Aké sú možnosti pre viac{0}}zónovú reguláciu teploty na jednej ohrievacej platni?

Veľká platňa s iba jednou vykurovacou zónou má často chladnejší obvod, pretože straty na okrajoch sú väčšie. Viac-zónové ovládanie umožňuje rozdeliť platňu do zón, ktoré sú individuálne regulované, čo umožňuje zatlačenie okrajových zón o niečo teplejšie, aby sa kompenzovalo, alebo oddelenie oblastí, aby sa udržali rôzne nastavené hodnoty pre zložité procesy. Viac-zónové systémy ponúkajú jednotnosť a flexibilitu procesov v aplikáciách presného ohrevu, ako je výroba polovodičových doštičiek, laminácia, vákuové tvarovanie alebo laboratórne horúce platne, ktoré jednozónový systém nedokáže poskytnúť.

Výroba viaczónovej varnej platne-
Viaczónová platňa obsahuje niekoľko nezávislých vykurovacích okruhov zabudovaných v tele platne. Každý okruh je často odporovým vykurovacím prvkom (leptaná fólia, drôt alebo vytlačená stopa hrubého{2}} filmu) v určitom rozložení. Každá zóna má svoj vlastný špecializovaný teplotný senzor (typicky termočlánok alebo odporový teplotný detektor (RTD)) a je riadená vyhradenou spätnoväzbovou slučkou. Zóny sú od seba elektricky izolované, ale majú spoločný tepelne vodivý materiál dosky (hliník, meď alebo nehrdzavejúca oceľ).

Miesto, kde sú umiestnené vykurovacie telesá, určuje hranice zón. Každá zóna by mala mať 2-3 násobok hrúbky dosky, aby sa dosiahol primeraný stupeň nezávislosti. Táto heuristika znižuje tepelné prenosy medzi susednými zónami. Čím sú doštičky tenšie alebo čím menšie sú zóny, tým väčšia je interakcia a tým ťažšie je samostatné ovládanie.

Typické zónové prístupy
V priemyselných a laboratórnych varných platniach sa používajú tri hlavné zónové schémy. Voľba je daná požiadavkami postupu.

Zosilnenie obvodovej zóny (kompenzácia hrán)
Strata tepla z obvodu platne je oveľa väčšia ako z jej stredu, pretože obvod ponúka väčší povrch, s ktorým môže pôsobiť chladnejší vzduch okolo. Jednozónová platňa má preto na okrajoch pokles teploty. Vo viaczónovom dizajne je vonkajšia zóna (alebo špecifický okrajový krúžok) poháňaná väčším výkonom alebo je nastavená na vyššiu teplotu ako vnútorné zóny. To zodpovedá okrajovým stratám a vytvára homogénne teplotné pole na celom povrchu dosky.

Obľúbenou konfiguráciou je 3-zónová kruhová doska, vnútorná kruhová zóna, stredná kruhová zóna a vonkajšia kruhová zóna. Vonkajšia zóna je o 5–15 stupňov teplejšia ako nastavená hodnota v strede, v závislosti od veľkosti platne a podmienok prostredia. V prípade pravouhlých platní obvodová zóna obklopuje stredovú.

Manipulácia s prechodom
Pre niektoré operácie je potrebný účelný teplotný gradient naprieč platňou. Takéto prípady zahŕňajú vytvrdzovacie profily, kde je potrebné materiál zahriať progresívnym spôsobom, z jednej strany na druhú, alebo tepelné testovanie komponentov pri regulovanej teplotnej rampe v celej časti. Gradient je riadený nastavením teploty susedných zón na rôzne hodnoty. Počet zón určuje jemnosť gradientu.

Štvorzónovú lineárnu platňu možno podľa toho nastaviť na 50 stupňov , 70 stupňov , 90 stupňov a 110 stupňov (zóna 1 na jeden koniec, zóna 4 na druhý koniec). Materiál dosky vedie teplo, ale individuálna regulačná slučka v každej zóne udržiava lokálnu nastavenú hodnotu napriek toku tepla zo susedných zón. Ladenie ovládača rieši tepelné presluchy; gradientové aplikácie zvyčajne vyžadujú väčšie proporcionálne zisky.

Zóny pre špecifické časti
Pri automatizovanom spracovaní sa môžu ohrievať iba časti dosky, kde sa nachádza obrobok. Napríklad veľká doska s niekoľkými malými časťami môže mať oddelené zóny pre každé umiestnenie dielov. Sekcie pod dielom sú zapnuté, aby sa šetrila energia a zabránilo sa prehriatiu voľných dielov. Rovnaký prístup sa používa v zariadeniach na tepelné tesnenie alebo lepenie, kde je potrebné zahriať iba oblasť, ktorá sa dotýka dielu.

Vyžaduje sa snímanie prítomnosti dielov (napr. optické alebo mechanické senzory) a ovládací mechanizmus na aktiváciu alebo deaktiváciu zón špecifických pre diel-. Samotná ohrievacia platňa musí mať dostatočne jemné zónové členenie, ktoré zodpovedá rozloženiu predmetu.

Špecifikácia viaczónového riadiaceho systému platní
Každá zóna potrebuje svoj vlastný teplotný snímač a samostatnú regulačnú slučku. Existujú dva varianty riadiaceho systému:

Viac{0}}kanálový regulátor PID - Jediný prístroj, ktorý využíva niekoľko termočlánkových alebo RTD vstupov a poskytuje viacero ovládacích výstupov (zvyčajne polovodičové relé alebo tyristory). Každý kanál pracuje nezávisle s vlastnými parametrami PID. Tieto ovládače sú dostupné v 2, 4, 8 alebo 16 zónových verziách.

PLC s analógovými I/O - Programovateľný logický ovládač (PLC) má množstvo modulov vstupných a výstupných modulov teploty, ktoré v softvéri spúšťajú nezávislé slučky PID. Toto riešenie je flexibilnejšie pre časti-senzory prítomnosti, zaznamenávanie údajov a prepojenie so systémami vyššej úrovne.

Viac{0}}zónové ladenie je ťažšie ako ladenie s jednou zónou v dôsledku tepelného presluchu. Výmena elektriny v jednej zóne ruší susedné zóny. Moderné regulátory PID majú funkcie automatického-ladenia, ktoré si dokážu poradiť s menšími presluchmi, ale silné prepojenie môže vyžadovať techniky oddelenia alebo riadenie založené na modeli-.

Vysvetlenie 3-zónového diagramu obdĺžnikovej dosky
Nižšie je uvedená typická viaczónová obdĺžniková vykurovacia doska na kompenzáciu okrajov (bez obrázka, ale poskytuje sa textové usporiadanie):

Celkové rozmery dosky: 600 mm x 400 mm x 20 mm (hliník)

Zóna 1 (stred): Obdĺžniková zóna s rozmermi 300 mm × 200 mm v strede. Táto oblasť je rovnomerne pokrytá vzorom ohrievača.

Zóna 2 (stred): prstencový obdĺžnik široký 50 mm na všetkých štyroch rohoch zóny 1. Vzor ohrievača je iná slučka

Zóna 3 (okraj): Vonkajší obvod 50 mm. Vzor ohrievača sústredený na okrajoch.

Do geometrického stredu každej zóny sa implantuje termočlánok. Každá z troch zón je riadená nezávisle 3-kanálovým PID regulátorom. Zóna 3 je nastavená vyššie ako cieľ, o 10 stupňov, zóna 2 je vyššia ako cieľ o 3 stupne a zóna 1 je nastavená na cieľ, aby bola teplota platne konzistentná. Skutočná povrchová teplota nameraná infračervenou kamerou odhaľuje na platni homogenitu ±1 stupeň.

Problémy s dizajnom a Thermal Crosstalk
Tepelná izolácia medzi zónami nie je nikdy dokonalá. Teplo vždy prúdi z teplejšej oblasti do susednej chladnejšej oblasti. Tento presluch znamená, že zmena nastavenej hodnoty v jednej zóne zmení teplotu jej susedov. Adekvátna nezávislosť sa však dosiahne vhodnou šírkou zóny ($\\geq 2-3$ $\\times$ hrúbka plechu) a starostlivým ladením PID.

Ak sú zóny príliš úzke alebo platňa príliš tenká, systém sa správa skôr ako jedna zóna s mnohými ohrievačmi,-ktorá porušuje cieľ viaczónového ovládania. Preto by návrh viaczónovej vykurovacej platne mal byť založený na analýze konečných prvkov alebo experimentálnom testovaní na identifikáciu minimálnej šírky zóny pre potrebný výkon.

Ďalším je wattové rozloženie hustoty ohrievača . Okrajové zóny môžu vyžadovať väčšiu hustotu wattov (W/cm 2 ), aby poskytli dodatočný výkon potrebný na nastavenie okrajov. Pomer výkonu medzi okrajovými a stredovými zónami je zvyčajne v rozsahu 1,5:1 až 3:1, v závislosti od veľkosti dosky a izolácie na okraji.

Výhody a nevýhody viac{0}}zónového ovládania Výhody:

Lepšia rovnomernosť teploty (kompenzácia hrán)

Schopnosť vytvoriť dobre{0}}definované teplotné gradienty

Časť-špecifické aplikácie deaktivácie zóny na úsporu energie

Rýchlejšia tepelná odozva, ak iba časť dosky potrebuje zmeniť teplotu

Obmedzenia:

Drahšie (veľa senzorov, ohrievačov a riadiacich kanálov)

Sofistikovanejšie nastavenie a ladenie

Tepelné presluchy obmedzujú teoretickú nezávislosť

Zvýšená minimálna veľkosť dosky pre viacero zón

Záver
Viaczónová regulácia teploty pre lepšiu rovnomernosť a flexibilitu veľkoformátových ohrievacích platní. Tri hlavné metodiky zónovania sú zosilnenie obvodovej zóny pre kompenzáciu okrajov, riadenie gradientu pre zámerné teplotné profily a čiastočne -špecifické zóny pre energeticky efektívne spracovanie. Každá zóna je riadená vlastným snímačom a regulačnou slučkou, zvyčajne implementovanou viackanálovými PID regulátormi alebo PLC. Tepelné presluchy medzi zónami sú nevyhnutné, ale možno ich zmierniť použitím šírky zóny aspoň 2-3-násobku hrúbky dosky a starostlivým vyladením ovládača. Pokročilé riadenie je kritickým predpokladom pre presnosť procesov v aplikáciách od výroby polovodičov až po priemyselnú lamináciu. Riešením voľby pre procesy vyžadujúce homogenitu ±1 stupeň alebo programovateľné teplotné gradienty je správne skonštruovaná viaczónová vykurovacia platňa.