Par Chuck Reed, spécialiste des ventes du service client d'Ipsen
Les thermocouples jouent un rôle essentiel dans le traitement thermique, en fournissant des données de température précises qui permettent aux systèmes de four de fonctionner de manière sûre et constante. Ils sont conçus pour résister à des conditions extrêmes et sont utilisés pour détecter les températures hors plage, vérifier l'uniformité des fours et surveiller les températures tout au long d'un cycle de production.
Les thermocouples fonctionnent en reliant deux fils métalliques dissemblables (par exemple, nickel et cuivre, ou platine et rhodium) pour former une jonction de détection. Lorsque cette jonction est exposée à la chaleur, elle génère une petite tension, une réponse connue sous le nom d'effet Seebeck. La relation entre la température et cette tension de sortie est bien définie pour chaque type de thermocouple, ce qui permet aux commandes du four d'interpréter la température dans une plage spécifique.
Bien que les thermocouples puissent être utilisés à des températures très élevées ou très basses, chaque type de thermocouple a sa propre plage de température utilisable et sa propre sensibilité, en fonction des matériaux utilisés.
Dans un four à vide, Certains thermocouples sont utilisés spécifiquement pour fournir des informations aux commandes de température, informations qui indiquent quand les éléments doivent être activés ou désactivés au cours d'un processus. D'autres thermocouples sont utilisés pour un seul cycle de production ou un petit nombre de cycles afin de s'assurer que les recettes fournissent les températures correctes à l'endroit où se trouvent les pièces dans le four.
Pour les opérateurs de fours à vide Ipsen, il existe deux types de thermocouples les plus courants : les thermocouples semi-permanents contrôle et surchauffe thermocouples, et les réutilisables et jetables travail thermocouples qui sont utilisés pour les enquêtes sur la production et l'uniformité.
Thermocouples de contrôle et de surchauffe
Pénétrant par le côté du four, les thermocouples de contrôle et de “ surchauffe ” sont des composants technologiques sophistiqués et délicats. Les catégories de thermocouples les plus fréquemment utilisées ici sont les suivantes type S, R, ou B. (Voir graphique)
Dans un exemple, un fil de platine-rhodium s'étend depuis le connecteur terminal par le biais d'un Tube en Inconel à l'extérieur du four, puis à travers un intérieur manchon en céramique qui apparaît à l'intérieur du four. (Voir photos) Le thermocouple se monte à l'extérieur du four, à l'aide d'un raccord qui permet de régler la profondeur. La profondeur d'insertion du thermocouple de contrôle doit être précise et mesurée, car il contrôle la température de fonctionnement du four. Cela peut faire la différence entre la réussite ou l'échec d'un contrôle d'uniformité de la température (TUS).
À l'intérieur, les embouts en céramique des thermocouples de contrôle et de surchauffe dépassent légèrement des éléments chauffants, d'où ils peuvent transmettre les informations au PLC. Ils sont suffisamment sensibles pour mesurer avec une précision de zéro à 2 degrés Fahrenheit, une plage spécifiée par les exigences du processus et les normes AMS 2750.
Chacun de ces thermocouples a une fonction spécifique :
- Le thermocouple de contrôle renvoie des informations au PLC afin que les commandes puissent choisir d'augmenter la puissance des éléments et d'élever la température, de réduire la puissance des éléments et d'abaisser la température, ou de maintenir l'état actuel.
- Les thermocouples de surchauffe assurent la sécurité du processus en déclenchant une alarme au niveau des commandes du four si la température à l'intérieur de celui-ci dépasse la température requise par la recette. Ils peuvent également servir de dispositif de sécurité contre les températures maximales de l'équipement afin d'éviter d'endommager les pièces et les composants du four, y compris la zone chaude.
Pour garantir la précision de chaque processus, ces deux sondes doivent fournir les mêmes informations. Dans certains fours, la précision de la sensibilité des thermocouples de contrôle peut permettre d'obtenir un résultat d'étude de l'uniformité de la température de plus ou moins 5 degrés F ou de plus ou moins 10 degrés F dans une zone de travail donnée, en fonction de la plage de fonctionnement du four à vide et de la classe de qualification AMS. C'est incroyablement précis dans des systèmes pouvant fonctionner entre 1 000 et 2 500 degrés F.
Comme leurs embouts en céramique pénètrent dans la zone chaude où les pièces sont chargées et déchargées, il est important d'avoir des thermocouples de rechange à portée de main. Il n'est pas rare que l'un de ces thermocouples soit ébréché ou fissuré si un lot n'est pas chargé dans le four en toute sécurité.
Ipsen recommande également de vérifier la dérive de précision de température d'un thermocouple au moins une fois par an, et de remplacer le thermocouple si cette dérive dépasse la certification du thermocouple. Un test de précision du système peut être effectué pour déterminer l'état de la dérive.
Thermocouples de travail et de mesure
Les thermocouples de travail et de mesure se présentent souvent sous forme de bobines de fil ou d'assemblages à plusieurs conducteurs. Ils sont généralement fabriqués à partir d'alliages contenant des éléments tels que le nickel, le chrome, le silicium, l'aluminium ou le magnésium. Les catégories de thermocouples les plus fréquemment utilisées à des fins de travail et de mesure sont les suivantes type K ou type N.
Les thermocouples de travail et de mesure sont connectés au PLC via le panneau de prises situé à l'avant du four, puis traversent le four jusqu'à des points désignés sur un dispositif de fixation, ce qui permet de vérifier l'uniformité de la chaleur sur toute la plage du dispositif de fixation.
Bien qu'ils puissent être utilisés plusieurs fois, les thermocouples de travail et de mesure sont relativement peu coûteux et largement considérés comme des produits consommables : ils sont utilisés, puis jetés ou recyclés.
Les thermocouples de travail et de surveillance fonctionnent généralement par lots de douze. Cela permet aux opérateurs de contrôler l'uniformité de la température dans différentes zones et dans différentes parties de leur charge de travail.
Les thermocouples de contrôle sont généralement utilisés pour les systèmes de qualité internes et externes, les diagnostics et les essais. Un dispositif traditionnel de contrôle de l'uniformité de la température comporte neuf points qui sont surveillés afin de s'assurer que le four diffuse la chaleur de manière uniforme dans toute la zone de travail. Deux thermocouples supplémentaires peuvent être utilisés pour vérifier que les thermocouples de contrôle et de surchauffe indiquent des valeurs cohérentes. Le thermocouple restant sert de réserve que les opérateurs peuvent utiliser pour surveiller un emplacement spécifique dans la zone chaude ou un emplacement spécifique dans l'installation où la densité des pièces est généralement plus élevée.
Les thermocouples de travail peuvent être utilisés pendant un cycle de production pour tester et vérifier la précision d'un processus. Fixés à des fixations de pièces, à des sections transversales de pièces ou insérés dans une pièce à la géométrie complexe, les thermocouples de travail peuvent rendre compte de l'efficacité d'un processus, aidant ainsi les utilisateurs finaux à concevoir de meilleures recettes afin d'optimiser les résultats du traitement thermique.
À mesure que les zones de travail s'étendent, la possibilité d'augmenter le nombre de thermocouples par lots de douze rend les tests plus précis dans la zone chaude. Chaque grille peut représenter une section spécifique de la zone chaude, ce qui facilite les diagnostics et les tests dans un système plus grand où l'uniformité peut être plus difficile à obtenir. Les normes AMS 2750 dictent le nombre de thermocouples requis en fonction du volume en pieds cubes de la zone chaude et du groupe d'instruments particulier auquel vous êtes abonné.
Considérations finales
Il existe une large gamme de thermocouples sur le marché, chacun étant destiné à mesurer la température dans divers environnements. En comprenant le rôle de chaque thermocouple au sein d'un système, il devient plus facile d'expliquer le fonctionnement d'un thermocouple donné, pourquoi un type coûte plus cher qu'un autre et s'il convient ou non d'envisager un autre type qui pourrait mieux répondre à vos besoins de production.
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