انواع ترموستات و نحوه کارکرد آنها

انواع ترموستات‏ها (کنترل کننده‏ های دما) از نظر کاربرد

در زیر انواع ترموستات ها را بر اساس کاربرد مرور میکنیم :

ترموستات‏ های کنترل حرارت

کنترل دمای سیستم گرمایشی احتمالا شناخته شده ترین کاربرد ترموستات است و قطعا کاربردی است که بسیاری از افراد با آن آشنا هستند. ترموستات‏ های کنترل حرارت به منظور تنظیم دمای اتاق یا فرایند استفاده می‏شوند. این دستگاه ‏ها به سیستم کنترل میزان گرمایش، مانند کوره یا دیگ بخار، متصل می‏شوند و زمانی که نیاز به حرارت بیشتر وجود داشته باشد یک سیگنال الکتریکی به سیستم ارسال می‏کند که به این معناست که ترموستات تشخیص داده است دمای هوا کمتر از دمای مطلوب است. این سیگنال باعث فعال شدن یک رله‏ ی کنترل می‏شود که فرایند افزایش حرارت دیگ بخار یا کوره را آغاز می‏کند و موجب انتقال حرارت از طریق جریان هوا یا رادیاتور می‏شود. وقتی که دما به دمای مطلوب رسید، سیگنال ترموستات قطع می‏شود و دیگ یا کوره نیز خاموش می‏شوند. همچنین می توان این فرایند را به صورت برعکس و با کنترل میزان سرمایش (مانند پنکه یا دیگر وسیله سرد کننده) انجام داد.

ترموستات‏ های تنظیم دما

یکی دیگر از کاربردهای شناخته شده ترموستات، استفاده از آن جهت تنظیم دما است. ترموستات‏ های هیترهای برقی دمای محیط را بررسی کرده و جریان برق را در المنت ‏های برقی برحسب نیاز جهت گرم کردن اتاق فعال می‏کنند. همچنین فن‏ های خنک کننده نیز به ترموستات‏ های کنترلی متصل هستند که با استفاده از آن می‏توان بسته به دمای هوا در اتاق، فن را خاموش یا روشن کرد. ترموستات‏ های موجود در تشک ‏های گرمایشی نیز به شکل مشابه به گونه ‏ای عمل می‏کنند که دما در محدوده قابل قبول برای تشک باقی بماند تا از سوختگی آن در اثر تصادفات جلوگیری شود. ترموستات های استخری نیز در هیترهای استخرهای شنا به منظور سنجش دمای استخر به کار می‏رود. مانند سیستم کنترل دمای گرمایش که قبلا در مورد آن صحبت شد، ترموستات استخر نیز سیستم گرمایش استخر را برحسب نیاز جهت افزایش دمای آب به مقدار مطلوب خاموش یا روشن می‏کند. سیستم ‏های آب گرم خانگی نیز از ترموستات‏ های آب گرم استفاده می‏کنند که آکواستات نیز نامیده می‏شود. این ترموستات تعیین می‏کند که آبگرمکن چه زمانی باید روشن و خاموش شود تا آب گرم مصرفی را تامین کند.

ترموستات ماشین

در صنعت خودرو، ترموستات‏ها نقش مهمی ایفا کرده و در چندین قسمت مورد استفاده قرار می‏گیرند. ترموستات‏ های خودرو دمای درون کابین را اندازه گیری کرده و افزایش حرارت یا فعالسازی سیستم تهویه مطبوع را به منظور حفظ دمای سرنشینان مدیریت می‏کند. ترموستات‏ های سیستم سرمایش خودرو و هواپیما، دمای مایع خنک کننده درون خودرو یا هواپیما را کنترل می‏کنند. به این منظور، درشرایط استارت سرد موتور این ترموستات بسته می‏ماند و با افزایش دمای موتور، باز می‏شود تا سیال بتواند در درون رادیاتور یا مبدل حرارتی به گردش درآید. همچنین در سیستم خنک کننده نیز از ترموستات استفاده می‏شود تا دمای مایع خنک کننده یا دمای موتور بررسی شود و در صورت نیاز فن‏ های الکتریکی به منظور مکش هوای بیشتر جهت سرد کردن سیال مربوطه فعال شوند.

ترموستات‏ های پایش

ترموستات‏ های پایش نیز در اجزای کلیدی سیستم مورد استفاده قرار می‏گیرند. ترموستات ‏های روغن جهت حفاظت از موتور و به منظور پایش دمای مایع روان کننده در ماشین‏ ها و موتورها مورد استفاده قرار می‏گیرد. در شفت‏ های دواری که بر روی یاتاقان‏ های استوار هستند، از ترموستات جهت کنترل دمای یاتاقان استفاده می‏شود که می‏تواند پیش بینی کننده‏ ی نیاز به تعمیر و نگهداری از آن باشد. ترموستات‏های موتورهای دیزلی در وسایل نقلیه بزرگ مانند تراکتور-تریلی که میزان خنک کنندگی مورد نیاز وابسته به میزان بار موجود است، دمای موتور را در شرایط مطلوب حفظ می‏کنند. در برخی از طراحی‏ها از دو ترموستات استفاده می‏شود که به صورت دریچه ‏های حرارتی عمل می‏کنند و مقدار خنک کننده‏ ای که در رادیاتور وسیله نقلیه جریان می‏یابد را تنظیم می‏کنند.

ترموستات‏ها در جاهای دیگر نیز مورد استفاده قرار می‏گیرند. مثلا در ازمایشگاه‏ ها جهت حفظ دمای فرایند از ترموستات استفاده می‏شود. ترموستات‏ های محیط‏ های خطرناک در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‏گیرند که ریسک محیط انفجاری وجود دارد. همچنین ترموستات‏ های دستگاه ‏های فروش خودکار نیز جهت کنترل دما در درون این دستگاه ‏ها به کار می‏رود تا نوشیدنی‏ ها خنک بمانند و از آب شدن خوراکی‏ هایی مانند آب نبات جلوگیری شود.

نمونه ای از ترموستات کنترل حرارت

انواع ترموستات از نظر طراحی/کاربرد

طراحی ‏های مختلفی برای ترموستات‏ها وجود دارد که هر کدام از آنها از مواد متفاوت و خصوصیات این مواد به منظور سنجش تغییرات دما و ارسال سیگنال کنترلی به دیگر سیستم ‏ها استفاده می‏کنند.

ترموستات‏ های جیوه ای

یکی از قدیمی ترین انواع ترموستات، ترموستات جیوه ‏ای است. این طراحی از یک کویل حرارتی و یک سوییچ جیوه ‏ای استفاده می‏کند که با یک کلید چرخشی یا یک اهرم دستی بر روی ترموستات کنترل می‏شود. وقتی که با چرخاندن کلید تنظیمات دما افزایش داده می‏شود، این کار باعث می‏شود سوییچ جیوه‏ ای بسته شود و سیگنالی به سیستم گرمایش جهت روشن شدن ارسال شود. با افزایش گرمای هوا، تغییرات دما باعث می‏شود کویل حرارتی باز شود و باعث باز شدن سوییچ جیوه ‏ای شده و موجب خاموش شدن سیستم گرمایش شود.

ترموستات‏ های دوسیم (بی متال)

یک طراحی دیگر برای ترموستات، ترموستات دوسیم (یا بی متال) است. این ترموستات به صورت نواری است که شامل دو فلز مختلف مانند مس و آهن است که ضریب انبساط حرارتی آنها با یکدیگر متفاوت است. وقتی که ترموستات به منظور گرمایش تنظیم شود، مدار بسته می‏شود. با افزایش دما، نوار دوسیم خم می‏شود و باعث باز شدن مدار الکتریکی شده و موجب خاموش شدن سیستم گرمایش می‏شود.

ترموستات الکترونیکی

ترموستات‏ های جیوه ‏ای و دوسیمی ترموستات‏ های الکتریکی هستند و به صورت دستی مورد استفاده قرار می‏گیرند. اما بسیاری از ترموستات‏ های مدرن از نوع الکترونیکی هستند که از جمله ترموستات‏ های دیجیتالی قابل برنامه ریزی نیز از این دسته هستند. مزیت این دستگاه ‏ها این است که قابلیت تنظیم پروفایلی برای گرمایش و سرمایش دارند که نیازهای ساکنین ساختمان را تأمین کند. این ترموستات‏ ها تنظیمات مجزایی برای زمان‏های مختلف روز و روزهای مختلف هفته دارند و به این ترتیب مثلا می‏توانند در زمان شب که افراد مشغول استراحت هستند خنک تر و صبح‏ ها یا در طول روز گرمتر باشند. آخرین تکنولوژی‏ ها در زمینه ترموستات، ترموستات‏ های هوشمند هستند که از قابلیت اتصال وایرلس بهره می‏گیرند که به کاربران امکان تنظیم دما از روی گوشی موبایل و تبلت را می‏دهند.

برخی از انواع ترموستات، ترموستات خط ولتاژ نامیده می‏شوند. چرا که خود ترموستات سیگنال الکتریکی را با سطح ولتاژ استاندارد (در مناطق مسکونی آمریکا ۱۲۰/۲۴۰ ولت) سوییچ می‏کند. اما، بیشتر ترموستات‏ ها با سیگنال‏ های کنترل دارای ولتاژهای پایین تر کار می‏کنند و آن را به یک مدار رله می‏ فرستند که هدف آن تغییر خط ولتاژ مثلا به منظور به حرکت درآوردن پمپ ها در دیگ بخار است.

ترموستات‏ های پنوماتیکی

ترموستات‏ های پنوماتیکی فشار خروجی هوا را در پاسخ به تغییر دما در اتاق تغییر می‏دهند. دو نوع ترموستات پنوماتیکی وجود دارد: عملکرد مستقیم (DA) و عملکرد معکوس (RA). ترموستات‏ های با عملکرد مستقیم با افزایش دمای اتاق فشار خروجی بالاتری را تولید می‏کنند. اما در نوع عملکرد معکوس، با افزایش دمای اتاق فشار خروجی کمتر می‏شود.

ترموستات‏ های مستغرق

ترموستات‏های مستغرق از یک هیتر/کولر مستغرق و پمپ به منظور کنترل دمای حمام سیال در محیط آزمایشگاه یا کاربردهای پزشکی و علمی استفاده می‏کنند.

ترموستات‏ های کنترل از دور

ترموستات‏ های حبابی کنترل از دور یا ترموستات‏ های سنجش از دور دارای سنسور دمای نصب شده در مکانی دور از کنترل ترموستات هستند که گاهی میزان قرائت دما را به صورت وایرلس به ترموستات ارسال می‏کند.

نمونه ای از ترموستات جیوه ای

روش ‏های کنترل دما در عملیات‏ های تولیدی

کنترل دما در تولید بخشی جدایی ناپذیر از تولید محصولات با کیفیت است. اگر در مراحل خاص یک فرایند تولیدی، دما بالاتر یا پایین تر از بازه ایده آل مورد نیاز برود، نتیجه ممکن است زیان بار باشد: روکش با چسبندگی نامناسب، ماده پایه تضعیف شده یا یک محصول غیر قابل استفاده. بنابراین تولید کننده نه تنها باید دمای مناسب هر مرحله را تعیین کند بلکه باید دمای درون ماشین را پایش کرده و بازخورد مناسب را دریافت کند.

کنترلر های دما در عملیات‏ های تولیدی دقیقا به همین منظور به کار گرفته می‏شوند: این کنترلر ها با سنجش دما در مراحل مختلف فرایند و مقایسه آن با مشخصات دمایی تعیین شده، تضمین می‏کنند که ماشین در شرایط مناسب در حال کار است. در نتیجه تولید کنندگان می‏توانند ایرادات ماشین که مرتبط با دما هستند را به سرعت و سهولت متوجه شده و نسبت به رفع آن اقدامات لازم را انجام دهند.

به طور کلی سه نوع کنترلر دما وجود دارد که به منظور پایش دما در فرایندهای تولیدی به کار می‏روند: خاموش/روشن، تناسبی، کنترلهای PID.

ترموستات on/off (کنترلرهای دمای خاموش/روشن)

کنترلر های دمای روشن/خاموش (ترموستات on/off) ارزان ترین نوع کنترلر و ساده ترین نوع از نظر عملکرد هستند. این کنترلرها یا روشن و یا خاموش هستند – اگر دما کمتر از یک مقدار مشخص شود، کنترلر سیگنالی به ماشین می‏دهد تا دما را افزایش دهد. به همین صورت اگر دما از یک مقدار مشخص بالا رود، کنترلر به ماشین اعلام می‏کند که دما را کاهش دهد. مثالی از سیستم‏های روشن/خاموش ترموستات خانگی است. وقتی که دما کمتر از مقدار مشخصی شد، کنترلر هیتر را روشن می‏کند تا دما به مقدار برنامه ریزی شده افزایش داده شود. در تهویه مطبوع عملکرد به گونه دیگری است اگر دما از یک مقدار مشخصی بیشتر شد، کنترلر سیستم تهویه مطبوع را روشن می‏کند تا دما به مقدار قابل قبول برنامه ریزی شده کاهش یابد.

کنترلرهای روشن/خاموش معمولا در فرایندهایی که تغییر دما بسیار کند است و کنترل دقیق دما لازم نیست استفاده می‏شوند.

کنترلر تناسبی

برخلاف کنترلرهای خاموش/روشن که فقط زمانی که دما از بازه مطلوب خارج شد واکنش نشان می‏دهد، کنترلرهای تناسبی به گونه‏ ای طراحی شده اند که قبل از خروج دما از بازه مطلوب واکنش نشان دهند. اساسا، کنترل تناسبی میزان تأمین برق را با نزدیک شدن دما به حد بالا یا حد پایین افزایش یا کاهش می‏دهند که این کار باعث افزایش یا کاهش سرعت هیتر شده و به ثابت سازی دما کمک می‏کند.

بازه دمایی که کنترل تناسبی در آن بازه افزایش یا کاهش تأمین برق را به منظور کاهش یا افزایش سرعت گرمایش انجام می‏دهد “بازه تناسبی” نامیده می‏شود. اگر دما به کران پایین یا بالای خود رسید، این کنترل مانند کنترل روشن/خاموش عمل می‏کند- میزان تأمین برق به طور کامل بالا می‏رود تا دما افزایش یابد و یا به طور کامل پایین می‏آید تا دما کاهش یابد. وقتی که دما در بازه تناسبی قرار دارد، تأمین برق بسته به اینکه دما تا چه میزان نسبت به کران‏های بالا و پایین بازه مطلوب فاصله دارد، کاهش یا افزایش داده می‏شود.

کنترلر PID (تناسبی، انتگرالی، مشتقی)

ترموستات PID ، کنترلر تناسبی را با کنترل انتگرالی و مشتقی ترکیب می‏کند (PID). سیستم PID که در یک باند تناسبی، مانند کنترلر تناسبی، کار می‏کند دو مشخصه دیگر نیز دارد که باعث تقویت قابلیت تنظیم دما می‏شوند. ویژگی تناسبی به کنترلر امکان می‏دهد تا در برابر شرایط کنونی واکنش نشان داده و آن را تنظیم کند. مقدار انتگرالی مجموع وقایع اخیر (یا ریتم کنترل تناسبی گذشته) را در نظر می‏گیرد و مقدار مشتقی نیز واکنش مناسب را براساس نرخ تغییرات ریتم گذشته تعیین می‏کند. به صورت ترکیبی، این سه کنترلر از داده کنونی، داده گذشته و نرخ تغییرات داده‏ای به منظور تنظیم یک الگوریتم برای کنترل دما بهره می‏گیرند. با جبران کردن خطای دمای بین متغیر فرایند و مقدار از پیش تعیین شده، می‏توان یک دمای را به صورت ثابت برقرار کرد. اگر به بحث کنترل pid علاقه مندید ، پیشنهاد میکنیم مقاله ترموستات pid را مطالعه بفرمائید.

نمونه ای از ترموستات ON / OFF

ملاحظات

در تصیم گیری برای انتخاب نوع کنترلر جهت یک فرایند خاص، چندین مسأله باید در نظر گرفته شوند. اولا، نوع سنسور ورودی (ترموکوپل یا RTD) و بازه دمایی مورد نیاز فرایند باید در نظر گرفته شود. دوما، نوع نمایش خروجی باید در نظر گرفته شود: رله الکترومکانیکی، SSR یا خروجی آنالوگ. مورد سوم این است که باید در مورد الگوریتم کنترل دمای مورد نیاز تصمیم گیری شود (خاموش/روشن، تناسبی، PID). در نهایت باید تعداد و انواع خروجی‏ های مورد نیاز برای کاربرد مربوطه در نظر گرفته شود. مثلا گرمایشی، سرمایشی، هشدار و یا محدودسازی. وقتی این عوامل تعیین شدند تصمیم گیری در مورد نوع کنترلر دمای مناسب برای هر کاربرد خاص راحت تر خواهد شد.

خلاصه

در این مقاله به شکل تخصصی به  انواع ترموستات‏ ها پرداختیم و آنها را براساس کاربرد و طراحی/کارکرد دسته بندی کردیم. همچنین مروری بر روش‏های کنترل دما در فرایند های تولیدی ارائه کردیم. برای اطلاعات بیشتر میتوانید با ما درتماس باشید.

منبع

Types of Thermostats and How They Work