ロングカートリッジヒーターの温度検知と制御

カートリッジヒーターを作動させるのは温度制御システムです。ヒーターが正しく設定され、正常に動作したとしても、制御システムが正確な温度データを取得できなかったり、正しく応答できなかったりすると、正常に動作しません。これは、長さ 1000 mm や 1200 mm などの長いカートリッジ ヒーターの場合、長い長さに沿った熱挙動が常に同じとは限らないため、特に重要です。 1 つの場所に 1 つの熱電対を配置しても、ヒーター全体で何が起こっているかについての小さな情報しか得られません。

単一の熱電対を中空のどこかまたは金型表面に設置して制御する最も一般的な方法です。コントローラーはその温度を読み取り、それに合わせてヒーターの電力を変更します。これは、ヒーターの熱環境が最後まで同じままの場合に効果的です。しかし、現実世界の多くの状況では、熱損失は空洞の両端で異なります。-チップの熱が周囲の空気に失われる可能性があります。中央部分の周りには熱を保つための金属がたくさんあるのかもしれません。機械フレームが先端を冷却する可能性があります。単一の熱電対では違いを見分けることはできません。


熱電対は、キャビティの先端に置かれたときに最も低い温度を読み取ります。コントローラーはより多くの電力を供給することで応答しますが、これにより中央領域が熱くなりすぎる可能性があります。熱電対が中央にある間、チップは冷たくなる可能性がありますが、コントローラーは問題ありません。これにより、キャビティ全体に温度差が生じ、製品の品質、製造にかかる時間、ヒーターの寿命に影響を与える可能性があります。ヒーターの高温部分は内部温度が高くなるため、酸化が促進され、ヒーターの故障が早まります。

マルチゾーンのセンシングと制御は、重要なアプリケーションに対する答えです。{0}空洞に沿ってさまざまな深さに複数の熱電対を配置すると、熱プロファイルのより良い画像が得られます。複数の入力を読み取ることができるコントローラーは、入力を平均して 1 つの制御信号を作成することも、異なる加熱ゾーンを独自に操作することもできます。独立したゾーン制御が最良のオプションですが、複数の内部回路を備えたヒーターと複数の出力を備えたコントローラーが必要となるため、最も高価になります。いくつかの熱電対の読み取り値の平均をとることは、特定の場所が暑いか寒いかによって決定が下されていないことを確認する良い方法です。

複数の熱電対を使用できない場合、熱電対の配置が設計上の重要な決定事項になります。センサーは、プロセス全体の熱ニ​​ーズを最もよく示す場所に設置する必要があります。この点は、多くの成形状況では、リード端から先端までの距離の約 3 分の 2 になります。-通常、このスポットは先端での熱損失と中央での熱保持のバランスをとります。初期セットアップ中にさまざまな深さで一時的な熱電対を使用すると、最適な永続的な位置を見つけるのに役立ちます。

使用する温度センサーの種類も重要です。熱電対は、カートリッジ ヒーターで使用される最も一般的なタイプの温度センサーです。丈夫で安価で、幅広い温度を測定できます。 J 型熱電対は 750 度までの温度で動作し、K 型は 1200 度までの温度で動作します。 RTD (測温抵抗体) はより正確で安定していますが、壊れやすく、コストも高くなります。ほとんどの工業用加熱用途では、タイプ J またはタイプ K 熱電対を適切に配置すると適切に機能します。

もう一つ考えるべきことは、それをどのように制御するかです。ヒーターのオン/オフ時に温度変化が発生し、ヒーターや動作にストレスがかかる可能性があります。電力が常に変化する比例制御を使用すると、温度の制御が大幅に向上します。ワット数の多いカートリッジ ヒーターの場合は、ソリッドステート リレー (SSR) を使用した比例制御を使用することを強くお勧めします。-比例制御に使用すると、機械式接触器のサイクルが非常に遅くなり、摩耗が早すぎます。

制御システムの応答時間は、アプリケーションが熱に対してどのように動作するかにも適合する必要があります。長いカートリッジ ヒーターを備えた大きな金型では、電力レベルはすぐには変化しません。制御システムを積極的に調整しすぎると、行き過ぎたり、行ったり来たりしてしまいます。システムの調整が控えめすぎると、設定値に到達するまでに時間がかかりすぎます。安定した効率的な動作のためには、比例、積分、微分 (PID) パラメーターを正しく調整することが重要です。新しいコントローラの多くには、システムに適切な設定を自動的に見つける自動調整機能が備わっています。-

非常に長いヒーターの場合、時間の遅れは大きな問題となります。先端から来る熱は、先端の温度を変える前にヒーターの長さ全体に伝わる必要があります。制御システムがこの遅延を考慮しない場合、不安定性が生じる可能性があります。一部の高度なコントローラーは、予測アルゴリズムまたはカスケード制御スキームを使用して、長い遅延を埋め合わせます。カスケード システムには 2 つのループがあります。1 つはヒーター近くのセンサーに基づいてヒーターへの電力を調整する内側ループ、もう 1 つはワークピース内のセンサーに基づいてプロセスの温度を制御する外側ループです。

ヒーターが故障する隠れた原因は温度調節の悪さです。ヒーターはオンとオフを頻繁に繰り返すと、膨張と収縮のたびに熱応力を受けます。この張力により、数千サイクル後に MgO 絶縁体が粉砕したり、抵抗線が摩耗したりする可能性があります。温度を安定に保つ適切に調整された比例制御システムにより、サイクルが短縮され、ヒーターが長持ちします。優れたコントローラーに投資し、熱電対を適切な場所に配置すると、ヒーターの寿命が長くなり、プロセスの一貫性が高まり、予期せぬ停止が少なくなります。温度の監視と制御はオプションではありません。これらは、カートリッジ ヒーター、特に長距離にわたって均一な熱を生成する必要があるカートリッジ ヒーターを最大限に活用するために必要です。