מהן האפשרויות לבקרת טמפרטורה מרובת-אזורים על פלטת חימום אחת?

לצלחת גדולה עם אזור חימום אחד בלבד יש היקף קר יותר מכיוון שהפסדי הקצוות גדולים יותר. בקרת אזורים מרובה- מאפשרת לחלק את הצלחת לאזורים המווסתים בנפרד, מה שמאפשר לדחוף את אזורי הקצה מעט יותר חמים כדי לפצות או להפריד בין אזורים כדי להחזיק נקודות קבע שונות עבור תהליכים מורכבים. מערכות מרובות-אזורים מציעות אחידות וגמישות תהליכית ביישומי חימום מדויקים כגון ייצור פרוסות מוליכים למחצה, למינציה, יצירת ואקום או פלטות חמות במעבדה שמערכת אזור- יחידה אינה יכולה לספק.

ייצור פלטה מרובת-אזורים
משטח החימום הרב-אזורי מורכב ממספר מעגלי חימום עצמאיים הבנויים בגוף הפלטה. כל מעגל הוא לעתים קרובות גוף חימום התנגדות (נייר כסף חרוט, חוט או סרט עבה מודפס-) בפריסה מסוימת. לכל אזור יש חיישן טמפרטורה מיוחד משלו (בדרך כלל צמד תרמי או גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD)) והוא נשלט על ידי לולאת משוב ייעודית. האזורים מבודדים חשמלית זה מזה, אך יש להם חומר צלחת מוליך תרמית משותף (אלומיניום, נחושת או נירוסטה).

היכן ממוקמים גופי החימום קובע את גבולות האזורים. כל אזור צריך להיות פי 2-3 מעובי הצלחת כדי לתת מידה סבירה של עצמאות. היוריסטיקה זו מפחיתה דיבור תרמי בין אזורים סמוכים. ככל שהצלחות דקות יותר או האזורים קטנים יותר, כך נוצרת יותר אינטראקציה והשליטה העצמאית קשה יותר.

גישות אזוריות אופייניות
שלוש תוכניות ייעוד עיקריות משמשות בפלטות חמות בתעשייה ובמעבדה. הבחירה מוכתבת על ידי דרישות ההליך.

חיזוק אזור היקפי (פיצוי קצה)
החום שאבד מהפריפריה של הצלחת גדול בהרבה מזה שבמרכזה, מכיוון שהפריפריה מציעה משטח גדול יותר שהאוויר הקריר סביבה יוכל לפעול איתו. לפיכך, לצלחת עם אזור יחיד יש ירידה בטמפרטורה בשוליים. בעיצוב רב -אזורים, האזור החיצוני (או טבעת קצה ספציפית) מונע בעוצמה רבה יותר או מוגדר לטמפרטורה גבוהה יותר מהאזורים הפנימיים. זה מסביר את הפסדי הקצוות ומייצר שדה טמפרטורה הומוגנית על פני השטח המלא של הצלחת.

תצורה פופולרית היא לוח עגול בן 3 אזורים, אזור מעגלי פנימי, אזור טבעתי באמצע ואזור טבעתי חיצוני. האזור החיצוני חם ב-5-15 מעלות מנקודת ההגדרה באמצע, תלוי בגודל הצלחת ובנסיבות הסביבתיות. במקרה של לוחות מלבניים, אזור היקפי מקיף את המרכזי.

טיפול בשיפוע
עבור פעולות מסוימות נדרש שיפוע טמפרטורה מכוון על פני הצלחת. מקרים כאלה כוללים פרופילי אשפרה שבהם יש צורך לחמם חומר בצורה פרוגרסיבית, מצד אחד לצד השני, או בדיקה תרמית של רכיבים תחת רמפת טמפרטורה מווסתת לאורך החלק. השיפוע נשלט על ידי הגדרת הטמפרטורה של אזורים סמוכים לערכים שונים. מספר האזורים מגדיר את עדינות השיפוע.

ניתן להגדיר את הלוח הליניארי של ארבעת-האזורים ל-50 מעלות, 70 מעלות, 90 מעלות ו-110 מעלות בהתאם (אזור 1 לקצה אחד, אזור 4 לקצה השני). חומר הלוח אכן מוליך חום אך לולאת הבקרה הפרטנית בכל אזור שומרת על נקודת ההגדרה המקומית למרות זרימת החום מאזורים סמוכים. כוונון הבקר נותן מענה להצלבה תרמית; יישומי שיפוע דורשים בדרך כלל רווחים פרופורציונליים גדולים יותר.

אזורים עבור חלקים ספציפיים
בעיבוד אוטומטי, ניתן לחמם רק חלקים של הצלחת שבהם קיים חומר עבודה. לדוגמה, לצלחת ענקית עם מספר חלקים קטנים יכולים להיות אזורים נפרדים עבור כל מיקום חלק. החלקים מתחת לחלק מופעלים כדי לחסוך באנרגיה ולמנוע התחממות יתר של חלקים ריקים. אותה גישה מנוצלת בציוד איטום חום או מליטה, כאשר רק האזור המגע עם החלק צריך להיות מחומם.

נדרשים חישה של נוכחות חלק (למשל חיישנים אופטיים או מכניים) ומנגנון בקרה כדי להפעיל או להשבית אזורים ספציפיים של חלק-. פלטת החימום עצמה חייבת להיות בעלת חלוקת אזור עדינה מספיק התואמת את פריסת הפריט.

מפרט מערכת בקרת לוחות מרובים-אזורים
כל אזור צריך חיישן טמפרטורה משלו ולולאת בקרה נפרדת. ישנן שתי גרסאות למערכת הבקרה:

בקר PID רב-ערוצי - מכשיר יחיד שלוקח מספר כניסות של צמד תרמי או RTD ונותן יציאות בקרה מרובות (בדרך כלל ממסרי מצב מוצק או תיריסטורים). כל ערוץ עובד באופן עצמאי עם פרמטרי PID משלו. בקרים אלה זמינים בגרסאות 2, 4, 8 או 16 אזורים.

PLC עם קלט/פלט אנלוגי - לבקר לוגי הניתן לתכנות (PLC) יש מספר מודולי קלט טמפרטורה ומודולי פלט המריצים לולאות PID עצמאיות בתוכנה. פתרון זה גמיש יותר עבור חיישני נוכחות חלקים-, רישום נתונים והתממשקות למערכות ברמה גבוהה יותר.

לכוונון ריבוי-אזורים יש קושי גדול יותר מאשר אזור בודד עקב הצלבה תרמית. החלפת חשמל באזור אחד מטרידה את האזורים הסמוכים. לבקרי PID מודרניים יש פונקציות כוונון אוטומטי- שיכולות להתמודד עם שיחות הצלבה מינוריות, אך צימוד חזק עשוי להזדקק לטכניקות ניתוק או בקרה מבוססת מודל-.

הסבר על דיאגרמת לוחות מלבניים עם 3 אזורים
להלן פלטת חימום מלבנית מרובת אזורים טיפוסית לפיצוי קצה (ללא תמונה, אך מסופק סידור טקסטואלי):

מידות כוללות של הצלחת: 600 מ"מ x 400 מ"מ x 20 מ"מ (אלומיניום)

אזור 1 (מרכז): אזור מלבני של 300 מ"מ × 200 מ"מ במרכז. אזור זה מכוסה באופן אחיד על ידי תבנית המחמם.

אזור 2 (אמצע): מלבן טבעתי ברוחב 50 מ"מ בכל ארבע הפינות של אזור 1. תבנית המחמם היא לולאה שונה

אזור 3 (קצה): היקף החיצוני ביותר 50 מ"מ. דפוס מחמם מרוכז בקצוות.

צמד תרמי מושתל במרכז הגיאומטרי של כל אזור. כל אחד משלושת האזורים נשלט באופן עצמאי על ידי בקר PID בעל 3 ערוצים. אזור 3 מוגדר גבוה מהמטרה, ב-10 מעלות, אזור 2 גבוה מהיעד ב-3 מעלות, ואזור 1 מוגדר ביעד, לטמפרטורת צלחת עקבית. טמפרטורת פני השטח האמיתית שנמדדה במצלמת אינפרא אדום חושפת הומוגניות של ±1 מעלות על הצלחת.

בעיות עיצוב והצלבה תרמית
בידוד תרמי בין אזורים לעולם אינו מושלם. חום זורם תמיד מהאזור החם יותר לאזור הקריר יותר הצמוד אליו. דיבור זה מרמז ששינוי נקודת קבע באזור אחד ישנה את הטמפרטורה של שכניו. עם זאת, עצמאות נאותה מושגת עם רוחב אזור מתאים ($\\geq 2-3$ $\\times$ עובי צלחת) וכוונון PID קפדני.

אם האזורים צרים מדי, או הצלחת דקה מדי, המערכת מתנהגת יותר כמו אזור בודד עם תנורי חימום רבים-המביסים את המטרה של שליטה מרובה אזורים. לכן, תכנון לוח חימום רב אזורי צריך להתבסס על ניתוח אלמנטים סופיים או בדיקות ניסיוניות כדי לזהות את רוחב האזור המינימלי לביצועים הדרושים.

אחר הוא חלוקת צפיפות הוואטים של המחמם. אזורי קצה עשויים לדרוש צפיפות וואט גדולה יותר (W/cm 2 ) כדי לספק את הכוח הנוסף הנדרש להתאמת קצה. יחס הכוח בין אזורי הקצה והמרכז הוא בדרך כלל בטווח של 1.5:1 עד 3:1, בהתאם לגודל הצלחת והבידוד בקצה.

יתרונות וחסרונות של ריבוי-אזורי בקרת יתרונות:

אחידות טמפרטורה טובה יותר (פיצוי קצה)

יכולת ליצור שיפועי טמפרטורה-מוגדרים היטב

חלק-יישומים ספציפיים של השבתת אזור לחיסכון באנרגיה

תגובה תרמית מהירה יותר אם רק חלק מהצלחת צריך לשנות טמפרטורה

מגבלות:

יקר יותר (חיישנים רבים, תנורי חימום וערוצי בקרה)

הגדרה וכוונון מתוחכמים יותר

הצלבה תרמית מגבילה את העצמאות התיאורטית

גודל צלחת מינימלי מוגדל עבור מספר אזורים

מַסְקָנָה
בקרת טמפרטורה רב אזורית לשיפור אחידות וגמישות בפלטות חימום בפורמט גדול. שלוש המתודולוגיות העיקריות לחלוקת אזורים הן הגברת אזור היקפי לפיצוי קצה, בקרת שיפוע עבור פרופילי טמפרטורה מכוונים ואזורים ספציפיים-לחלקים לעיבוד יעיל באנרגיה. כל אזור נשלט על ידי חיישן ולולאת בקרה משלו, המיושמים בדרך כלל על ידי בקרי PID או PLC מרובי-ערוציים. דיבור תרמי בין אזורים הוא בלתי נמנע, אך ניתן למתן אותו על ידי שימוש ברוחב אזורים של לפחות פי 2- מעובי הלוח ועל ידי כוונון קפדני של הבקר. בקרה מתקדמת היא גורם קריטי לדיוק תהליכים ביישומים מייצור מוליכים למחצה ועד למינציה תעשייתית. הפתרון הנבחר עבור תהליכים הדורשים הומוגניות של ±1 מעלות או שיפועים ניתנים לתכנות של טמפרטורה הוא פלטת חימום מרובת אזורים הבנויה בצורה נכונה.