Quali sono le opzioni per il controllo della temperatura multi-zona su un'unica piastra riscaldante?

Una piastra grande con una sola zona riscaldante ha spesso un perimetro più freddo perché le perdite sui bordi sono maggiori. Il controllo multi-zona consente di dividere la piastra in zone regolate individualmente consentendo di spingere le zone laterali leggermente più calde per compensare o separare le aree per mantenere diversi setpoint per processi complessi. I sistemi multi-zona offrono uniformità e flessibilità di processo in applicazioni di riscaldamento di precisione come la produzione di wafer semiconduttori, la laminazione, formatura sotto vuoto o piastre riscaldanti da laboratorio che un sistema a-zona singola non può offrire.

Produzione di una piastra riscaldante multi-zona
La piastra multi-zona è composta da una serie di circuiti di riscaldamento indipendenti integrati nel corpo della piastra. Ogni circuito è spesso un elemento riscaldante resistivo (lamina incisa, filo o traccia di pellicola spessa stampata-) in un layout particolare. Ciascuna zona dispone del proprio sensore di temperatura specializzato (tipicamente una termocoppia o un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD)) ed è controllata da un circuito di feedback dedicato. Le zone sono isolate elettricamente tra loro ma hanno una piastra comune in materiale termicamente conduttivo (alluminio, rame o acciaio inossidabile).

La posizione degli elementi riscaldanti definisce i confini delle zone. Ciascuna zona dovrebbe essere 2-3 volte lo spessore della piastra per garantire un ragionevole grado di indipendenza. Questa euristica riduce la diafonia termica tra zone vicine. Più sottili sono le piastre o più piccole le zone, maggiore è l'interazione che si crea e più difficile risulta il controllo indipendente.

Approcci tipici di zonizzazione
Tre schemi di zonizzazione principali vengono utilizzati nelle piastre riscaldanti industriali e di laboratorio. La scelta è dettata dalle esigenze della procedura.

Potenziamento della zona perimetrale (compensazione dei bordi)
Il calore perso dalla periferia di una piastra è molto maggiore di quello dal suo centro, poiché la periferia offre una superficie più ampia con cui può agire l'aria più fresca attorno ad essa. Una piastra a zona singola presenta quindi una diminuzione della temperatura ai margini. In un design multi-zona, la zona esterna (o uno specifico anello perimetrale) viene alimentata a una potenza maggiore o impostata su una temperatura più elevata rispetto alle zone interne. Ciò tiene conto delle perdite sui bordi e produce un campo di temperatura omogeneo su tutta la superficie della piastra.

Una configurazione popolare è una piastra circolare a 3 zone, una zona circolare interna, una zona anulare centrale e una zona anulare esterna. La zona esterna è di 5–15 gradi più calda rispetto al setpoint centrale, a seconda delle dimensioni della piastra e delle circostanze ambientali. Nel caso di piastre rettangolari la zona perimetrale circonda quella centrale.

Gestire il gradiente
Per alcune operazioni è necessario un gradiente di temperatura mirato attraverso la piastra. Tali casi includono profili di polimerizzazione in cui un materiale deve essere riscaldato in modo progressivo, da un lato all'altro, o test termici dei componenti sotto una rampa di temperatura regolata in tutta la porzione. Il gradiente viene controllato impostando la temperatura delle zone adiacenti su valori diversi. Il numero di zone definisce la finezza del gradiente.

La piastra lineare a quattro-zone può essere impostata di conseguenza su 50 gradi, 70 gradi, 90 gradi e 110 gradi (zona 1 a un'estremità, zona 4 all'altra estremità). Il materiale della piastra conduce il calore ma il circuito di controllo individuale in ciascuna zona mantiene il setpoint locale nonostante il flusso di calore dalle zone vicine. La regolazione del controller risolve la diafonia termica; le applicazioni con gradiente richiedono in genere guadagni proporzionali maggiori.

Zone per parti specifiche
Nella lavorazione automatizzata possono essere riscaldate solo le sezioni della lamiera in cui è presente un pezzo. Ad esempio, una piastra enorme con diverse sezioni piccole può avere zone separate per il posizionamento di ciascuna parte. Le sezioni sotto una parte vengono attivate per risparmiare energia e prevenire il surriscaldamento delle parti libere. Questo stesso approccio viene utilizzato nelle apparecchiature di termosaldatura o incollaggio, dove è necessario riscaldare solo l'area a contatto con la parte.

Sono necessari il rilevamento della presenza di parti (ad esempio sensori ottici o meccanici) e un meccanismo di controllo per abilitare o disabilitare zone specifiche della parte-. La piastra riscaldante stessa deve avere una divisione delle zone sufficientemente fine che corrisponda alla disposizione dell'oggetto.

Specifiche del sistema di controllo delle piastre multi-zona
Ogni zona necessita del proprio sensore di temperatura e di un circuito di controllo separato. Esistono due varianti del sistema di controllo:

Controller PID multi-canale - Un singolo strumento che accetta diversi ingressi per termocoppie o RTD e fornisce più uscite di controllo (tipicamente relè a stato solido o tiristori). Ogni canale funziona in modo indipendente con i propri parametri PID. Questi controller sono disponibili nelle versioni a 2, 4, 8 o 16 zone.

PLC con I/O analogico - Un controller logico programmabile (PLC) dispone di numerosi moduli di ingresso e uscita della temperatura che eseguono loop PID indipendenti nel software. Questa soluzione è più flessibile per i sensori di presenza parziale-, la registrazione dei dati e l'interfaccia con sistemi di livello superiore.

La sintonizzazione multi-zona presenta maggiori difficoltà rispetto a una singola zona a causa della diafonia termica. Il cambio di elettricità in una zona disturba le zone vicine. I moderni controller PID dispongono di funzioni di auto-tuning in grado di far fronte a diafonia minore, ma un accoppiamento forte potrebbe richiedere tecniche di disaccoppiamento o controllo basato su-modello.

Spiegazione di un diagramma di piastra rettangolare a 3 zone
Di seguito è riportata una tipica piastra riscaldante rettangolare multizona per la compensazione dei bordi (non viene fornita alcuna immagine, ma viene fornita la disposizione testuale):

Dimensioni complessive piastra: 600 mm x 400 mm x 20 mm (alluminio)

Zona 1 (centro): una zona rettangolare di 300 mm × 200 mm al centro. Quest'area è coperta uniformemente dal modello del riscaldatore.

Zona 2 (centrale): un rettangolo anulare largo 50 mm su tutti e quattro gli angoli della Zona 1. Il modello del riscaldatore è un circuito diverso

Zona 3 (Bordo): perimetro più esterno di 50 mm. Schema riscaldatore concentrato ai bordi.

Al centro geometrico di ciascuna zona è impiantata una termocoppia. Ciascuna delle tre zone è controllata in modo indipendente da un controller PID a 3 canali. La Zona 3 è impostata più in alto dell'obiettivo di 10 gradi, la Zona 2 è più alta dell'obiettivo di 3 gradi e la Zona 1 è impostata sull'obiettivo, per una temperatura della piastra costante. La temperatura superficiale reale misurata con una telecamera a infrarossi rivela un'omogeneità di ±1 grado sulla piastra.

Problemi di progettazione e diafonia termica
L'isolamento termico tra le zone non è mai perfetto. Il calore fluisce sempre dalla regione più calda alla regione più fredda adiacente ad essa. Questa diafonia implica che una modifica del setpoint in una zona modificherà la temperatura delle zone vicine. Tuttavia, si ottiene un'indipendenza adeguata con un'adeguata larghezza della zona (spessore della piastra $\\geq 2-3$ $\\times$) e un'attenta regolazione del PID.

Se le zone sono troppo strette o la piastra troppo sottile, il sistema si comporta più come una zona singola con numerosi riscaldatori- vanificando l'obiettivo del controllo multizona. Pertanto, la progettazione di una piastra riscaldante multizona dovrebbe basarsi sull'analisi degli elementi finiti o su test sperimentali per identificare la larghezza minima della zona per le prestazioni necessarie.

Un'altra è la distribuzione della densità di watt del riscaldatore. Le zone dei bordi potrebbero richiedere una densità di watt maggiore (W/cm 2 ) per fornire la potenza aggiuntiva necessaria per la regolazione dei bordi. Il rapporto di potenza tra le zone del bordo e quelle del centro è solitamente compreso tra 1,5:1 e 3:1, a seconda delle dimensioni della piastra e dell'isolamento sul bordo.

Vantaggi e svantaggi del controllo multi-zona Vantaggi:

Migliore uniformità della temperatura (compensazione dei bordi)

Capacità di stabilire gradienti di temperatura ben-definiti

Parte-applicazioni specifiche della disattivazione delle zone per il risparmio energetico

Risposta termica più rapida se solo una parte della piastra necessita di cambiare temperatura

Limitazioni:

Più costoso (molti sensori, riscaldatori e canali di controllo)

Configurazione e messa a punto più sofisticate

La diafonia termica limita l'indipendenza teorica

Aumentata la dimensione minima della piastra per più zone

Conclusione
Controllo della temperatura multizona per una migliore uniformità e flessibilità nelle piastre riscaldanti di grande formato. Le tre metodologie principali per la zonizzazione sono l'incremento della zona perimetrale per la compensazione dei bordi, il controllo del gradiente per profili di temperatura intenzionali e zone specifiche della parte-per un'elaborazione efficiente dal punto di vista energetico. Ciascuna zona è controllata dal proprio sensore e dal proprio circuito di controllo, solitamente implementati da controller PID o PLC multi-canale. La diafonia termica tra le zone è inevitabile, ma può essere mitigata utilizzando larghezze di zona almeno 2-3 volte lo spessore della piastra e un'attenta regolazione del controller. Il controllo avanzato è un fattore fondamentale per la precisione del processo in applicazioni che vanno dalla produzione di semiconduttori alla laminazione industriale. La soluzione ideale per i processi che richiedono un'omogeneità di ±1 grado o gradienti di temperatura programmabili è una piastra riscaldante multizona correttamente costruita.