Upravljanje Grijacima I Senzori Temperature

FTN, Novi Sad Odsjek: Energetika, elektronika i telekomunikacije Smijer: Mikroračunarska elektronika Predmet: Mehatronika

Projekat Senzori temperature i upravljanje grijačima u konvejerskoj peći za lemljenje SMD komponenti

Čubrilo Miljan

Novi Sad Oktobar 2006.

Sadržaj 1. ZADATAK PROJEKTA:........................................................................................................4 ..................................................................................................................................................4 2. UVOD....................................................................................................................................5 3. KONVEJERSKE PEĆI ZA MONTAŽU SMD KOMPONENTI..............................................6 3.1. Modeli razmjene toplote..................................................................................................................................................8 3.2. Tehnologije konvekcije u konvejerskim pećima za montažu SMD komponenti.......................................................9 3.3. Osnovni parametri konvejerske peći...........................................................................................................................10 3.4. Postavljanje temperaturnog profila.............................................................................................................................11 3.5. Proračun brzine pokretne trake...................................................................................................................................11 3.6. Proračun temperature sekcije grijača..........................................................................................................................11

4. PREGLED METODA MJERENJA TEMPERATURE.........................................................14 4.1. Gasni termometar..........................................................................................................................................................14 4.2. Termometri na bazi širenja tečnosti.............................................................................................................................14 4.3. Manometarski termometri............................................................................................................................................15 4.4. Bimetalni termometri....................................................................................................................................................15 4.5. Otporni termometri.......................................................................................................................................................15 4.5.1. Platinski otporni pretvarači......................................................................................................................................16 4.5.2. NTC termistori.........................................................................................................................................................17 4.5.3. PTC termistori..........................................................................................................................................................18 4.5.4. Silicijumski otporni senzori temperature sa pozitivnim temperaturskim koeficijentom.........................................19 4.6. Mjerenje temperature pomoću termoparova..............................................................................................................21 4.7. Kvarcni termometar......................................................................................................................................................23 4.8. Tranzistor kao senzor temperature..............................................................................................................................23

5. METODE UPRAVLJANJA GRIJAČEM.............................................................................25 5.1. ON/OFF regulacija........................................................................................................................................................26 5.2. Fazna regulacija.............................................................................................................................................................27

2

5.3. Upravljanje snagom grijača cijelim brojem perioda napona napajanja..................................................................28

6. REGULACIJA TEMPERATURE U KONVEJERSKOJ PEĆI.............................................29 6.1. Izabrana metoda regulacije temperature....................................................................................................................29 6.2. Izabrani Senzor..............................................................................................................................................................29 6.3. Aktuator..........................................................................................................................................................................30 6.4. Upravljački blok............................................................................................................................................................31

7. ZAKLJUČAK......................................................................................................................34 8. LITERATURA......................................................................................................................35

3

1. ZADATAK PROJEKTA: 1) Dati rješenje regulacije temperature u konvejerskim pećima za montažu SMD komponenti. 2) Dati pregled senzora za mjerenje temperature i odabrati najpogodniji za primjenu u gore navedenoj peći. Obrazložiti izbor. 3) Dati metode upravljanja grijačem. Izvršiti izbor najpogodnije za gore navedenu primjenu i obrazložiti izbor. 4) Prodiskutovati predloženo rješenje.

Zadatak izdala Dr. Ljiljana Živanov, red. prof.

4

2. UVOD Ovaj projekat je stvoren sa ciljem da opiše senzore temperature, metode upravljanja grijačima i primjeni iste na sistem upravljanja temperaturom u konvejerskim pećima za montažu SMD komponenti. U skladu sa ciljem, treće poglavlje dokumenta opisuje konvejerske peći i njihove osnovne parametre. Četvrto poglavlje je pregled metoda mjerenja temperature. Peto govori o metodama upravljanja grijačem. Na osnovu materije izložene u navedenim poglavljima, u šestom poglavlju je izloženo rješenje sistema regulacije temperature. Ovdje se nije zalazilo u detalje, već je predstavljen plan realizacije. Pri tome akcenat je na upravljanju grijačem i nije objašnjeno upravljenje pokretnom trakom peći niti interfejs sa rukovaocem.

5

3. KONVEJERSKE PEĆI ZA MONTAŽU SMD KOMPONENTI Konvejerske peći za montažu SMD komponenti obezbjeđuju kvalitetan električni i mehanički spoj komponenti sa štampanom pločom, izlaganjem lemne paste odgovarajućem temperaturnom profilu. Temperaturni profil je definisan od strane proizvođača paste i sastoji se iz četiri dijela, redom: zagrijavanje, sušenje, temperaturni pretek i hlađenje. Za svaki od dijelova je proizvođač definisao vremensko– temperaturne granice koje se moraju stogo ispoštovati.

T

t Slika 1. Tipičan temperaturni profil lemljenja SMD komponenti sa osjenčenim različitim djelovima profila

Slikasa 2. Sekcije konvejerske peći. Peć se sastoji iz niza sekcija nezavisnom regulacijom temperature. Kroz sekcije se štampana ploča sa elementima prenosi na pokretnoj traci. Brzina pokretne trake se takođe reguliše, zbog potrebe za preciznim vremenima boravka štampane ploče u sekciji sa određenom temperaturom. Ako ovo ne bi bio slučaj, mašina bi bila pretjerano dugačka za konstantnu brzinu pokretne trake ili bi sekcija sa oblašću temperaturnog preteka (gdje ploča provodi najmanje vremena) bila pretjerano uska. Pokretna traka se stoga pogoni step motorima.

6

Na slici 2 je prikazan presjek konvejerske peći sa ventilatorima forsiranim strujanjem vazduha. Peć je izdjeljena na 4 sekcije, sa namjenom realizovanja različitih dijelova temperaturnog profila. Ploču sa elementima za lemljenje, kroz peć prenosi pokretna traka. Vertikalni otvori na ulazu i izlazu peći su postavljeni zbog omogućavanja pravilne cirkulacije vazduha. Svaka sekcija ima sopstveni grijač sa nezavisnom regulacijom temperature. Sekcije se konstruišu sa ciljem da je regulisana temperatura u njima stabilna i cirkulacija vazduha laminarna, a nipošto turbulentna. Sistem za upravljanje temperaturom u okviru jedne sekcije čine sistem cirkulacije gasa, temperaturni senzor (termopar ili otporni), grijač, elektronsko kolo za prilagođenje i PID upravljačko kolo.

7

3.1. MODELI RAZMJENE TOPLOTE Postoje tri različita načina razmjene toplote u konvejerskim pećima. To su provođenje, konvekcija i infracrveno zračenje. U postupcima lemljenja komponenata za površinsku montažu, najčešći je proces konvekcije, ali treba imati na umu da su druga dva procesa prateće pojave, iako ne dominantne. Da bi došlo do prenosa toplote, mora postojati razlika temperatura između dva tijela. Generalno, što je veća razlika temperatura, to je veća prenesena toplota. Prenošenje toplote provođenjem Prenošenje toplote provođenjem nastaje pod uslovom da se tijela dodiruju. Prenošenje toplote zavisi od toplotne provodljivosti tijela i geometrijskih osobina, kao što su debljina, dužina, ali prije svega od kvaliteta površinskog kontakta tijela. Opšta formula prenosa toplote je:

Q=

K ⋅ A ⋅ ( T1 − T2 ) , ∆X

(1)

gdje su:  Q prenesena toplota [W],  A površina poprečnog presjeka tijela [cm2],

 W   K termalna provodnost  ,  cm ⋅ °C   T1 i T2 temperatura dvaju strana [°C],  ∆X rastojanje. Prenošenje toplote konvekcijom U većini konvejerskih peći za montažu SMD komponenata, konvekcija je osnovni način prenošenja toplote. Prenošenje konvekcijom je proces razmjene toplote između fluida i tijela različitih temperatura. Važna je činjenica da je fluid pokretan i dodiruje tijelo sa kojim razmjenjuje toplotu. Prenesena topota zavisi od konvekcionog koeficijenta, temperaturne razlike i površine dodira.

Q = h ⋅ A ⋅ ( Ta − Tt ) , gdje su:

 W   h je koeficijent konvekcije   cm ⋅ °C   Ta temperatura fluida,  Tt temperatura tijela na koje se prenosi toplota.

8

(2)

Očigledno je da je konvekcioni koeficijent veći sa porastom brzine proticanja fluida. Dvije su vrste konvekcije, prirodna i forsirana. Prirodna nastaje potiskom toplog fluida na gore, zbog temperaturne razlike. Forsirana nastaje djelovanjem mehaničkih komponenti, kao što su ventilatori. Prenos toplote infracrvenim zračenjem Svaki objekat sa temperaturom iznad apsolutne nule odaje infracrveno zračenje. Za razliku od predhodna dva procesa prenosa toplote, ovaj je nelinearna funkcija razlike temperatura.

[

]

Q = Fs ⋅ ε s ⋅ α t ⋅ σ ⋅ A ⋅ Ts4 − Tt 4 ,

(3)

gdje su:  Fs je faktor vidljivosti,  εs je emisiona moć izvora,  αt je apsorpciona moć tijela na koje se prenosi toplota,  σ je Stefan - Bolcmanova konstanta,  A je površina apsorpcione površine [cm2],  Ts i Tt temperature izvora i tijela na koje se prenosi toplota respektivno [°K]. Infracrveni prenos toplote izrazito zavisi od oblika prijemne površine. Koristi se u procesu postavljanja lemnih kuglica na BGA (ball grid array) kućišta. Postavljanjem objekta blizu emisionog izvora, zbog direktnog izlaganja objekta, IC faktor je visok. U konvejerskim pećima, prenos toplote IC zračenjem ima visok udio. Odnos prenesene toplote konvekcijom i zračenjem je od 30 do 70. Ako je, na primjer, postavljena temperatura peći 250°C, temperatura komore grijača sa nizom rupa za cirkulaciju gasa je oko 250°C. Panel grijača zrači proporcionalno sa 2504, pri čemu su poluprovodničke komponente postavljene paralelno sa panelom, te je IC provođenje toplote jako efikasno.

3.2. TEHNOLOGIJE KONVEKCIJE U KONVEJERSKIM PEĆIMA ZA MONTAŽU SMD KOMPONENTI Postoji više načina za postizanje konvekcije gasa u pećima. Uobičajena su dva načina, mehanički ili iskorištavanjem razlike pritisaka. Mehanički podrazumjeva postavljanje ventilatora na pogodno mjesto pored grijača, slično fenu za sušenje kose. Drugi metod se zasniva na težnji gasa da se kreće u oblast nižeg pritiska. Brzina protoka gasa zavisi od razlike pritisaka. U konvekcionim pećima različiti su pritisci između udubljenja sa grijačem i komore (zone). Pod komorom se podrazumjeva prostor gdje se objekti zagrijavaju tokom prolaska na pokretnoj traci kroz peć. Visok pritisak u udubljenjima sa grijačima se ostvaruje ventilatorima, koji usmjeravaju gas ka grijačima. Drugi način je upotrebom izvora sa gasom pod pritiskom, kao što su boce sa azotom, kompresori i slično. Kontrola pritiska gasa u sekcijama grijača sa svodi na kontrolu broja obrtaja ventilatora ili kontrolu protoka gasa. Prednosti upotrebe ventilatora u odnosu na izvore gasa pod pritiskom je u manjoj cijeni uređaja, kao i manjoj potrošnji energije, dok su prednosti

9

kompresora održavanje čistog gasa (najčešće vazduha) u komori, jer se neprestalno uduvava svjež vazduh i jednostavnija je kontrola protoka gasa. U pećima sa ventilatorima, pritisak i protok gasa su veličine nelinearno zavisne od konstrukcije, dimenzija sistema i broja obrtaja ventilatora. U pećima sa kompresorima, ove veličine se jednostavno kontrolišu regulatorom protoka. Najbitnije veličine u prenosu toplote konvekcijom su temperatura fluida i koeficijent konvekcije. Konvekcioni faktor se podešava ili regulacijom broja obrtaja ventilatora ili regulacijom protoka kompresora. Konvekcioni faktor je proporcionalan brzini protoka gasa. Temperatura fluida se podešava postavljanjem temperature zone grijača. Dakle, u konvekcionim pećima se prenos toplote podešava dvjema promjenljivim, kontrolom intenziteta protoka gasa (kontrolom broja obrtaja ventilatora ili regulatorima protoka) i postavljanjem temperature gasa u komori grijača. Mjenjanje protoka gasa ima znatno manji uticaj na prenos toplote u odnosu na promjenu postavljene temperature grijača. Protok gasa u SMD pećima se optimizuje prema fizičkim karakteristikama peći, tako da je i nepoželjno mjenjati protok prilikom podešavanja novog temperaturnog profila. Kada je potrebno postaviti novi temperaturni profil, mjenja se postavljena temperatura grijača.

3.3. OSNOVNI PARAMETRI KONVEJERSKE PEĆI Temperaturna uniformnost je definisana kao temperaturna razlika među objektima koji se obrađuju istovremeno. Ukazuje na sposobnost peći da uniformno grije širinom pokretne trake. Faktor opterećenja ukazuje na procenat iskorišćene pokretne trake. Recimo, ako je faktor opterećenja 50%, to znači da je 50% prostora na pokretnoj traci moguće iskoristiti za lemljenje komponenti na štampanu ploču.

Slika 3. Primjer faktora opterećenja od 50%.

Temperaturna ponovljivost predstavlja temperaturnu razliku među temperaturnim profilima kroz koje su prošli objekti u toku istog programa obrade, tj. predstavlja sposobnost peći da ponovi temperaturni profil tokom dužeg vremena upotrebe. Veoma je važan faktor peći pri realizaciji preciznih vremensko-temperaturnh profila. Jednom postavljeni parametri protoka gasa se ne trebaju mjenjati, jer može doći do pogoršanja faktora temperaturne ponovljivosti. Sa ciljem postizanja željenog oblika temperaturnog profila, inženjeru je na raspolaganju podešavanje brzine pokretne trake i podešavanje temperature sekcije grijača peći za površinsku montažu komponenti. Ove dvije promjenljive definišu jedinstven program peći, često nazivan receptom.

10

3.4. POSTAVLJANJE TEMPERATURNOG PROFILA Tipično je da procesni inženjer programira peć sa ciljem postizanja temperaturnog profila, preporučenog od strane proizvođača komponenti i lemnih pasta. Osnovni dijelovi profila su zagrijavanje (preheat), sušenje (dryout), temperaturni pretek (reflow), hlađenje. Tri su glavna koraka pri postavljanju temperaturnog profila: 1. Računanje brzine pokretne trake i temperature zona grijača peći. 2. Izvršavanje temperaturnog profila uz mjerenje temperature objekta koji se izlaže tom profilu. 3. Popravljanje grešaka i fino podešavanje profila.

3.5. PRORAČUN BRZINE POKRETNE TRAKE Proračun brzine pokretne trake se vrši prema formuli: Brzina Trake = (Ukupna dužina sekcije)/(Vrijeme profila).

(4)

Ukupana dužina sekcije je karakteristika konstrukcije peći, a vrijeme profila je preporučeno od strane proizvođača komponenti koje se postavljaju na štampanu ploču.

3.6. PRORAČUN TEMPERATURE SEKCIJE GRIJAČA T

Slika 4. Primjer temperaturnog profila.

t

Oblik i dužina svake sekcije zavisi od njene namjene u procesu lemljenja i tome je prilagođena. Kao primjer ćemo uzeti da se zagrijavanje realizuje pomoću dvije sekcije, treća i četvrta sekcija realizuju sušenje i temperaturni pretek.

11

Vrijeme boravka objekta u svakoj sekciji se izračunava kao: Vrijeme Boravka = (Dužina Sekcije)/(Brzina Trake).

(5)

Na ovaj način se za svaku sekciju postavlja odgovarajuće vrijeme boravka. Poslednji korak jeste postavljanje odgovarajućih temperatura kutije grijača. Bitno je imati na umu da temperatura koju dostižu objekti na pokretnoj traci nije temperatura fluida. Na primjer, ako je temperatura fluida (kao i kutije grijača) u sekciji temperaturnog preteka 275°C, vršna temperatura temperaturnog profila paste realizovanog u peći je oko 210°C. Najčešće, inžinjer programira peć prema iskustvu, zatim testira profil i uporedi sa željenim, te izvrši ispravke.

a)

b)

c) d)

Slika 5. Realizacija grijačke kutije. a) ventilator koji forsira strujanje vazduha, b) grijački blok, c) temperaturni senzor, d) otvori kroz koje se topao gas usmjerava na štampanu ploču

∆T između temperature gasa i izmjerene temperature test objekta, se može dobiti postavljanjem tri različita profila peći i praćenjem temperatura. Na kraju se sa velikom pouzdanošću može znati ∆T koje se izračuna prostim oduzimanjem. Postavljanjem profila sa različitim brzinama pokretne trake, se dolazi do jednostavnog izraza: Profil1: TemperaturnaRazlika1 = PostavljenaTemp1 - IzmjerenaTemp1 Profil2: TemperaturnaRazlika2 = PostavljenaTemp2 - IzmjerenaTemp2

∆T = M ⋅ ( BrzinaTrake ) + B ,

(6)

gdje su M i B su konstante koje dobijamo iz podataka o temperaturama. Konstanta M se definiše: M = (TempRazlika1 - TempRazlika2)/(BrzinaTrake1 – BrzinaTrake2)

12

(7)

B je konstanta koju dobijamo računski, primjenom mjerenja. Dobijeno ∆T primjenjujemo kao:

jednačine ∆T na rezultate

ŽeljenaTemperatura = PostavljenaTemp - ∆T

(8)

Ovo je jednostavan i efektan način profilisanja temperature peći. Da bi profilisanje bilo odrađeno sa visokom pouzdanosti, inženjer maora da obrati pažnju na dvije stvari. Prva je postavljanje termopara na test primjerak. Termopar mora biti pouzdano postavljen na odgovarajuće mjesto sa minimalnim brojem dodatnih elemenata. Ukoliko su pored termopara postavljeni dodatni elementi, pokazivanje temperature će biti manje nego što bi trebalo, jer se termopar tada teže zagrijava. Najčešće se termopar lemi za neku od nožica elemenata test ploče, visoko temperaturnim lemom. Druga bitna stvar je dužina žica termopara, između tačke mjerenja i mjenog instrumenta. Ova dužina mora biti što manja, ali ne smije biti ni mala zbog uticaja mjernog instrumenta koji upija toplotu i time ometa rad peći.

13

4. PREGLED METODA MJERENJA TEMPERATURE 4.1. GASNI TERMOMETAR Gasni termometar predstavlja najstariji, ali i danas najvažniji termodinamički termometar, pomoću koga se ostvaruje temperaturska skala u širokom rasponu od oko 3°K do 1100°C. Teorijsku osnovu gasnih termometara predstavlja jednačina gasnog stanja realnih gasova, koja ima oblik: pVm=RT+B(T)p+C(T)p2=...

(9)

Koeficijenti B(T), C(T), itd. su tzv. virijalni koeficijenti, specifični za svaki pojedini gas. Kod idealnih gasova svi varijalni koeficijenti su jednaki 0. Za svaki gas, korišćen u gasnoj termometriji, poznati su virijalni koeficijenti sa velikom tačnošću.

4.2. TERMOMETRI NA BAZI ŠIRENJA TEČNOSTI Istorijski gledano, termometri na bazi termičkog, zapreminskog širenja tečnosti predstavljaju prve tipove termometara. Njihov značaj u termometriji je bio izuzetno veliki i oni su sve do donošenja Internacionalne temperaturske skale 1927. godine predstavljali vodeće tipove termometara. Može se tvrditi da čak i danas, kada značaj termometara sa tečnostima sve više opada, oni predstavljaju još uvjek najraširenije i najčešće korišćene termometre. Najpogodnija termometarska tečnost je bez sumnje živa. Njena primjena pokriva opseg od -30 do +280°C. Termometri sa živom se mogu koristiti i na znatno većim temperaturama pod uslovom da se iznad nivoa žive nalazi komprimovan gas - obično azot. Pri pritisku od oko 8×106 Pa (oko 80 bar) se ostvaruje maksimalna granica živinih termometara od oko 800°C. Ova granica se može povećati daljim povišenjem pritiska, ali se kao Slika 6. Živin ograničenje javlja mehanička izdržljivost stakla. Pri visokim termometar temperaturama postoji opasnost od eksplozije visokotemperaturskih termometara sa tečnostima. Donja granica živinih termometara se pomjera do -50°C ako se živi doda 8% talijuma. Ovakvi termometri nalaze primjenu u metrološkim mjerenjima. Za mjerenje temperature ispod -50°C, koriste se neke od organskih tečnosti.

14

4.3. MANOMETARSKI TERMOMETRI Manometarski termometri baziraju svoja rad na činjenici da u zatvorenoj posudi, potpuno ispunjenoj tečnošću, dolazi do porasta pritiska sa porastom temperature. Pritisak u posudi prestavlja mjeru temperature tečnosti, pa se kao indikatori koriste različiti pretvarači za mjerenje pritiska. Najčešću primjenu nalazi manometarski termometar napunjen živom sa Burdonovom cijevi, čija je skala kalibrisana u jedinicama temperature.

4.4. BIMETALNI TERMOMETRI Bimetalni termometri predstavljaju vrlo rasprostranjene, jeftine i pouzdane termometre koji se takođe koriste za kontaktnu regulaciju temperature. Bimetalni termometri se sastoje od dva metala čiji se termički koeficijenti izduženja znatno razlikuju. Metali imaju najčešće oblik traka međusobno čvrsto spojenh i oblikovanih u obliku spirale ili helikoidne zavojnice. Materijal sa većim koeficijentom širenja se nalazi sa spoljašnje strane krivine. Pri porastu temperature usljed različitog širenja dolazi do smanjenja poluprečnika krivine i povećanja ugla namotavanja. To izaziva rotaciu kazaljke neposredno pričvršćene na slobodnom kraju spirale, odnosno helikoidalne zavojnice. Broj namotaja bimetala je proporcionalan sa osjetljivošću termometra. Skala bimetalnih termometara je linearna, a kalibracija se vrši empirijski.

Slika 7. Manometarski termometar

Slika 8. Bimetalni termometar

4.5. OTPORNI TERMOMETRI Najznačajniji otporni termometar predstavlja platinski termometar. On se koristi u metrologiji kao termometar najveće tačnosti i rezolucije i to prije svega kao jedan od instrumenata u ITS-90. Platinski termometar ima primjenu u industrijskim mjerenjima

15

zbog širokog opsega radnih temperatura i odlične stabilnosti. Drugu značajnu grupu otpornih termometara sačinjavaju poluprovodnički pretvarači, prije svega termistori sa negativnim negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC). Osim njih se koriste u manjoj mjeri i druge komponente kao što su silicijumski otporni senzori i termistori sa pozitivnim koeficijentom (PTC). Poluprovodnički termometri se karakterišu velikom osjetljjivošću, užim temperaturnim opsegom i većom nelinearnošću karakteristike. Otporni termometri daju relativno veliki izlazni signal, što znači da ne zahtjevaju primjenu složenijih kola za njegovo mjerenje i prenos na daljinu. Zbog toga se primjena otpornih termometara sve više širi u oblastima u kojima su tradicionalno primjenjivane druge mjerne metode.

4.5.1. PLATINSKI OTPORNI PRETVARAČI Platinu karakteriše više osobina koje je čine najpogodnijim otpornim termometrijskim materijalom. To su prije svega velika postojanost karakteristika, pošto platina slabo hemijski reaguje sa ostalim materijalima. Platina ima visoku tačku topljenja (1769°C) i relativno veliku specifičnu otpornost. Kvalitet platinskog termometra je u toliko bolji u koliko je hemijska čistoća metala veća. Temperaturski koeficijent otpornosti raste sa povećanjem čistoće. Odnos otpornosti na 100°C i 0°C koji trebaju da imaju kvalitetni termometri iznosi R(100°C)/R(0°C)=1,39250. Za uobičajene tehničke primjene se koriste pretvarači manje čistoće kod kojih odnos R(100°C)/R(0°C) iznosi oko 1,385 do 1,390. Krajem 19. vijeka H. Kalendar je ustanovio empirijsku relaciju izmedju otpornosti platinskog termometra i temperature datu izrazom: R(t)=R(0°C)(1+At+Bt2)

(10)

Ova relacija važi za mjerenje temperature iznad 0°C, dok se za opseg mjerenja ispod 0°C koristi relacija: R(t)=R(0°C)[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(11)

Maksimalna temperatura do koje se koristi platinski temometar je tačka očvršćavanja srebra (962°C). Pri velioj brzini hlađenja sa visokih temperatura se javlja promjena otpornosti R(0°C) koja može biti ekvivalentna grešci i do 0,5°C. Ponovnim izlaganjem otpornika višim temperaturama, te laganim hlađenjem, obično se dobija ranija nominalna otpornost R(0°C). Na slici 9 je prikazan platinski pretvarač, zatopljen u tvrdo staklo, koji se koristi za mjerenje temperature u industriji. Platinska žica je namotana na stakleno tijelo preko koga se navlači staklena čaura, koja se zatim zatapa. Nominalna otpornost ovog pretvarača iznosi 100Ω, tzv. Pt100. U novije vrijeme se sve više

16

Slika 9. Spirala od platine, zatopljena u stakleno kućište

upotrebljavaju senzori sa R(0°C)=1000Ω, tzv. Pt1000. Opseg primjene se kreće do oko 500°C. Industrijski termometar ima manju tačnost jer se sastoji od platine manjeg stepena čistoće i što pri zagrijevanju dolazi do mehaničkih naprezanja materijala. Pošto se obično ne zahtjeva vrhunska tačnost, industrijski pretvarači koriste samo jedan par priključnih krajeva.

4.5.2. NTC TERMISTORI Prvi komercijalni termistori sa negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC) za mjerenje temperature su se pojavili početkom tridesetih godina 20. stoljeća, dok je do njihove šire primjene došlo tek krajem 50-ih godina, zahvaljujućirazvoju poluprovodničke tehnologije i potrebama vazduhoplovne tehnike i kosmonautike. Glavna prednost NTC termistora u odnosu na druge temperaturske pretvarače jeste velika osjetljivost koja omogućava konstruisanje jednostavnih i pouzdanih termometara. U električnim mjerenjima temperature, u oblastima kao što su na primjer medicina, biologija, geologija,..., termistori predstavljaju najčešće korišćene temperaturske pretvarače.

800

R[Ω]

NTC

Pt100 100

t[°C] 100

50

Slika 10. R-T karakteristika tipičnog termistora u odnosu na Pt100

Savremeni NTC termistori se proizvode od oksida gvožđa, hroma, magnana, kobalta, nikla, itd. Smješa oksida u prahu se sinteruje na temperaturama iznad 1000°C, čime se formiraju otpornici oblika loptice, diska ili cilindra. Maksimalne radne temperature oksidnih termistora iznose 300°C do 350°C. U poslednje vrijeme se izrađuju visoko temperaturni termistori sa maksimalnim radnim temperaturama do 700°C i čak 1000°C, što je blisko maksimalnim radnim temperaturama platinskog

17

otpornog termometra. U oblasti niskih temperatura, termistori se primjenjuju do nekoliko desetina stepeni kelvina. Otpornost NTC termistora je nelinearna funkcija temperature, koja je pri zanemarljivoj disipaciji data sa:

R( T ) = A ⋅ e

(BT ) ,

(12)

gdje su konstante A i B karakteristične za pojedine termistore. Iz predhodne relacije slijedi da je osjetljivost termistora:

α =−

B . T2

(13)

Osjetljivost otpornog termometra dakle opada sa porastom temperature.

4.5.3. PTC TERMISTORI

ln(R)

P

(10 -10 )Rmin 3

4

N

2Rmin

M

Rmin

T Tc

Slika 11. R-T karakteristika PTC termistora

PTC termistori se prije svega koriste kao senzori koji pri određenoj temperaturi daju odgovarajući diskretni signal. Rijetko se koriste za mjerenje temperature. Mjerni opseg PTC termistora je uzak, ali im je osjetljivost 10× veća u odnosu na NTC termistore. Proizvode se od barijum-titanata (BaTiO3), koji spada u feroelektrike. Barijum-titanat je izolator, ali se dopiranjem donorskih primjesa smanjuje njegova otpornost. Barijum-titanat se dobija sinterovanjem mljevenog materijala na temperaturi oko 1000°C, slično kao NTC termistori. Tipičan izgled statičke R-T karakteristike je prikazan na slici 11. U širokom opsegu ispod Tc otpornost se neznatno smanjuje pri porastu temperature.

18

Porast otpornosti u opsegu između tačaka M i N se može predstaviti izrazom:

R = A ⋅ e B ( T −Tc ) .

(14)

Iznad tačke N otpornost raste sporije, dostiže maksimum, poslije čega opada, slično kao kod običnih poluprovodnika. Brzina eksponencijalnog porasta iznosi 4050%/°C, pri čemu se otpornost povećava 103 do 104 puta u odnosu na Rmin.

4.5.4. SILICIJUMSKI OTPORNI SENZORI TEMPERATURE SA POZITIVNIM TEMPERATURSKIM KOEFICIJENTOM Silicijumski otporni senzori temperature sa pozitivnim temperaturskim koeficijentom temperature su ušli u upotrebu početkom 70. godina 20. stoljeća. Mjerni opseg ovih senzora je relativno uzak i iznosi -50 do 150°C. Ipak, ovaj opseg temperatura je važan jer se koristi u mnogim oblastima kao što je prehrambena industrija, klimatizacija, meteorologija i u uređajima masovne primjene, kao što su kućanski aparati, automobili, silosi, itd. Termometri sa silicijumskim senzorima su jednostavne konstrukcije, lako se linearizuju i niske su cijene. U pogledu mijerne nesigurnosti, koja iznosi 0,3°C do 0,5°C, silicijumski termometri zaostaju za platinskim. U većini praktičnih primjena karakteristike silicijumskih termometara su u potpunosti zadovoljavajuće. 4000

R[Ω]

2500

1000

T[°C]

-50

Slika 12. pretvarača

150

50

R-T

dijagram

silicijumskog

U opsegu -30°C do 120°C zavisnost otpornosti temperature se prikazuje paraboličnom funkcijom R(∆t)=R25(1+α⋅∆t+β⋅∆t2), gdje su:  R25=2KΩ je otpornost na 25°C

19

otpornog

silicijumskog

senzora

od (15)

 ∆t = t - 25°C Koeficijenti parabolične R(t) karakteristike silicijumskog senzora su: Kvadraturni koeficijent β [1/°C2]

Pretvarač

Linearni koeficijent α [1/°C]

Silicijumsk i PTC senzor Platinski otporni senzor

7,68⋅10-3

1,88⋅10-5

3,85⋅10-3

-5,8⋅10-7

Iz tabele se vidi da je linearni koficijent silicijumskog senzora više od dva puta veći od koeficijenta platinskog pretvarača. To ukazuje da osjetljivost silicijumskog pretvarača, u manjim intervalima temperature, veća više od dva puta. Kvadratni koeficijent silicijumskog pretvarača je pozitivan, pa porastom tempeature osjetljivost raste. Iznad 120°C karakteristika R(t) silicijumskog otpornog senzora se prikazuje polinomom trećeg reda.

Slika 13. Linearizacija karakteristike silicijumskog senzora, naponskim i strujnim razdjelnikom

Linearizacija izlaznog signala se ostvaruje postavljanjem prevojne tačke na sredinu mjernog opsega. Otpornost za linearizaciju se dobija rješavanjem jednačine Ui(tp)˝=0.

a)

b)

Slika 14. Linearizacija karakteristike silicijumskog senzora

20

Otpornicima R3 i R4 se podešava 0 izlaznog napona. Osjetljivost mjerenja se podešava odnosom R6/R5. U kolu na slici 14.b se linearizacija postiže paralelnim vezivanjem senzora R(t) i stalnog otpornika R1. Izlazni napon je dat relacijom

U iz = E ⋅

Re ( t ) R2 + 1

(16)

Osjetljivost se podešava naponom E ili otpornošću R2. Nula se reguliše dodatnim razdjelnikom napona. Vremenska konstanta senzora, zavisno od spoljašnjih dimenzija i oblika kućišta, iznosi 7 sec do oko 40 sec u mirnom vazduhu. Odgovarajuće vremenske konstante u mirnom ulju iznose 1 sec i 4 sec respektivno.

4.6. MJERENJE TEMPERATURE POMOĆU TERMOPAROVA Termoparovi se koriste za mjerenje temperature u vrlo širokom rasponu, počev od kriogenih temperatura od 1°K do 2600°C. U svakodnevnoj tehničkoj praksi termoparovi imaju najveći značaj u rasponu počev od oko 300-400°C do 1500°C. Osnovne prednosti termoparova, u odnosu na ostale termometre predstavlja jednostavnost konstrukcije, relativno niska cijena koštanja, tačkast oblik senzora, jednostavnost ugradnje, kao i dobre osobine za dinamička mjerenja temperature. Termoparove karakterišu i loše osobine, prije svega nizak nivo izlaznog signala i ograničen vijek pri višim temperaturama. Ovo je razlog zbog čega se danas termoparovi manje koriste u preciznim mjerenjima temperature. Oznaka termopara

Komercijalni naziv ili hemijski sastav

Temperaturski opseg °C

T J E K S

Bakar – konstantan Gvožđe – konstantan Hromel – konstantan Hromel – alumel Platinarodijum (10%) – platina Platinarodijum (13%) – platina Platinarodijum (30%) – platinarodijum (6%)

-200 do 400 -200 do 700 -100 do 700 -200 do 1000 0 do 1200

Maksimalna temperatura (kratkotrajno zagrijevanje) °C 600 900 900 1300 1600

0 do 1200

1600

300 do 1600

1800

R B

Princip rada termoparova, objašnjen je na modelu sastavljenom od dvije metalne žice različitog sastava, spojene u jednoj tački. U opštem slučaju na otvorenom kraju će postojati razlika potencijala, tzv. termoelektromotorna sila (TEMS), koja zavisi od temperatura Ta i Tb. Za mjerenje temperature pomoću termoparova se koriste instrumenti velike ulazne otpornosti, tako da je struja kroz termopar zanemarljiva. Pod uslovom da je gradijent temperature slobodnih krajeva termopara jednak 0, indukovana TEMS iznosi: E=(S2-S1)(Ta-Tb),

21

(17)

gdje je S Zebekov koeficijent materijala. Ta i Tb temperature na otvorenom i zatvorenom kraju termopara. TEMS odgovara gradijentu temperature duž žice termopara. U koliko bi se nehomogen dio termopara našao u polju sa gradijentom temperature, različit od 0, u njemu se indukuje TEMS. Nije od značaja način na koji je dobijen spoj termopara. Umetanjem nekog drugog komada žice u kolo termopara ne generiše se nikakva dodatna TEMS.

Slika 15. Kompenzacija temperature referentnog spoja pomoću mosta sa otpornim pretvaračem

Termoparovi sa neplemenitim metalima (tipovi termopara T, J, E, K) se masovno koriste u industriji i drugim rutinskim mjerenjima u opsegu ispod 1000°C, kada je potrebna relativno velika osjetljivost uz manju tačnost i nižu cijenu koštanja. T tip se karakteriše velikom osjetljivošću od oko 40μV/°C, koja pri većim temperaturama raste do 60μV/°C, mala otpornost bakra i konstantna otpornost konstantana omogućavaju indikaciju pomoću miliampermetra, pri čemu se u obzir treba uzeti Peltijeov efekat. J tip se koristi u metalurgiji i pogodan je za diferencijalna mjerenja. K tip ima najbolje karakteristike u pogledu radnog opsega, stabilnosti i linearnosti. Pored industrijskih, koriste se za labaratorijska mjerenja. Termoparovi sa plemenitim materijalima su termoparovi posebne namjene, za uslove visokih temperatura, velikih rastojanja između instrumenta i mjesta mjerenja. Kao najbolji visokotemperaturni termopar danas se smatra volfram-renijum koji se može koristiti i do 2600°C. Mjerenja temperature iznad 2000°C je praćeno nizom teškoća, tako da se na ovim temperaturama ne mogu vršiti pouzdana mjerenja termoparom. Kod termoparova za tačnija mjerenja je potrebno

22

kompenzovati temperaturne referentne na mjerenje.

varijacije

okoline

i

uticaj

temperature

okoline

kao

4.7. KVARCNI TERMOMETAR Kvarcni kristal se koristi kao element za stabilizaciju učestanosti elektronskih oscilatora, temperaturno stabilnih. Postoje takvi pravci sječenja kristala kvarca, kada kvarc ima relativno veliku zavisnost rezonantne učestanosti od temperature. Pri tome se dobija dobra linearnost u opsegu -30°C do 150°C.

Slika 16. Blok šeme digitalnih, kvarcnih termometara

Nedostatak kvarcnog termometra je osjetljivost pretvarača na mehaničke potrese i udare, jer je pločica kvarca veoma tanka, kao i visoka cijena ovakvog termometra.

4.8. TRANZISTOR KAO SENZOR TEMPERATURE Poznato je da napon direktno polarisanog PN spoja zavisi od temperature i mijenja se približno linearno sa osjetljivošću -2,2mV/°C. Ovaj metod ne može da parira platinskim ili termometrima sa termoparovima, jer je napon PN spoja neproduktivna veličina, tj. različita za svaki tip PN spoja. Povoljne osobine PN spoja kao senzora temperature je pristupačnost i tačnost mjerenja od 0,5°C do 1°C, što je prihvatljivo u velikom broju tehničkih zahtjeva, kao i oblici kućišta koji su pogodni za realizaciju

23

termometra. Za emitorski spoj pravilno polarizovanog bipolarnog tranzistora, važi aproksimativni izraz:

U be = V g −

k ⋅T α ⋅T r ⋅ ln , q Ic

(18)

gdje su:  α, konstanta zavisna od geometrijskih parametara,  r je određena pokretljivošću manjinskih nosilaca naelektrisanja u bazi i zavisna je od temperature,  q je elementarno naelektrisanje,  Vg potencijal zabranjene zone,  k Bolcmanova konstanta,  T apsolutna temperatura  Ube napon emiterskog spoja. Pri temperaturi manjoj od 100°C i konstantnoj kolektorskoj struji, logaritamski član jednačine je približno konstantan. Napon emiterskog spoja je prema tome linearna funkcija temperature.

Slika 17. Tranzistorski senzor temperature

24

5. METODE UPRAVLJANJA GRIJAČEM Regulacija temperature podrazumjeva mjerenje temperature, poređenje željenom vrijednošću i pojačanje greške, te djelovanje izvršnog organa (grijača).

sa

Slika 18. Sistem automatskog upravljanja

Peć se za potrebe analize regulacije temperature može predstaviti empirijskim matematičkim modelom:

G ( s) =

k ⋅ e −s⋅τ b 1 + s ⋅τ

gdje su:

[°C/W],

(19)

X [ °C ] U [W ]



k, temperaturni koeficijent peći, k =

  

X je srednja temperatura usljed djelovanja srednje snage U.

τ je vremenska konstanta sistema, τb je transportno kašnjenje sistema.

Sve konstante se dobijaju snimanjem karakteristike konkretnog sistema, uključe se grijači sa maksimalnom snagom i posmatra gradijent temperature.

Slika 19. Tipična karakteristika temperature peći kada grijač radi sa maksimalnom snagom Pmax

Pojačanje greške i upravljanje aktuatorom može biti jednostavno ON/OFF ili PID upravljanje. Funkcija prenosa PID sistema je:

25

∞

u ( t ) = K p ⋅ e( t ) + K i ⋅ ∫ e( t )dt + K d 0

de( t ) dt

,

(20)

gdje su:  u(t), izlazni signal kojim se djeluje na izvršni organ,  e(t) je signal greške,  Kp je konstanta proporcionalnog djelovanja,  Ki prestavlja integralno djelovanje koje teži da svede grešku na 0 u stacionarnom stanju. Integralno djelovanje uvodi inertnost u upravljanje.  Kd definiše stepen diferencijalnog djelovanja. Diferencijalno djelovanje povećava dinamiku sistema tj. brzinu djelovanja, međutim sistem sa diferencijalnim djelovanjem postaje osjetljiviji na šum i nestabilan, zbog čega se izbjegava u sistemima. Digitalni oblik PID upravljanja je: k

u ( kT ) = K p ⋅ e( kT ) + K i ⋅ ∑ e( iT ) ⋅ T + K d i =0

e( kT ) − e( ( k − 1)T ) T

.

(21)

Ovaj zakon se najčešće primjenjuje u inkrementalnoj formi kao:

u ( kT ) = u ( (k − 1)T ) + ∆u ( kT ) ,

(22)

jer je manje memorijski i vremenski zahtjevna. Grijačima kao otpornim opterećenjem se upravlja ON/OFF regulacijom, faznom regulacijom ili upravljanjem cijelim brojem perioda.

5.1. ON/OFF REGULACIJA Ovim načinom regulacije se ne obezbjeđuje precizno upravljanje temperaturom. Upravljana temperatura osciluje više ili manje oko željene vrijednosti. Realizuje se najčešće relejem, koji drži grijače uključenim sve dok je temperatura niža od željene. Dostizanjem željene temperature, relej isključuje grijače, ali zbog inertnosti sistema, temperatura i dalje nastavlja da raste, prelazeći željenu vrijednost. Poslije vremena karakterističnog kašnjenja sistema (transportnog kašnjenja), upravljana temperatura opada. Vrijednost manja od željene uključuje grijače, međutim i ovdje postoji transportno kašnjenje jednako prethodnom, zbog koga temperatura opadne ispod željene. Proces se dalje ponavlja, te temperatura neprestano osciluje oko željene vrijednosti. Prednosti su jednostavna konstrukcija sistema.

26

b)

a)

c)

d)

f)

e)

Slika 20. Upravljanje snagom grijača. a) tipično ON/OFF upravljanje, b) fazna regulacija, gdje je odnos efektivnog i maksimalnog napona grijača u zavisnosti od ugla paljenja dat pod d), c) ponašanje sistema ako je upravljanje ON/OFF, e) upravljanje cijelim brojem perioda, napona grijača i f) tipično ponašanje sistema za ovaj način regulacije

5.2. FAZNA REGULACIJA Fazna regulacija je postupak upravljanja grijačima mijenjanjem ugla paljenja prekidača. Prekidači se realizuju antiparalelnim vezama tiristora ili triacima. Problem sa ovakvim načinom upravljanja jesu radio smetnje, gubici energije u toku prekidanja (izraženi kada je ugao paljenja podešen na π/2), kao i nelinearan odnos upravljane snage grijača i ugla paljenja prekidača, što se vidi sa slike 20.

27

5.3. UPRAVLJANJE SNAGOM GRIJAČA CIJELIM BROJEM PERIODA NAPONA NAPAJANJA Ovaj način upravljanja obezbjeđuje kvalitetnu regulaciju temperature. Princip rada je da se u toku svakog perioda upravljanja TU propušta n broj perioda. Dakle električna energija se grijaču isporučuje paketno. Dužina paketa je jednaka periodu upravljanja TU, a energija predata grijaču srazmjerna broju n perioda napona napajanja. n je odredjen PID upravljanjem. Recimo, ako je trajanje perioda TU=2 sec, sa obzirom da je trajanje periode mrežnog napona 20 milisekundi, n može biti u opsegu od 0 do 100. Moguće je djelovati u opsegu od stotog djela maksimalne snage grijača, sve do maksimalne snage, povećavajući za stoti dio maksimalne snage. Tj. postoji 100 nivoa snage kojom se može djelovati u zavisnosti od rezultata PID funkcije prenosa.

P = n⋅

20ms ⋅ PMAX , TU

(23)

Gdje je:  P je snaga grijača,  n je broj perioda mrežnog napona u toku kojih je uključen grijač,  TU je period upravljanja,  PMAX je maksimalna snaga grijača. Mana ovakvog upravljanja može biti vremenska dužina paketa, koja mora biti dovoljno duga za postizanje dovoljnog broja nivoa snage, ali i dovoljno kratka da bi se minimizovalo oscilovanje oko željene vrijednosti pri regulaciji.

28

6. REGULACIJA TEMPERATURE U KONVEJERSKOJ PEĆI Konvekcione peći za montažu SMD komponenata moraju da obezbjede tačan vremensko - temperaturni profil štampanoj ploči na koju se elementi postavljaju. Za kvalitetan mehanički i električni spoj ne smije biti propusta u profilu koji je propisao proizvođač lemne smjese. Kvalitet peći zavisi prije svega od kvaliteta temperaturne regulacije po sekcijama peći. Vremensko – temperaturni profil mora biti podešljiv od strane rukovaoca, zbog čega peć mora posjedovati odgovarajući interfejs sa rukovaocem, u ovom slučaju displej i tastaturu, preko koga se unose parametri profila. Predpostaviću da je peć malog obima proizvodnje, sa širinom pokretne trake od 300mm. Pokretna traka je od nerđajućeg čelika, ljestvičaste konstrukcije. Ventilatori moraju omogućiti protok vazduha brzinom 1m/s. Peć ima 4 sekcije, prve tri dužine 300mm, a poslednja, namjenjena hlađenju, je dužine 400mm.Temperatura se nezavisno reguliše u svakoj od sekcija sa tačnošću ±2°C. Konvejerska peć se napaja trofazno iz mreže 380V/50Hz. Grijači se napajaju monofazno. Snaga pojedinih grijača po sekcijama je 5kW, kao uobičajena vrijednost za navedene dimenzije sekcija.

6.1. IZABRANA METODA REGULACIJE TEMPERATURE Za metodu regulacije biram upravljanje grijačem metodom cijeliog broja perioda napona napajanja, jer smatram da je to najjednostavnji metod upravljanja, sa obzirom na to da je upravljanje digitalno, pomoću mikrokontrolera, i da je snaga grijača linearno zavisna od broja perioda aktivnog stanja grijača. Pri tome za period upravljanja biram 2 sekunde. Sa ovom periodom paketa može se postići 100 nivoa snage grijača, što se uklapa u okvire: predviđena vršna temperatura 400°C, sa tačnošću ± 2°C.

6.2. IZABRANI SENZOR Za primjenu u ovom sistemu, senzor mora zadovoljavati niz karakteristika. Senzor mora imati kratko vrijeme odziva, do 1s. Senzor mora biti linearan, tačnosti ±1°C u opsegu od 0 do 400°C i bez izraženog histerezisa. U uži izbor senzora spadaju platinski senzor Pt100 i termopar tipa T. Pt100 zadovoljava kriterijum opsega mjerenja. Uz pomoć kola za linearizaciju se postiže zavidna osjetljivost i tačnost senzorskog sistema. Nedostatak Pt100 jeste vrijeme odziva, koje je veće nego kod termoparova. Termopar tipa T jeste kombinacija bakar konstantan. T tip je odgovarajući za opseg od 0 do 400°C. Ima visoku osjetljivost od 40uV/°C. Ovo jeste velika osjetljivost u odnosu na ostale termoparove, ali mala u

29

odnosu na NTC termistore, što je osnovni nedostatak. Inertnost senzora je zanemarljiva, zbog čega je ovaj senzor prihvatljiviji u odnosu na otporničke senzore. Bitno je termopar postaviti u zaštitno kućište i montirati na taj način u kutiju grijača, a da se ne unese primjetna inertnost senzora.

Slika 21. Senzorski dio.

Šema na slici jeste kolo senzora temperature. Termopar je na jednoj strani postavljen u kućište i montiran na mjerno mjesto. Na drugoj strani je zalemljen na štempanu ploču, odmah pored otpornog senzora. Otporni senzor je dio mosta i ovdje ima ulogu kompenzaciju temperature referentnog spoja termopara. Reostat u mostu je postavljen umjesto stalnog otpornika, kako bi se mogao podesiti ofset mosta. Econst je stabilan naponski izvor koji se napaja most. Pretpostavka je da je mjesto mjerenja udaljeno od mikrokontrolerske jedinice sa AD konvertorom, kojima se ostvaruje funkcija povratne sprege. Zbog toga se vrši pretvaranje naponskog signala u strujni signal 4 do 20mA.

6.3. AKTUATOR Aktuator sistema je grijač. Napaja se monofazno iz mreže. Njime se upravlja prekidačem, koji mora biti bilateralan, sa malim gubicima energije, mogućnosti uključenja i isključenja u trenucima nule faznog napona. Kao rješenje se nameće triak ili antiparalelna veza tiristora, jer se prekidač uključuje strujnim impulsima na gejtu a kočenje prekidača je pirodno. Gubitci na ovakvom prekidaču su prihvatljivi. Kolo paljenja tiristora mora biti projektovano tako da su tiristori galvanski odvojeni od mikrokontrolera, sa ciljem zaštite kontrolera i korisnika. Korisnik sva podešavanja vrši preko tastature, koja nije galvanski odvojena od kontolerske jedinice. Kolo paljenja pobuđuje tiristore preko transformatora, koji imaju izolacionu ulogu. Pobuđvanje je u skladu sa impulsima detektora nule faze, ali samo ako je signal procesora za taj grijač u stanju logičke 1. Prema tome, kolo pobude tiristora je logički ekvivalentno I kolu. Na ulazu su TTL impulsi, dok je izlaz prilagođen strujnim potrebama gejta tiristora. Detektor nule je prozorski komparator. Na izlazu daje TTL naponske nivoe. Pragovi komparatora se biraju tako da je širina impulsa dovoljna za pravilan rad pobudnog kola, a duža od jedne milisekunde, koliko je procesor zauzet tokom PID proračuna. Sinhro linija je spojena i na prekidnu nožicu mikrokontrolera, kako bi mikrokontroler mogao da

30

vodi evidenciju o broju proteklih perioda, za potrebe regulacije snage grijača cijelim brojem poluperioda.

Slika 22. Šematski prikaz pobudnog kola (lijevo) i detektora nule faze, iste kojom se napaja grijač (desno).

6.4. UPRAVLJAČKI BLOK Upravljačka jedinica se sastoji od AD konvertora, mikrokontrolera i pratećih elektronskih kola sa ciljem ostvarivanja regulacije cijelim brojem poluperioda napona grijača. Upravljačka jedinica svake dvije sekunde preko senzora učita vrijednosti temperatura svake od sekcija, te računanjem PID polinoma na osnovu predhodne i trenutne vrijednosti senzora, te koeficijenata Kp, Ki, Kd određuje snagu kojom grijač djeluje tokom sljedeće dvije sekunde. Ovaj vremenski interval je period regulacije, izabran tako da bi se omogućila dovoljna širina opsega djelovanja aktuatora. Procesorska jedinica i AD konvertor moraju biti tako izabrani da se svi proračuni obave u periodu od maksimalno jedne milisekunde, kako vrijeme konverzije i zauzetost procesorske jedinice ne bi značajno uticala na regulaciju. Preporuka je da se za svaki kanal regulacije obezbjedi vremenski pomak među periodima regulacije od jedne periode mrežnog napona, kako bi se rasteretila procesorska jedinica i obezbjedilo korišćenje sporijih AD konvertora.

31

Slika 23. Upravljački blok

Signal on/off procesora koji određuje da li je grijač uključen ili ne i ulazna je veličina pobudne jedinice se realizuje pomoću brojača unutar softvera mikrokontrolera. Po jedan brojač je dodjeljen svakom grijaču. Naime, za svaku fazu koja se koristi postoji detektor nule. Impulsi detektora nule faze, izazivaju hardverske, spoljne prekide mikrokontrolera. U toku obrade izazvanog prekida se umanjuje vrijednost brojača, grijača koji se napaja sa te faze. Ako je vrijednost brojača veća od nule, linija on/off, grijača kome je dodjeljen brojač, je postavljena na logičku jedinicu, obrnuto je stanje linije logička nula. Stanje linije ostaje u stanju logičke nule, sve do početka sljedećeg perioda regulacije, kada se u brojač upisuje broj, jednak broju perioda u toku kojih će grijač biti aktivan. Mikrokontroler mora sadržati operativni sistem sa radom u realnom vremenu (RTOS), koji opslužuje displej i tastaturu, kao interfejs sa sa korisnikom. RTOS mora da vodi računa o vačdog tajmeru i vrši obradu grešaka do kojih dođe. Sva podešavanja vezana za definisanje temperaturnog profila, korisnik vrši korišćenjem usluga RTOs-a. Ovo podrazumjeva unošenje programa kojim se definiše temperaturni profil (potavljanje karakterističnih temperatura i brzine pokretne trake po sekcijama). Hardverska organizacija je takva da je sva periferija memorijski mapirana (ADC, AMUX, LATCH OUT). Analogni multiplekser omogućuje mjerenje temperature po

32

sekcijama (akvizicioni kanali). Akvizicioni kanal se bira unosom rednog broja kanala u AMUX leč. Vrijednost on/off signala za grijače se postavlja upisom odgovarajuće vrijednosti u LATCH OUT registar. Između AMUX-a i AD konvertora se nalazi kolo za prilagođenje strujnog signala senzora naponskim ulazima AD konvertora. Prije upotrebe, se vrši podešavanje broja obrtaja ventilatora i vrijednosti PID konstanti. Ove vrijednosti nisu predviđene da budu mjenjane od strane korisnika. Moraju se izabati tako da se dobije optimalan vremenski odziv regulacije. Ove vrijednosti zavise od fizičkih karakteristika peći (dimenzija, oblika, upotrebljenih materijala). Postavljaju se snimanjem vremenske karakteristike ponašanja temperature za djelovanje maksimalne snage grijača, za svaku sekciju posebno. Na osnovu rezultata se formira matematički model i pomoću simulacije i metoda optimizacije (korišćenjem softverskih alata kao Matlab na primjer) se određuju PID koeficijenti i optimalane vrijednosti broja obrtaja ventilatora.

33

7. ZAKLJUČAK Konvajerska peć je složen mehatronički sistem, sa zadatkom realizovanja preciznih vremensko - temperaturnih profila. Osnovni metod prenosa toplote na lemnu pastu je konvekcijom toplog vazduha od grijača ka komponentama koje se leme. Strujanje vazduha se postiže djelovanjem ventilatora, koji se biraju prema dimenzijama sekcija peći. U svrhu regulacije temperature peći se kao senzori biraju termoparovi jer imaju brz odziv uz zadovoljavajuću tačnost. Upravljanje temperaturom je najčešće digitalno, iz razloga pouzdanosti. Snaga grijača se reguliše metodom cijelog broja perioda, jer je to jednostavan i precizan metod obzirom da je upravljanje sistemom digitalno.

34

8. LITERATURA       

Bilješke sa predavanja iz predmeta Mehatronika, predavači dr. Laslo Nađ, dr. Ljiljana Živanov, dr. Borovac Branislav. Bilješke sa predavanja iz predmeta Upravljačka i procesna elekotronika, predavač mr. Željko Grbo. Fizičko-tehnička merenja, Stanković Dragan, Naučna knjiga, Beograd 1987. god. Fundamentals of BGA ball attach reflow process, Michael Ko. Reflow Oven for a Pb-Free Soldering Process, Kosuke Nakao, Atsushi Hiraizumi and Etsuko Iwasaki. Solder Reflow Technology Handbook, Research International. www.wikipedia.org

35