Von Chuck Reed, leitender Ipsen-Kundendienst-Verkaufsspezialist
Thermoelemente spielen eine entscheidende Rolle bei der Wärmebehandlung, da sie genaue Temperaturdaten liefern, die einen sicheren und gleichmäßigen Betrieb der Ofensysteme gewährleisten. Sie sind für extreme Bedingungen ausgelegt und werden zur Erkennung von Temperaturen außerhalb des zulässigen Bereichs, zur Überprüfung der Gleichmäßigkeit von Öfen und zur Überwachung der Temperaturen während eines Produktionslaufs eingesetzt.
Thermoelemente funktionieren, indem zwei unterschiedliche Metalldrähte (z. B. Nickel und Kupfer oder Platin und Rhodium) zu einer Messstelle verbunden werden. Wenn diese Stelle Wärme ausgesetzt wird, erzeugt sie eine geringe Spannung – eine Reaktion, die als Seebeck-Effekt bekannt ist. Die Beziehung zwischen Temperatur und dieser Spannungsabgabe ist für jeden Thermoelementtyp genau definiert, sodass Ofensteuerungen die Temperatur innerhalb eines bestimmten Bereichs interpretieren können.
Während Thermoelemente sowohl für sehr hohe als auch für sehr niedrige Temperaturen verwendet werden können, hat jeder Thermoelementtyp je nach den verwendeten Materialien seinen eigenen nutzbaren Temperaturbereich und seine eigene Empfindlichkeit.
In einem Vakuumofen, Einige Thermoelemente werden speziell dazu verwendet, Informationen an die Temperaturregler zu liefern, Informationen, die anzeigen, wann Elemente während eines Prozesses ein- oder ausgeschaltet werden müssen. Andere Thermoelemente werden entweder für einen einzelnen Produktionslauf oder eine kleine Anzahl von Läufen verwendet, um sicherzustellen, dass die Rezepte die richtigen Temperaturen an die Stellen im Ofen liefern, an denen sich die Teile befinden.
Für Betreiber von Ipsen-Vakuumöfen gibt es zwei Arten von Thermoelementen, die am häufigsten verwendet werden – die semipermanenten Steuerung und Übertemperatur Thermoelemente, sowie wiederverwendbare und Einwegartikel Arbeit Thermoelemente die für Produktions- und Gleichmäßigkeitsuntersuchungen verwendet werden.
Regel- und Übertemperatur-Thermoelemente
Die durch die Seite des Ofens hindurchführenden Regel- und Übertemperatur-Thermoelemente sind hochentwickelte, empfindliche technische Bauteile. Die hier am häufigsten verwendeten Thermoelementtypen sind Typ S, R, oder B. (Siehe Grafik)
In einem Beispiel verläuft ein Platin-Rhodium-Draht vom Anschlussstecker durch eine Inconel-Rohr an der Außenseite des Ofens, dann durch einen inneren Keramikhülse die sich im Inneren des Ofens bildet. (Siehe Bilder) Das Thermoelement wird außerhalb des Ofens mit einer Kupplung befestigt, deren Tiefe eingestellt werden kann. Die Einführtiefe des Regelthermoelements muss präzise sein und gemessen werden, da es die Arbeitstemperatur des Ofens regelt. Dies kann über das Bestehen oder Nichtbestehen einer Temperaturgleichmäßigkeitsprüfung (TUS) entscheiden.
Im Inneren ragen die Keramikspitzen der Regel- und Übertemperatur-Thermoelemente etwas über die Heizelemente hinaus, wo sie ihre Messwerte an die SPS zurückmelden können. Sie sind empfindlich genug, um Messungen mit einer Genauigkeit von null bis 2 Grad Fahrenheit durchzuführen, einem Bereich, der durch die Anforderungen des Prozesses und die Normen AMS 2750 vorgegeben ist.
Jedes dieser Thermoelemente hat eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen:
- Das Regelthermoelement gibt Informationen an die SPS zurück, sodass die Steuerung entscheiden kann, ob die Leistung der Elemente erhöht und die Temperatur angehoben, die Leistung der Elemente reduziert und die Temperatur gesenkt oder der aktuelle Status beibehalten werden soll.
- Übertemperatur-Thermoelemente dienen der Prozesssicherheit und alarmieren die Ofensteuerung, wenn die Temperatur im Ofen die in der Rezeptur vorgegebene Temperatur überschreitet. Sie können auch als Sicherheitseinrichtung für die maximale Temperatur der Anlage dienen, um Schäden an Teilen und Ofenkomponenten, einschließlich der Heißzone, zu verhindern.
Um die Genauigkeit bei jedem Prozess zu gewährleisten, sollten diese beiden Sonden dieselben Werte anzeigen. In bestimmten Öfen kann die Empfindlichkeitsgenauigkeit der Regelthermoelemente dazu führen, dass das Ergebnis einer Temperaturgleichmäßigkeitsprüfung innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereichs eine Abweichung von plus oder minus 5 Grad Fahrenheit oder plus oder minus 10 Grad Fahrenheit aufweist, basierend auf dem Betriebsbereich des Vakuumofens und der AMS-Qualifikationsklasse. Das ist unglaublich genau für Systeme, die zwischen 1.000 Grad Fahrenheit und 2.500 Grad Fahrenheit betrieben werden können.
Da ihre Keramikspitzen in den heißen Bereich gelangen, in dem Teile geladen und entladen werden, ist es wichtig, Ersatzthermoelemente zur Hand zu haben. Es kommt nicht selten vor, dass eines dieser Thermoelemente abgesplittert oder zerbrochen ist, wenn eine Charge nicht sicher in den Ofen geladen wurde.
Ipsen empfiehlt außerdem, die Temperaturgenauigkeitsabweichung eines Thermoelements mindestens einmal pro Jahr zu überprüfen und das Thermoelement zu ersetzen, wenn diese Abweichung über die Zertifizierung des Thermoelements hinausgeht. Zur Ermittlung des Abweichungsstatus kann eine Systemgenauigkeitsprüfung durchgeführt werden.
Arbeits- und Mess-Thermoelemente
Arbeits- und Mess-Thermoelemente werden häufig als Drahtspulen oder als Mehrleiter-Baugruppen geliefert. Sie bestehen in der Regel aus Legierungen, die Elemente wie Nickel, Chrom, Silizium, Aluminium oder Magnesium enthalten. Die für Arbeits- und Messzwecke am häufigsten verwendeten Kategorien von Thermoelementen sind Typ K oder Typ N.
Arbeits- und Mess-Thermoelemente werden über die Anschlussleiste an der Vorderseite des Ofens an die SPS angeschlossen und dann durch den Ofen zu bestimmten Punkten an einer Vorrichtung geführt, um die Gleichmäßigkeit der Wärme über den gesamten Bereich der Vorrichtung zu überprüfen.
Obwohl sie einige Male verwendet werden können, sind Arbeits- und Mess-Thermoelemente relativ kostengünstig und gelten allgemein als Verbrauchsmaterial – sie werden verwendet und anschließend entsorgt oder recycelt.
Sowohl Arbeits- als auch Mess-Thermoelemente werden in der Regel in Zwölfer-Sets betrieben. Dadurch können Bediener die Temperaturgleichmäßigkeit über verschiedene Zonen hinweg und innerhalb verschiedener Bereiche ihrer Arbeitslast überwachen.
Mess-Thermoelemente werden in der Regel für interne und externe Qualitätssicherungssysteme, Diagnosen und Tests verwendet. An einer herkömmlichen Vorrichtung zur Überprüfung der Temperaturgleichmäßigkeit werden neun Punkte überwacht, um sicherzustellen, dass der Ofen die Wärme gleichmäßig im gesamten Arbeitsbereich verteilt. Zwei weitere Thermoelemente können verwendet werden, um zu überprüfen, ob die Regel- und Übertemperatur-Thermoelemente konsistente Werte melden. Das verbleibende Thermoelement dient als Reserve, mit der Bediener einen bestimmten Ort innerhalb der Heißzone oder einen bestimmten Ort innerhalb der Anlage überwachen können, an dem in der Regel eine höhere Teiledichte herrscht.
Arbeitsthermokoppler können während eines Produktionslaufs verwendet werden, um die Genauigkeit eines Prozesses zu testen und zu überprüfen. Arbeitsthermokoppler werden an Teilehalterungen, Querschnitten von Teilen oder in Teilen mit komplexer Geometrie angebracht und können die Wirksamkeit eines Prozesses melden, wodurch Endbenutzer bessere Rezepturen zur Optimierung der thermischen Verarbeitungsergebnisse entwickeln können.
Mit der Erweiterung der Arbeitsbereiche ermöglicht die Skalierbarkeit von Thermoelementen in Zwölfergruppen eine genauere Prüfung innerhalb der Heißzone. Jedes Raster kann einen bestimmten Abschnitt der Heißzone darstellen, sodass Diagnosen und Prüfungen in größeren Systemen, in denen die Gleichmäßigkeit schwieriger einzustellen ist, vereinfacht werden. Die AMS 2750-Normen legen fest, wie viele Thermoelemente basierend auf dem Volumen der Heißzone in Kubikfuß und der von Ihnen verwendeten Instrumentengruppe erforderlich sind.
Abschließende Überlegungen
Auf dem Markt gibt es eine große Auswahl an Thermoelementen, die jeweils für die Temperaturmessung in unterschiedlichen Umgebungen zuständig sind. Wenn man die Funktion jedes Thermoelements innerhalb eines Systems versteht, lässt sich leichter erklären, wie ein bestimmtes Thermoelement funktioniert, warum ein Typ teurer ist als ein anderer und ob man einen alternativen Typ in Betracht ziehen sollte, der den Produktionsanforderungen besser entspricht.
Haben Sie eine allgemeine Frage zu Thermoelementen? E-Mail parts@ipsenusa.com.
Fordern Sie hier ein Angebot für Thermoelemente oder andere Teile an.