh) hành động phát hiện tốc độ tăng nhiệt độ nhanh chóng và can thiệp sớm, giảm thêm công suất để tránh nhiệt độ vượt quá 850circC.
   • Nếu nhiệt độ ổn định ở, ví dụ, 848vòngC, tồn tại một lỗi nhỏ ở trạng thái ổn định. cái tôi (tích phân) hành động sẽ dần dần tích lũy, tăng dần công suất đầu ra cho đến khi nhiệt độ ổn định chính xác ở 850circC.
7. Bồi thường nhiễu loạn: Nếu một luồng không khí lạnh đột ngột làm nguội phôi, hệ thống phát hiện ngay lỗi mới và nhanh chóng tăng công suất để bù lượng nhiệt thất thoát, đưa nhiệt độ trở lại 850circC.

Thông qua việc liên tục này, vòng phản hồi động của “Đo lường -> So sánh -> Tính toán -> Điều chỉnh,” hệ thống vòng kín có thể khắc phục được nhiều nhiễu loạn khác nhau (như sự biến động của lưới điện, thay đổi nhiệt độ môi trường, hoặc các biến thể trong vị trí phôi ban đầu), đảm bảo rằng hồ sơ nhiệt độ quá trình gia nhiệt là chính xác, ổn định, và có thể lặp lại.

Phần kết luận

• Lựa chọn cảm biến: Trong hệ thống sưởi ấm, các nhiệt kế hồng ngoại là sự lựa chọn chủ đạo do tính chất không tiếp xúc và phản ứng nhanh, nhưng vấn đề phát xạ phải được quản lý hợp lý. Các cặp nhiệt điện vẫn có giá trị trong R&D, ứng dụng một lần, hoặc nơi nhiễu thấp, nhưng EMI phải được chống lại một cách hiệu quả. Nhiệt kế sợi quang là một giải pháp hiệu suất cao nhưng tốn kém.
• Hệ thống điều khiển là chìa khóa: Chỉ có cảm biến tốt thôi là chưa đủ. Một sự điều chỉnh tốt PID hệ thống kiểm soát nhiệt độ vòng kín là thành phần cốt lõi để đạt được độ chính xác cao, hệ thống sưởi cảm ứng có tính nhất quán cao. Nó tích hợp cảm biến một cách hữu cơ, bộ điều khiển, và cung cấp năng lượng cảm ứng để cho phép thông minh, tự động, và quản lý chính xác quá trình gia nhiệt.