ترموستات چیست و چه کاربردی دارد؟

ترموستات Thermostat (کنترلر دما) وسیله‌ای است که تنظیم و نظارت بر کنترل دما را انجام می دهد. کنترل دما نیز به معنای ثابت نگه‌داشتن دما می باشد، به اینصورت که اگر دما بالاتر از میزان مورد نظر بود، دما را کاهش داده و درصورتیکه دما کمتر از مقدار مطلوب باشد، دما را افزایش می دهد.

این مقاله به منظور آشنایی بیشتر با ترموستات می باشد. برای مشاهده و خرید انواع محصولات کنترلر دما با مراجعه به فروشگاه برق و صنعت بین‌الملل (الکتروملل) می توانید با استفاده از فیلتر ها ترموستات مد نظر خود را انتخاب کنید و یا در صورت نیاز از مشاوران تخصصی راهنمایی دریافت کنید.

چرا به ترموستات و عملیات کنترل دما نیاز است؟

وظیفه کنترلر دما و یا به عبارت دیگر ترموستات، انجام تنظیمات لازم برای کاربردهای گرمایشی و سرمایشی است. کنترلر دما، تجهیزات گرمایشی و سرمایشی را کنترل می نماید تا اختلاف بین مقدار تنظیم شده و مقدار فعلی را از بین ببرد. دقت نکردن به ثابت نگه داشتن دما و عدم تنظیم دمای مناسب، می‌تواند مشکلاتی اساسی در زمینه‌ی ایمنی، کیفیت و بهره‌وری به‌همراه داشته باشد.

در کارخانه ها، و سایر واحد های تولیدی و آزمایشی کنترل دما در بسیاری از امور به خصوص مواردی که در لیست زیر ذکر می‌شود، بسیار ضروری است:

• صنایع تولید مواد غذایی
• صنایع شیرینی پذی
• صنایع فولاد
• یخچال
• بهبود کارایی احتراق‌ها
• واکنش‌های شیمیایی
• تخمیر
• خشک کردن
• تبدیل به آهک کردن
• تقطیر
• اکستروژن
• تهویه‌ی مطبوع

الزاما یک کنترل کننده دما برای ثابت نگه داشتن دما در دماهای بالا استفاده نمی شود. همانطور که در لیست بالا هم مشاهده می شود یکی از کاربردهای کنترلر دما برای یخچالها و فریزرها می باشد. بنابراین وظیفه یک کنترلر دما برای این کاربردها کنترل دما در دماهای پایین مانند منفی ۲۰ درجه است.

پارامترهای مهم در تنظیم ترموستات

(Set point(SP: دمایی که میخواهیم به آن دست یابیم.

(Present Value(PV: دمای کنونی که با استفاده از سنسور ها اندازه گیری می شود.

(Out put(OP: مقدار خروجی که به عنوان خروجی از کنترلر دما در نظر گرفته شده تا تجهیزات خروجی مانند هیتر را روشن یا خاموش کنیم.

ترموستات در چه لوازمی کاربرد دارد؟

وسایلی که روزانه‌ که با گرمایش و سرمایش سر و کار دارند، شامل موارد زیر است:

• هیترهای برقی و گازی
• اجاق‌ها و فرهای برقی و گازی
• یخچال
• بخاری خانگی
• تهویه‌ی مطبوع
• رادیاتورها و موتورخانه
• گلخانه‌ها
• دیگ بخار
• فن‌کوئل

به عنوان مثال: آب گرم کن با استفاده از یک ترموستات دمای آب را کنترل می کند و آن را در یک درجه حرارت خاص نگه می دارد. همچنین از کنترلر دما در کوره ها نیز استفاده می شود. به این صورت که درجه حرارت برای کوره تنظیم می شود، یک کنترلر دما درجه حرارت واقعی داخل کوره  را کنترل می کند. درصورتیکه حرارت زیر دمای تنظیم شده برسد، سیگنالی را برای فعال کردن کوره ارسال می کند تا دما دوباره به نقطه تنظیم برسد. در یخچال ها هم از ترموستات استفاده می گردد. بنابراین اگر درجه حرارت بیش از حد زیاد شود، ترموستات اقدام به کاهش دما می کند.

انواع کنترلر دما چیست و چگونه عملکردی دارد؟

کنترلر دما از نوع ON/OFF

کنترلر ON/OFF یکی از ساده ترین نوع کنترلر دما می باشد. خروجی این دستگاه یا ON و یا OFF است و حالت میانه ایی ندارد. کنترلر ON/OFF تنها در صورتی خروجی می دهد که دمای ورودی از عدد پیش تنظیم شده (ست پوینت) دستگاه عبور کند. برای این نوع کنترل دما، درصورتیکه دما زیر عدد ست پوینت باشد خروجی ON می شود (یعنی دستور برای روشن شده هیتر صادر می شود) و هنگامیکه دما بیشتر از عدد ست پوینت باشد، خروجی OFF می شود (یعنی دستور برای خاموش شدن هیتر و یا احتمالا روشن شدن فن صادر می شود). زمانیکه که دما از ست پوینت عبور می کند تا وضعیت خروجی را تغییر دهد دمای پروسه به صورت سیکل وار ادامه پیدا می کند که از دمای زیر ست پوینت بالا برود و یا برعکس. در برخی کاربرد ها این سیکل سریع اتفاق می افتد، بنابراین برای جلوگیری از خرابی کنتاکتورها ، پارامتر “هیسترزیس”، به عملکردهای کنترلر دما اضافه می شود. در حقیقت اگر هیسترزیس نباشد سیستم به احتمال زیاد به حالت ناپایدار خواهد رسید. دلیل این امر با بررسی روش عملکرد کنترلر دما به خوبی آشکار می شود.

سیستمی (مانند فر شیرینی پذی) را در نظر بگیرید که دمای مطلوب آن روی ۸۰ درجه تنظیم شده و دمای فعلی ۲۵ درجه است. سیستم شروع به کار می کند. با توجه به پایین بودن دمای فعلی نسبت به دمای پیش تنظیم شده ترموستات فرمان روشن شدن هیتر را صادر می کند. با گذشت زمان کم کم دمای سیستم بالا رفته و به ۸۰ درجه می رسد. در این لحظه ترموستات فرمان خاموش شدن هیتر را می دهد. اما به دلیل کند بودن فرآیندهای حرارتی، هیتر بلافاصله سرد نمیشود و همچنان تولید گرما دارد. بنابراین دما از ۸۰ درجه کمی بالاتر خواهد رفت. (مثلا۸۸ درجه) حال با توجه به خاموش شدن هیتر و (مصرف انرژی توسط شیرینی های خام) دما شروع به کاهش می کند. دما کم کم از ۸۸ به ۸۰ می رسد و انتظار میرود که به محض عبور دما از ۸۰ به ۷۹ درجه ترموستات،  فرمان روشن شدن هیتر را بدهد. اگر سیستم ما هیسترزیس نداشته باشد این کار رخ می دهد یعنی بلافاصله هیتر روشن می شود و چند لحظه بعد دما از ۸۰ بیشتر می شود و دوباره خاموش می شود اما چون این بار مدت کمی روشن بوده دما در حد یکی دو درجه بالاتر می رود و سپس پایین می آید و این خاموش و روشن شدن های پی در پی هیتر و رله خروجی ترموستات را خراب می کند.

اما اگر ترموستات ما هیسترزیس داشته باشد (مثلا ۵ درجه) زمانی که دما از ۸۰ درجه به ۷۵ برسد هیتر را روشن می کند و بدین ترتیب از خاموش و روشن شدنهای پی در پی جلوگیری خواهد شد. هر چه هیسترزیس عدد کوچکتری باشد دقت دمایی ما بالاتر خواد بود اما احتمال سوختن رله ترموستات و هیتر هم بیشتر خواهد بود.

کنترلر دما از نوع ON/OFF هنگامی کاربرد دارد که به کنترل خیلی دقیق نیاز نباشد، از این روش می توان در تجهیزاتی که مقدار و حجم سیستم بسیا زیاد است و دما بسیار کند تغییر می کند و یا برای آلارم استفاده کرد. یک نوع خاص از کنترلر ON/OFF که برای آلارم استفاده می شود، یک کنترلر حدی یا LIMIT CONTROLLER که در بازار به آن ترمو سوییچ می گویند. ترمو سوییچ نوع رله کوچک است در صورت عملکردسیستم را خاموش می کند و می تواند به صورت دستی و یا اتوماتیک ریست شود تا دوباره سیستم به حالت عملکرد برگردد. ترموسوییچ مدار الکترونیکی ندارد و به صورت مکانیکی نسبت به تغییر دما تغییر حالت می دهد.

کنترلر دما تناسبی Proportional Control

کنترلردماهای تناسبی برای حذف سیکل های ON/OFF ، طراحی شده اند. هنگامیکه دما به ست پوینت می رسد، یک کنترلر تناسبی میانگین پاور اعمال شده به هیتر را کاهش می دهد. تاثیر آن کاهش سرعت هیتر است که باعث می شود دما از عدد ست پوینت تجاوز نکند، در نتیجه دما به عدد ست پوینت می رسد و در همان نقطه ثابت باقی می ماند. این عملکرد تناسبی، با خاموش و روشن کردن خروجی در فواصل زمانی کوتاه، قابل پیاده سازی است. در این نوع عملکرد، نسبت زمان ON و OFF جهت کنترل دما تغییر می کند. این عملکرد، در بازه اطراف ست پوینت اتفاق می افتد. در خارج این بازه، کنترلر شبیه یک کنترلر ON/OFF ساده عمل می کند. هر چند درون آن بازه، خروجی به نسبت اختلاف اندازه گیری شده از ست پوینت، ON و OFF می شود.

کنترل دما PID

کنترل کننده “Proportional- Integral-Derivative controller” PID روشی حلقه بسته (فیدبک دار) برای کنترل یک پارامتر است. اساس کار این کنترلر انتگرال و مشتق است. در این روش که معادله مشخصه آن یک معادله مرتبه ۲ از آن پارامتر می‌باشد با تغییر ضرایب P، I وD   می‌توان پاسخ‌های مختلفی برای نمودار آن پارامتر ایجاد کرد. سرعت پایداری، دقت پایداری و میزان اورشوت “overshoot”  توسط این ضرایب تعیین می‌گردند. این مدل کنترل دقیق ترین و پایدارترین نوع کنترل است و برای سیستم هایی که حجم کمی دارند و نسبت به تغییرات انرژی اعمال شده به سیستم، سریع واکنش نشان می دهند مناسب می باشند.

انواع خروجی ترموستات چیست؟

خروجی رله

خروجی رله در ترموستات فقط دارای دو حالت قطع و وصل می باشد. در این نوع از کنترلر زمانی که دما از مقدار از پیش تعیین شده بگذرد، فرمان قطع یا وصل صادر می‌شود. به دلیل نوسانات دمایی و عملکرد صفر و یک بودن این ترموستات، دستگاه باید عمل قطع و وصل را به طور مداوم انجام دهد. در برخی موارد این مسئله سبب استهلاک و کاهش عمر هیتر می‌شود.

خروجی SSR

خروجی این کنترلرها به صورت ولتاژ (ولت) است که می تواند به یک SSR با تحریک DC فرمان دهد. در این حالت نیز خروجی یا قطع است یا وصل.

خروجی آنالوگ

خروجی در این حالت به صورت آنالوگ می‌باشد که معمولا رنج (۱۰-۰) ولت یا (۲۰-۴) میلی آمپر است. در ترموستات‌هایی که خروجی آنها رله است، به دلیل قطع و وصل مکرر باعث ایجاد تنش درهیتر شده در نتیجه موجب آسیب به هیتر می‌گردد. برای جلوگیری از ایجاد تنش در هیتر می توان از کنترل کننده دما با خروجی آنالوگ یا دستگاه پاور رگولاتور (کنترلر بار) استفاده کرد. بدین ترتیب به جای خاموش و روشن  شدن هیتر، توان هیتر کم و زیاد شده تا دما میزان مورد نظر باقی بماند.

خروجی چندگانه

در برخی ترموستات‌ها علاوه بر رله خروجی اصلی که بر اساس PID کنترلر است، یک یا دو رله دیگر وجود دارند که برای آلارم استفاده می‌شوند. همچنین برخی ترموستات‌ها دارای پورت ارتیاطی RS485 برای ارسال اطلاعات به کامپیوتر نیز هستند.

انواع سنسور ورودی در ترموستات

سنسور RTD

Resistance Temperature Detector که به اختصار RTD نامیده می‌شود نوعی حسگر دمایی است که با تغییرات دما مقدار مقاومت آن نیز تغییر خواهد کرد. در واقع میزان دما بر اساس مقاومت سنسور تعیین می‌گردد. جنسRDT ها ممکن است از فلزات مختلفی باشد. از مهمترین فلزاتی که برای ساخت RTD ها استفاده می‌شود پلاتین، نیکل و مس است. پلاتین بهترین فلز برای استفاده در RTD است. فلز مورد استفاده در RTD باید در مقابل خوردگی مقاوم باشد و همچنین نقطه ذوب بالایی نیز داشته باشد.

ورودی ترموکوپل

ترموکوپل “Thermocouple”  از اتصال یک طرفه دو فلز غیر همجنس تولید می‌شود. با تغییر دما طول یکی از فلزها تغییر بیشتری نسبت به دیگری پیدا می کند که این اختلاف منجر به تولید ولتاژ بسیار ضعیفی در حد میلی ولت در طرف آزاد دو فلز میشود. بسته به نوع فلزهای به کار رفته می‌توان انواع مختلفی از ترموکوپل را در دسترس داشت. ترموکوپل‌ها از نظر دقت، بازه اندازه‌گیری دما، حساسیت و… با هم تفاوت دارند.

پارامتر های مهم جهت انتخاب یک ترموستات

کنترلردما تنها بخشی از یک سیستم کنترل است و جهت انتخاب آن باید کل سیستم مورد بررسی قرار بگیرد. موارد زیر از جمله پارامترهایی است که باید در انتخاب یک کنترلر مورد توجه قرار گیرد.

• نوع سنسور ورودی از چه نوعی است. (ترموکوپل یا RTD)
• چه نوع خروجی در تجهیزات مورد نیاز است. (رله الکترومکانیکی، SSR، خروجی آنالوگ)
• الگوریتم کنترلی مورد نیاز در سیستم چیست. (ON/OFF، تناسبی، PID)
• تعداد و نوع خروجی ها چگونه است. (گرما، سرما، آلارم، LIMIT)
• سایز ترموستات و نوع نصب که تابلویی باشد یا ریلی
• ولتاژ تغذیه ترموستات