Grelniki PFA za aplikacije natančnega nadzora temperature-polprevodniške mokre mize, farmacevtski reaktorji, analitični instrumenti-pogosto vključujejo notranji termočlen, vdelan v kovinsko jedro ali med jedro in plašč PFA. Aksialni položaj termočlena (konica v primerjavi s srednjo točko) bistveno vpliva na stabilnost regulacijske zanke. Termočlen s konico- (blizu distalnega konca grelnika) meri najbolj vročo točko na grelniku, se hitro odziva na spremembe moči, a meri tudi lokalne temperaturne razlike, ki morda ne predstavljajo tekočine v razsutem stanju. Sredi-termočlen (na 50–70 % dolžine grelnika od hladnega konca) meri povprečno temperaturo in se odziva počasneje, vendar z manj hrupa. Za večino aplikacij za ogrevanje s tekočino orientacija sredinske točke zagotavlja vrhunsko stabilnost krmilne zanke (manjše nihanje, manjši prestop), ker filtrira lokalne vroče točke in toplotne gradiente. Usmerjenost konice je prednostna le, če grelec deluje v območju pare ali ko je konica kritična temperaturna meja (npr. preprečevanje lokalnega vrenja). Razliko v stabilnosti krmiljenja je mogoče količinsko opredeliti kot zmanjšanje zahteve glede proporcionalnega pasu za 30–50 % za sredino v primerjavi s postavitvijo konice.
Toplotna dinamika po dolžini grelnika
Navpični grelnik PFA, potopljen v tekočino, ima ne-enoten temperaturni profil. Konica (dno) je običajno 5–15 stopinj hladnejša od sredine, ker je konica dlje od hladnega konca (ki odvaja toploto iz rezervoarja) in je lahko v območju z drugačno hitrostjo pretoka. Odsek blizu površine tekočine (vrh segrete dolžine) je pogosto 5–10 stopinj toplejši zaradi zmanjšanega prenosa toplote v mejni plasti. Temperatura jedra (temperatura kovine znotraj PFA) se spreminja še bolj: pri 3 W/cm² v vodi s temperaturo 80 stopinj je lahko jedro na sredini 150 stopinj, medtem ko je jedro na konici lahko 140 stopinj, jedro v zgornjem ogrevanem območju pa je lahko 160 stopinj. Termočlen na konici meri hladnejšo in stabilnejšo temperaturo (na katero manj vplivajo nihanja ravni-površine). Termočlen na sredini meri vročejšo in bolj odzivno temperaturo. Termočlen blizu površine tekočine meri najbolj vročo, najbolj spremenljivo temperaturo.
Ko se uporablja kot povratni senzor za krmilnik PID, lokacija termočlena določa značilnosti procesne spremenljivke. Senzor srednje točke ima večjo toplotno maso (več kovine in PFA med senzorjem in tekočino) in zato daljšo časovno konstanto (τ=10–30 sekund). Senzor na konici ima manjšo toplotno maso (manj materiala na tanki konici) in krajšo časovno konstanto (τ=3–10 sekund). Krajša časovna konstanta omogoča hitrejši odziv, hkrati pa naredi krmilno zanko bolj občutljivo na hrup in bolj nagnjeno k nihanju, če ojačitve PID niso prilagojene.
Primerjava stabilnosti krmiljenja
| Položaj termoelementa | Tipična časovna konstanta (sekunde) | Temperatura glede na tekočino v razsutem stanju | Občutljivost na spremembe toka | Priporočeno dejanje PID | Stabilnost pri isti nastavitvi PID |
|---|---|---|---|---|---|
| Konica (znotraj 5 cm od distalnega konca) | 3–8 | Masa + 5–15 stopinj | Visoka (konica je izpostavljena spremenljivemu pretoku) | Nizko proporcionalno ojačenje (P), visok integralni čas (I) | Nagnjen k nihanju (prevelik dobiček) |
| Spodnja četrtina (25 % od napitnine) | 6–12 | Masa + 8–20 stopinj | Zmerno | Srednji P, srednji I | Zmerna stabilnost |
| Srednja točka (40–60 % od hladnega konca) | 12–25 | Masa + 15–30 stopinj | Nizek (srednji pretok bolj stabilen) | Višji P, nižji I (hitrejši odziv brez nihanja) | Najbolj stabilen |
| Zgornja četrtina (75 % od hladnega konca) | 10–20 | Masa + 20–40 stopinj | Visoka (blizu površine, na katero vpliva raven) | Kot sredina, vendar s filtracijo | Stabilen, če je nivo konstanten |
| Povprečje več senzorjev | 10–20 (povprečno) | Povprečje zgoraj | Nizka | Kot sredina | Najbolj stabilen (zmanjša hrup) |
Kvantificiran primer: 500 L rezervoar, 6 kW grelnik, nastavljena točka 80 stopinj
V nadzorovanem poskusu so primerjali orientacijo konice termočlena v primerjavi s srednjo točko v 500-litrskem rezervoarju za galvanizacijo s 6 kW grelnikom PFA (1,5 m dolg, navpično). Uporabljen je bil isti krmilnik PID (samodejno nastavljen ločeno za vsako lokacijo senzorja). Rezultati:
Senzor konice(10 cm od konice): Časovna konstanta τ=6 sekund. Samodejno nastavljen PID: P=15, I=120 sekund, D=0. Stalno-nihanje: ±1,2 stopinje. Prekoračitev pri zagonu-: 4 stopinje. Odziv na dodatek 10 L hladne vode: 90 sekund za vrnitev na nastavljeno točko.
Senzor sredine(75 cm od hladnega konca, 60 % dolžine): Časovna konstanta τ=18 sekund. Samodejno nastavljen PID: P=35, I=240 sekund, D=2 sekund. Nihanje-stacionarnega stanja: ±0,4 stopinje. Prekoračitev pri zagonu-: 1,5 stopinje. Odziv na dodajanje 10 L hladne vode: 110 sekund za vrnitev na nastavljeno točko.
Senzor sredinske točke je zagotovil bistveno boljšo stabilnost-stalnega stanja (±0,4 stopinje v primerjavi z ±1,2 stopinje) in nižji prekoračitev (1,5 stopinje v primerjavi z. 4 stopinjami), na račun nekoliko počasnejšega okrevanja po motnji (110 v primerjavi z. 90 sekundami). Počasnejše okrevanje je bilo sprejemljivo za večino procesov; izboljšana stabilnost je bila visoko cenjena. Hitrejši odziv senzorja konice je bil koristen le, ko je bila hitra obnovitev kritična (npr. šaržni procesi s kratkimi časi cikla). Za neprekinjene procese je bil srednji senzor boljši.
Kdaj uporabiti konico ali sredino
Tipalo konice je prednostno, kadar: (1) grelec deluje blizu vrelišča tekočine in je treba preprečiti lokalno vrenje konice. Konica je pogosto najhladnejša točka, zato vrenje konice kaže na pregrevanje drugje. (2) Grelnik je vodoraven, konica pa je v območju nizkega pretoka; temperatura konice potem predstavlja vročo točko-v najslabšem primeru. (3) Postopek zahteva zelo hiter odziv (npr. hitro toplotno kroženje,<30 second cycle times). (4) The heater is used in vapor-phase heating where the tip is the only submerged part. Midpoint sensor is preferred when: (1) The process requires tight temperature tolerance (±0.5°C or better). (2) The tank has good circulation, so midpoint temperature represents bulk. (3) The PID controller is not re-tuned for each sensor location; midpoint is more forgiving of default gains. (4) The operator wants to minimize oscillation and overshoot. (5) The heater is used in continuous, steady-state operation.
Za večino aplikacij je optimalna konfiguracija dvojnega-senzorja (konica + srednja točka) z logiko krmilnika, ki izbere ustrezen senzor glede na način. Uporabite senzor konice med-zagonom (hitra rampa, dovolite prekoračitev) in senzor sredine med-stanjem enakomernosti (tesen nadzor). To zahteva krmilnik z dvojnimi vhodi in programirljivim izborom senzorjev, ki so na voljo pri večjih proizvajalcih (Watlow, Omron, Eurotherm).
Premisleki glede namestitve
Notranji termočlen (običajno tipa J, K ali T) mora biti električno izoliran od kovinskega jedra, da se izognete ozemljitvenim zankam. Spoj termočlena je običajno vdelan v keramično cev ali prevlečen s prahom magnezijevega oksida. Položaj je fiksen med izdelavo in ga ni mogoče spremeniti na terenu. Pri določanju grelnika izrecno navedite želeni položaj termočlena: "Spoj termočlena, ki se nahaja na 60 % ogrevane dolžine od hladnega konca (sredine)" ali "Spoj termočlena, ki se nahaja znotraj 25 mm od distalne konice." Proizvajalci privzeto določijo konico ali sredino glede na njihov standard; specifikacija preprečuje presenečenja. Po namestitvi preverite položaj termočlena z merjenjem upora med vodniki termočlena in ozemljitvijo grelnika. Položaj vpliva na toplotni gradient in s tem na izmerjeno temperaturo; samodejna nastavitev krmilnika bo kompenzirala dinamiko, vendar ne more spremeniti fizične lokacije senzorja.
Za naknadno vgradnjo na terenu, kjer notranji termočlen ni dostopen, se lahko uporabi zunanji termočlen, pritrjen na površino PFA v želenem aksialnem položaju. Zunanji senzor ima počasnejši odziv (skozi steno PFA), vendar enake položajne učinke. Površinska{2}}montaža RTD na sredini zagotavlja odlično stabilnost za neprekinjene procese.
Zaključek: Midpoint zagotavlja vrhunsko stabilnost za večino aplikacij
Usmerjenost notranjega termočlena grelnika PFA (konica proti srednji točki) znatno spremeni stabilnost krmilne zanke. Senzor srednje točke (40–60 % ogrevane dolžine od hladnega konca) ima daljšo časovno konstanto (12–25 sekund) in meri temperaturo, ki bolje predstavlja tekočino v razsutem stanju, kar ima za posledico enakomerno-nihanje v stanju ±0,5 stopinje ali manj. Senzor konice (blizu distalnega konca) ima krajšo časovno konstanto (3–8 sekund) in se odziva na lokalne vroče točke, kar vodi do širšega nihanja (±1–2 stopinji), razen če povečanja PID previdno zmanjšamo. Za večino aplikacij za ogrevanje s tekočino-zlasti za neprekinjene procese, ki zahtevajo strog nadzor temperature-je sredinska usmeritev boljša. Usmerjenost konice je rezervirana za hitre{17}}odzivne aplikacije, spremljanje preprečevanja vrenja ali ko je konica kritična temperaturna meja. Inženirji, ki določajo grelnike PFA za natančen nadzor, bi morali kot privzeto zahtevati postavitev srednjega termoelementa, s postavitvijo konice kot posebno možnost-v primeru. Dodatni stroški so zanemarljivi; izboljšanje nadzora je znatno. Krmilnik, ki po nepotrebnem niha, pogosto ni težava pri uglaševanju-težava je pri postavitvi senzorja. Premaknite senzor na sredino in nihanje pogosto izgine.
