ترموستات یا کنترلر دما ( thermostats ) دستگاهی است که برای حس کردن (sense) و تنظیم دمای هوا، سیالاتی نظیر آب یا فرآیندها مورد استفاده قرار میگیرند.
از ترموستاتها میتوان علاوه بر خوانش مقدار دما، برای کنترل، افزایش یا کاهش دما از مقدار موجود به نقطهی معین استفاده کرد.
ترموستات ها را میتوان براساس کاربرد و طراحی/ کارکرد به انواع مختلفی تقسیم کرد. در ادامه به این انواع میپردازیم.
انواع ترموستات (کنترل دما) براساس کاربرد
ترموستات کنترل گرما
بیشترین کاربرد برای ترموستاتها و شناختهشدهترین کاربرد آن برای عام، کنترل گرما است. از ترموستاتهای کنترل گرما به منظور تنظیم دمای هوای اتاق استفاده میشود.
با اتصال این دستگاهها به یک سیستم کنترل دمای گرمایشی نظیر یک کوره یا بویلر، هنگام نیاز به گرما، سیگنالهای الکتریکی را به سیستم آن میفرستیم.
بدین معنی که ترموستات میتواند تشخیص دهد که دمای اتاق به کمتر از حد مطلوب کاهش پیدا کرده است. سیگنال با فعال کردن رلهی کنترل، فرآیند گرم کردن بویلر .یا کوره را آغاز و گرما را با جریان هوا یا از طریق رادیاتور ارسال میکند.
هنگامی که دما از دمای مطلوب بیشتر شود، سیگنال ترموستات خاموش و کوره یا بویلر یا از کار میافتد.
ترموستاتهای هیتر الکتریکی (Electric heater thermostats) دما را حس و در صورت نیاز به گرمایش. اتاق، توان دورهای (cycle power) را به المنتهای گرمایش الکتریکی میفرستند.
فنهای خنک کننده نیز با مجهز بودن به ترموستاتهای کنترل فن، متناسب با دمای اتاق فن را روشن و خاموش میکنند.
ترموستاتهای پد گرمایشی بهمنظور جلوگیری از سوختگیهای تصادفی، به روشی مشابه عمل میکنند تا دمای پد گرمایشی که ممکن است افزایش یابد را محدود کنند.
ترموستاتهای استخر (Pool thermostats) در هیترهای استخر شنا ابه کار میروند تا دمای آب استخر را در حال چرخش درون گرمکن استخری حس کنند.
سیستمهای آب گرم خانگی از ترموستاتهای آب گرم (آکواستات_aquastats) استفاده میکنند. تا بفهمند چه زمانی آبگرمکن باید روشن شود تا آب گرم برای استفاده ایجاد کند.
ترموستات تنظیم دما
ترموستات خودرو (Automotive Thermostats)
ترموستاتها در صنعت خودروسازی نقشی بسیار مهم دارند و در چندین موقعیت به کار میآیند. ترموستاتهای خودرو دمای کابین را کنترل میکنند.
برای افزایش گرما یا فعال کردن سیستم تهویه مطبوع برای حفظ سطح راحتی محفظههای سرنشین استفاده میشوند.
ترموستاتهای سیستم خنککننده خودرو و هواپیما به دنبال تنظیم دمای سیال خنککننده در خودرو یا هواپیما هستند.
با بسته ماندن در شرایط شروع سرد موتور، سپس باز میشوند تا با افزایش دمای موتور، سیال به رادیاتور یا مبدل حرارتی گردش کند.
کنترل ترموستات اضافی بر روی سیستم خنک کننده استفاده میشود. تا دمای مایع خنک کننده یا موتورها را حس کند، فن های الکتریکی را فعال میکند. تا هوای اضافی را از طریق رادیاتور بکشد تا سیال در صورت نیاز خنک شود.
نظارت ترموستاتیک همچنین برای اجزای حیاتی یک سیستم اعمال میشود. ترموستات های روغن برای نظارت بر دمای مایع روان کننده در ماشین ها و موتورها طراحی شده اند تا از حفاظت موتور اطمینان حاصل کنند.
شفت های چرخشی که توسط یاتاقان ها پشتیبانی میشوند ممکن است از ترموستات های بلبرینگ برای نظارت بر دمای بلبرینگ استفاده کنند. که ممکن است به پیش بینی شروع شرایطی که نیاز به تعمیر و نگهداری دارند کمک کند.
ترموستات موتور دیزل برای حفظ دمای مناسب موتور در وسایل نقلیه بزرگ مانند. تریلرها عمل میکند، جایی که نیازهای خنک کننده به بار عملیاتی بستگی دارد.
برخی از طرح ها از دو ترموستات استفاده میکنند که به عنوان شیر (ولو) کنترل دما. برای تنظیم مقدار مایع خنک کننده ای که به رادیاتور خودرو جریان مییابد، عمل میکنند.
مانیتورینگ ترموستات
از ترموستات ها در تنظیمات دیگر مانند آزمایشگاه ها برای حفظ دمای فرآیند استفاده میشود. ترموستات های مکان خطرناک در کاربردهایی استفاده میشوند که ممکن است خطر وجود ریسک انفجاری وجود داشته باشد.
حتی ترموستاتهای خودکاری برای کنترل دما در دستگاه نوشیدنی ها وجود دارد تا نوشیدنیها را سرد نگه دارند. یا از ذوب شدن تنقلاتی مانند شکلات ها جلوگیری کنند.
انواع ترموستات براساس طراحی/کارکرد
طرحهای مختلفی برای ترموستاتها وجود دارد که از مواد مختلف و خواص آنها برای حس کردن تغییرات دما. و ارسال سیگنالهای کنترلی به سیستمهای دیگر استفاده میکنند.
از قدیمیترین ترموستاتها، ترموستاتهای جیوهای (Mercurial Thermostats) است. این طراحی از سیمپیچ حرارتی و یک سوییچ جیوهای استفاده میکند که با یک اهرم یا شاخص دستی روی ترموستات کنترل میشود.
هنگامی که تنظیم دما با چرخاندن صفحه کلید افزایش مییابد، این عمل باعث میشود سوئیچ جیوه بسته شود. و سیگنالی برای روشن شدن سیستم گرمایش ارسال شود.
با شروع گرم شدن هوا، تغییر دما باعث باز شدن سیم پیچ حرارتی میشود. که کلید جیوه را باز میکند و سیستم گرمایش را خاموش میکند.
وقتی دمای تنظیمشده با چرخاندن شاخص افزایش پیدا کند، سوییچ جیوهای بسته میشود و به سیستم گرمایشی سیگنال روشن شدن ارسال میکند.
وقتی هوا گرم شد، تغییر دما باعث میشود سیمپیچ گرمایی باز شود که سوییچ جیوهای را بازکرده و سیستم گرمایشی خاموش میشود.
ترموستات جیوهای
ترموستات دوفلزی (بی-متال) | (Bi-Metal Thermostats)
یکی دیگر از طراحی های مورد آزمایش و واقعی ترموستات، ترموستات دو فلزی است. یک نوار دو فلزی شامل دو فلز مانند برنج و آهن است که ضرایب انبساط حرارتی آنها متفاوت است.
هنگامی که ترموستات برای گرما تنظیم میشود، مدار بسته میشود. با افزایش دمای اتاق، نوار دو فلزی خم میشود و مدار الکتریکی را باز میکند و باعث خاموش شدن سیستم گرمایش میشود.
در حالی که ترموستات های جیوه ای و دو فلزی ترموستات های الکتریکی هستند و به صورت دستی کار میکنند، اکثر ترموستات های مدرن ترموستات های الکترونیکی هستند که شامل ترموستات های دیجیتال قابل برنامه ریزی است.
مزیت این دستگاه ها این است که قابلیت ایجاد پروفیل هایی برای گرمایش و سرمایش متناسب با نیاز ساکنان ساختمان را فراهم میکند.
این ترموستاتها تنظیمات جداگانهای را برای زمانهای مختلف روز و روزهای هفته ارائه میکنند، به طوری که میتواند در عصر هنگام خواب خنکتر و در صبح یا در طول روز که افراد بیدار هستند گرم باشد.
جدیدترین فناوریها برای ترموستاتها گاهی اوقات به عنوان ترموستاتهای هوشمند نامیده میشوند و از اتصال بیسیم استفاده میکنند و کاربران را قادر میسازد تا از تلفنهای همراه و تبلتها برای تغییر شرایط دما در صورت نیاز استفاده کنند.
ترموستات الکترونیک
برخی از طرحهای ترموستات به عنوان ترموستات ولتاژ خطی مینامیم. به این معنی که خود ترموستات سیگنالهای الکتریکی را در سطح ولتاژ کاری استاندارد (120V/240V در محیطهای مسکونی در ایالات متحده) سوئیچ میکند.
ارسال آن به یک مدار رله که هدف آن تغییر ولتاژ خط برای به حرکت درآوردن پمپهای سیرکولاتور در بویلرها است.
ترموستات پنوماتیک
ترموستات های پنوماتیک فشار خروجی هوا را در پاسخ به دمای هوای اتاق تعدیل میکنند. دو نوع ترموستات پنوماتیکی وجود دارد – اثر مستقیم (DA) و اثر معکوس (RA).
دستگاه های مستقیم با افزایش دمای اتاق، خروجی فشار بالاتری تولید میکنند. دستگاه های عمل معکوس با افزایش دمای اتاق فشار خروجی کمتری تولید میکنند.
Immersion Thermostats، معمولاً از هیتر/کولر غوطهور و پمپ برای کنترل دمای سیال در کاربردهای بالینی، آزمایشگاهی یا علمی استفاده میکنند.
ترموستاتهای غوطهور
ترموستاتهای از راه دور
دو نوع، ترموستاتهای حبابی از راه دور (Remote bulb thermostats) و ترموستاتهای سنجش از راه دور (remote sensing thermostats)، حسگرهای حرارتی دارند که در فاصلهای دورتر از کنترل ترموستات قرار میگیرند و مقادیر عددی را بهطور بیسیم ارسال میکنند.
روشهای کنترل دما برای عملیاتهای تولید
کنترل دما در تولید، یک بخش اساسی از شکلگیری محصول است.
درصورتیکه دما به بالا یا پایین محدوده ایدهال موردنیاز برای مرحلهی خاص در فرآیند تولید برسد، نتایج میتوانند نامطلوب باشد.
درنتیجه نهتنها تعیین دقیق و مناسب دما برای هر مرحله ضروری است بلکه پایش دمای درون ماشین و دریافت بازخوردهای مناسب نیز حائز اهمیت است.
کنترلکنندههای دما در عملیات تولید دقیقاً این عملکرد را انجام میدهند: آنها با سنجش دما در مراحل مختلف فرآیند و مقایسه دادهها با مشخصات دمای برنامهریزیشده، اطمینان حاصل میکنند که دستگاه به درستی کار میکند.
در نتیجه، سازندگان میتوانند به سرعت و به راحتی نقص های مربوط به دما را پیدا و در صورت لزوم برای رفع آن اقدام کنند.
سه نوع عمومی از کنترلکنندههای دما وجود دارد که برای پایش دما در طول فرآیندهای تولید استفاده میشوند:
- خاموش – روشن
- تناسبی (Proportional)
- PID
کنترل دمای روشن/ خاموش
On/Off Temperature کمهزینهترین نوع کنترل است و همچنین از نظر نحوه عملکرد سادهترین آن است. در کنترل دمای روشن/ خاموش – اگر دما به زیر یک نقطه خاص کاهش یابد، کنترل به ماشین سیگنال میدهد که دما را بالا ببرد.
به همین ترتیب، اگر دما از یک نقطه خاص بالاتر رود، کنترل فعال میشود تا به دستگاه بگوید دما را کاهش دهد. یک نمونه رایج از سیستم های روشن/خاموش ترموستات خانگی است.
هنگامی که دما از یک نقطه خاص پایین میآید، کنترل کننده هیتر را فعال میکند تا دما را به مقدار مورد نظر برگرداند.
با تهویه مطبوع، به روش دیگری عمل میکند: اگر دما از یک نقطه خاص بالاتر رود، کنترل کننده تهویه هوا را فعال میکند و دما را به حالت نرمال برنامه ریزی شده برمیگرداند.
کنترل روشن/ خاموش اغلب در فرآیندهایی که دما به آرامی تغییر میکند و کنترل دقیق دما ضروری نیست، مورد استفاده قرار میگیرد.
کنترل تناسبی
برخلاف کنترلهای روشن/خاموش، که تنها زمانی پاسخ میدهند که به یک حد تعیینشده رسیده باشد، برای پاسخگویی به تغییر دما قبل از خارج شدن از محدوده مورد نظر طراحی شدهاند.
اساساً، کنترلهای متناسب با رسیدن دما به حد بالا یا پایین یا نقطه تنظیم، منبع تغذیه را افزایش یا کاهش میدهند، که گرما را کند یا سرعت میبخشد و به تثبیت دما کمک میکند.
محدوده دمایی که در آن کنترلهای تناسبی، منبع تغذیه را کاهش میدهند یا افزایش میدهند تا گرمایش کند یا سریع باشد، به عنوان «باند متناسب» یا (proportional band) شناخته میشود.
اگر دما به نقطه تنظیم پایین یا بالاتر برسد، کنترل به عنوان یک کنترل روشن/خاموش کامل عمل میکند. دما یا برای افزایش دما به طور کامل روشن میشود یا برای کاهش دما کاملاً خاموش میشود.
هنگامی که دما در محدوده باند متناسب است و منبع تغذیه کاهش یا افزایش مییابد، گرما نسبت به میزان فاصله دما از نقطه تنظیم افزایش یا کاهش مییابد.
کنترل PID (تناسبی، انتگرالی، مشتقی)
این کنترل کنترل تناسبی را با کنترل انتگرال و مشتق (PID) ترکیب میکند. یک سیستم PIDدر (باند متناسب) به همان روشی که یک کنترل تناسبی انجام میدهد، دارای دو ویژگی اضافه است که تنظیم دمای کلی را بهبود میبخشد.
ویژگی تناسبی به کنترل اجازه میدهد تا به شرایط فعلی واکنش نشان دهد و بر اساس آن تنظیم شود.
مقدار انتگرال مجموع رویدادهای اخیر را در نظر میگیرد (به عبارت دیگر، ریتم های کنترل تناسبی گذشته) و مقدار مشتق، واکنش مناسب را بر اساس سرعت تغییر ریتم های گذشته تعیین میکند.
در ترکیب، این سه از دادههای فعلی، دادههای گذشته و سرعت تغییر دادهها برای تنظیم یک الگوریتم خاص برای کنترل دما استفاده میکنند. با جبران خطای دما بین متغیر فرآیند و نقطه تنظیم میتوان دمای ثابتی را حفظ کرد.
ملاحظات
هنگام تصمیم گیری اینکه کدام نوع کنترل برای یک فرآیند خاص بهترین است، چندین نکته وجود دارد که باید در نظر داشته باشید.
- ابتدا نوع سنسور ورودی (ترموکوپل یا RTD) و محدوده دمایی مورد نیاز فرآیند را در نظر بگیرید.
- ثانیاً، شکلی را در نظر بگیرید که خروجی را باید در آن ببینیم: رله الکترومکانیکی، SSR یا خروجی آنالوگ.
- سوم، تصمیم بگیرید که چه نوع الگوریتم کنترل دما لازم است (روشن/خاموش، متناسب، PID). در نهایت، تعداد و نوع خروجی های مورد نیاز برای برنامه مانند گرما، سرما، زنگ هشدار و محدودیت را در نظر بگیرید.
هنگامی که این فاکتورها مشخص شدند، تشخیص اینکه کدام نوع کنترل کننده دما برای یک برنامه خاص مناسب است بسیار آسان تر خواهد بود.
