کنترلر دما (ترموستات دیجیتال)

انواع کنترلر دما کدامند ؟

کنترلر دما ، گستره ی متنوعی از دستگاه ها را در بر می گیرند؛ از دستگاه های بسیار ابتدایی که تنها یک نقطه ی تنظیم قابل تغییر با دست دارند تا دستگاه های پیچیده تر که قادرند به صورت خودکار مقدار حداکثر هشت نقطه ی تنظیم را در یک بازه ی زمانی مشخص تغییر دهند.

در انتخاب یک ترموستات دیجیتال می توان به ویژگی های دیگری نیز دقت کرد. یکی از این ویژگی ها قابلیت خود تنظیمی یا تنظیم خودکار است که در آن کنترل کننده دما به طور خودکار باند تناسبی و متغیرهای نرخ و ریست (بازنشانی) مورد نیاز برای کنترل دقیق فرآیند را محاسبه و تنظیم می کند.

یکی دیگر از ویژگی ها، ارتباط سریال است که در آن ترموستات دیجیتال می تواند برای ذخیره و تحلیل داده های جمع آوری شده و همچنین تنظیم خود با یک رایانه ی مرکزی ارتباط برقرار کند (یا به اصطلاح “صحبت” کند). یک ویژگی دیگر، قابلیت هشدار دادن است که می تواند از نوع قفل شونده (ریست دستی) یا غیر قفل شونده (ریست خودکار) باشد.

سطح هشدار کنترلر دما می تواند روی حد بالا یا حد پایین دمای فرآیند تنظیم شود یا حتی به گونه ای می توان آن را تنظیم کرد که اگر انحرافی از دمای نقطه ی تنظیم صورت گرفت، کنترل کننده هشدار دهد. مجهز بودن به زمان سنج یا نشانگر رخداد یک ویژگی مفید دیگر برای کنترل کننده است.

چنانچه کنترل کننده دارای این ویژگی باشد می تواند مدت زمان سپری شده از یک رخداد یا پایان/ شروع یک رخداد را ثبت و ضبط نماید. علاوه بر همه ی این ها، واحدهای خروجی رله یا ترایاک می توانند به سوییچ های خارجی مانند رله های حالت جامد SSR یا کنتاکتورهای مغناطیسی وصل شوند تا بتوانند بارهای بزرگ تا حد 75 آمپر را کلیدزنی کنند.

کنترلر دما PID

سومین نوع ترموستات دما، کنترل کننده ی تناسبی – انتگرالی – مشتقی یا PID است. در این کنترل کننده دما ، به کنترل تناسبی دو نوع تنظیمات دیگر نیز اضافه شده است که سبب می شود کنترل کننده بتواند به طور خودکار تغییرات ایجاد شده در سیستم را جبران کند.

این دو نوع تنظیمات – انتگرال و مشتق – با واحد های مبتنی بر زمان بیان می شوند؛ اما ممکن است به صورت مقادیر معکوس – یعنی متغیر بازنشانی (RESET) و متغیر نرخ (RATE) – نیز بیان شوند.

در این کنترلرهای دما پارامترهای تناسبی، انتگرالی و مشتقی بایستی برای هر سیستم خاص به صورت منفرد و با استفاده از روش “سعی و خطا” تنظیم شوند. از بین سه نوع کنترل کننده دما معرفی شده، PID دقیق ترین و پایدارترین عملکرد کنترلی را دارد. به علاوه PID بهترین انتخاب برای سیستم هایی است که حجم نسبتاً کمی دارند و در نتیجه به تغییرات رخ داده در انرژی اضافه شده به فرآیند به سرعت واکنش نشان می دهند.

استفاده از این کنترلر دما در سیستم هایی که بارهای آن ها تغییرات زیادی دارند توصیه می شود؛ چرا که در چنین سیستم هایی از کنترل کننده انتظار می رود که به دلیل تغییرات مکرر در مقدار نقطه ی تنظیم، میزان انرژی در دسترس یا حجمی که باید کنترل شود، سیستم را به صورت خودکار جبران سازی و کنترل کند.

انواع خروجی های ممکن برای ترموستات دیجیتال

خروجی های کنترلر دما می توانند شکل های مختلفی داشته باشند که متداول ترین آن ها عبارتند از خروجی تناسبی زمانی و خروجی تناسبی آنالوگ. خروجی تناسبی زمانی امکان تزریق توان به بار را در درصدی از یک چرخه ی زمانی ثابت فراهم می سازد.

به عنوان مثال فرض کنید طول یک چرخه ی زمانی 10 ثانیه باشد. حال اگر خروجی کنترلر دما صنعتی روی 60% تنظیم شده باشد، رله به مدت 6 ثانیه تحریک می شود (به عبارت دیگر رله بسته می شود و به آن توان می رسد) و به مدت 4 ثانیه به حالت غیر فعال (باز، فاقد توان) درمی آید. خروجی های تناسبی زمانی در سه شکل مختلف وجود دارند: رله ی الکترومکانیکی، ترایاک یا رله ی حالت جامد متناوب (AC)، پالس ولتاژ مستقیم (DC) (برای راه اندازی یک رله ی حالت جامد خارجی).

خروجی تناسبی آنالوگ معمولاً به صورت یک ولتاژ آنالوگ (بین صفر تا 5 ولت DC) یا جریان آنالوگ (بین 4 تا 20 میلی آمپر) است. سطح سیگنال خروجی تناسبی آنالوگ توسط کنترل کننده تنظیم می شود؛ به عنوان مثال اگر سیگنال خروجی روی 60% تنظیم شود، سطح سیگنال ولتاژ خروجی برابر با 60% از 5 ولت یا 3 ولت خواهد بود. از طرفی اگر خروجی کنترلر دما صنعتی از جنس جریان با بازه ی مجاز تغییرات بین 4 تا 20 میلی آمپر باشد (بازه ی 16 میلی آمپری)، خروجی 60% به معنای جریانی برابر با 4+(16*0.6) یا 13.6 میلی-آمپر است. این نوع ترموستات دیجیتال معمولاً برای شیرهای نسبتی یا کنترل کننده های توان کاربرد دارند.

رله های ترموستات دیجیتال

به طور کلی از دیدگاه اقتصادی رله ی الکترومکانیکی به صرفه ترین انتخاب از بین سه خروجی فوق است و معمولاً در سیستم هایی که طول چرخه ی زمانی آن ها بیشتر از 10 ثانیه است و بارهای به نسبت کوچکی دارند، مورد استفاده قرار می گیرد.

رله ی حالت جامد AC یا پالس ولتاژ مستقیم به دلیل قابلیت اطمینان مناسبی که دارند، در پاره ای از موارد مورد استفاده قرار می گیرند. علت قابلیت اطمینان بالای این نوع خروجی ها آن است که در آن ها بخش متحرکی وجود ندارد. استفاده از دو خروجی تناسبی زمانی فوق در فرآیندهایی که طول چرخه ی زمانی آن ها کوتاه است، توصیه می شود.

البته در این نوع فرآیندها به یک رله ی دیگر نیز نیاز است که بیرون کنترل کننده قرار می گیرد و وظیفه ی آن تأمین توان نوعی مورد نیاز برای تجهیز گرما ساز است. چنانچه خروجی تناسبی زمانی کنترل کننده از نوع رله ی حالت جامد AC باشد، سیگنال کنترلی رله ی حالت جامد خارجی از نوع AC خواهد بود. اما اگر خروجی کنترل کننده از نوع پالس ولتاژ مستقیم باشد، سیگنال کنترلی رله ی خارجی نیز DC است.

پارامترهای نرخ و بازنشانی چه هستند و چگونه عمل می کنند؟

نرخ (RATE) و بازنشانی (RESET) دو پارامتر هستند که کنترلر دما صنعتی از آن ها برای جبران سازی آفست دما و همچنین جابه جایی دما از مقدار مطلوب استفاده می کند. در صورت استفاده از یک کنترل کننده ی تناسبی بسیار به ندرت پیش می آید که حرارت ورودی به سیستم برای ثابت نگه داشتن دما در مقدار مطلوب برابر با 50% باشد.

در نتیجه دما از مقدار مطلوب خود (مقدار نقطه ی تنظیم) بالاتر یا پایین تر می رود تا به یک دمای پایدار برسد. اختلاف بین این دمای پایدار و دمای نقطه ی تنظیم را آفست دما می گویند. آفست دما را می توان به صورت دستی یا خودکار از بین برد. در صورت استفاده از روش بازنشانی دستی، بایستی باند تناسبی را به گونه ای جابه جا کرد که دمای پایدار جدید فرآیند همان دمای نقطه تنظیم باشد.

اما روش بازنشانی خودکار – به بازنشانی انتگرالی نیز مشهور است – از سیگنال انحراف نسبت به زمان انتگرال می گیرد و سپس مقدار این انتگرال را با سیگنال انحراف جمع می کند تا بدین طریق باند تناسبی را جابه جا کند. در نتیجه توان خروجی به صورت خودکار افزایش یا کاهش می-یابد تا به دمای نقطه تنظیم برگرداند.

از طرفی پارامتر نرخ یا تابع مشتق گیر کنترل-کننده ی PID به کنترل کننده قابلیت جابه جا کردن باند تناسبی را به منظور جبران سازی تغییرات سریع در دما می دهد. میزان جابه جایی باند تناسبی متناسب با نرخ تغییرات دما است.

این ترموستات دیجیتال را می توان به گونه ای طراحی کرد که دو خروجی تناسبی – یکی برای گرمایش و دیگری برای سرمایش – داشته باشند. این نوع کنترل کننده های PID در فرآیندهایی که در زمان راه اندازی نیاز به حرارت دارند اما در ادامه ی فرآیند ممکن است در برخی لحظات اضافه حرارت به وجود آید، مورد نیاز هستند.

به هنگام خرید ترموستات دیجیتال برای نیاز خود به چه نکاتی باید توجه کرد؟

هنگام انتخاب کنترل کننده مهم ترین نکاتی که باید در نظر بگیرید، دقت کنترل لازم برای فرآیند مورد نظر شما و میزان پیچیدگی فرآیندی است که باید کنترل شود. چنانچه بخواهید کنترلر دما را انتخاب کنید که دارای ساده ترین تنظیمات و کمترین هزینه ی اولیه باشد، بایستی ساده ترین کنترل کننده ای را که نتایج مطلوب شما را تضمین می دهد، انتخاب نمایید.

برای فرآیندهای ساده که دستگاه گرماساز آن ها کاملاً متناسب با فرآیند است (و ظرفیت اضافه یا کمبود ظرفیت ندارد) و همچنین چرخه های زمانی کوتاهی ندارند، یک انتخاب ساده می تواند کنترلر دما صنعتی روشن – خاموش باشد. اما سیستم هایی که دارای چرخه های زمانی باشند یا سیستم گرما ساز آن ها متناسب با نوع فرآیند نباشد (ظرفیت بیش از حد نیاز یا کمبود ظرفیت داشته باشد)، باید از ترموستات دیجیتال تناسبی استفاده کرد.