انواع ترموستات و نحوه کارکرد آن‌ها

ترموستات­ ها (یا کنترل دما) دستگاه‌هایی هستند که برای حس کردن و تنظیم دمای هوا، مایعاتی نظیر آب یا سایر فرآیندها استفاده می‌شوند. باوجودآنکه با استفاده از ترموستات‌ها می‌توان مقدار دما را خواند اما ترموستات‌ها برای انجام اقداماتی برای افزایش یا کاهش دما از مقدار موجود به نقطه‌ی مشخص، طراحی شده‌اند.

ترموستات‌ها کاربردهای خود را در محصولات و تولیدات مختلفی پیدا کرده‌اند که بعضی از آن‌ها محصولات بسیار مطرح و معروفی هستند

انواع ترموستات­ها (کنترل دما) بسته به کاربرد

ترموستات‌های کنترل گرما

کنترل دمای هیتر شاید پراستفاده‌ترین کاربرد برای ترموستات‌ها باشند و امروزه شناخته‌شده‌ترین کاربرد این وسیله برای عوام محسوب می‌شود. ترموستات‌های کنترل گرما برای تنظیم دمای هوای اتاق استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها به یک سیستم کنترل دمای گرمایشی نظیر یک کوره یا بویلر متصل می‌شود و به هنگام نیاز به گرما، سیگنال‌های الکتریکی به آن سیستم می‌فرستد. این بدان معنی است که ترموستات تشخیص می‌دهد که دمای اتاق به کمتر از حد مطلوب کاهش پیدا کرده است. سیگنال رله‌ی کنترل را فعال می‌کند تا فرآیند گرم کردن بویلر یا کوره را آغاز نموده و گرما را با جریان هوا یا از طریق رادیاتور ارسال کند. وقتی دما از دمای مطلوب بیشتر شد، سیگنال ترموستات خاموش شده و بویلر یا کوره از کار می‌افتد.

ترموستات‌های تنظیم دما

پراستفاده‌ترین محصولاتی که ترموستات در خود دارند، دما را تنظیم می‌کنند. ترموستات‌های هیتر الکتریکی دما را حس کرده و در صورت نیاز به گرم کردن اتاق توان دوره‌ای را به المنت‌های گرمایش الکتریکی می‌فرستند. فن‌های خنک کننده نیز مجهز به ترموستات‌های کنترل فن هستند که بسته به دمای اتاق می‌تواند فن را روشن و خاموش کند. ترموستات‌های پدهای گرمایشی با روندی مشابه برای محدود کردن دمای پد عمل می‌کنند تا از سوختگی‌های تصادفی جلوگیری کند. ترموستات‌های استخر در هیترهای استخر شنا استفاده می‌شوند تا دمای آب استخر را در حال چرخش درون هیتر استخری حس کنند. سیستم‌های آب گرم محلی از ترموستات‌های آب گرم استفاده می‌کنند (که آکواستات[aquastats] نیز نام دارند) تا به هنگام نیاز به روشن شدن هیترهای آب برای استفاده، دمای آب را حس کنند.

ترموستات‌های خودرو

ترموستات‌ها در صنعت خودروسازی نقشی بسیار مهم دارند و در چندین موقعیت استفاده می‌شود. ترموستات‌های خودرو دمای اتاق ماشین را پایش کرده و برای افزایش گرما یا فعال‌سازی سیستم تهویه هوا برای حفظ سطح آسایش مسافرین استفاده می‌شوند. ترموستات‌های سیستم خنک کاری خودرو و هواپیما به دنبال تنظیم دمای سیال خنک کاری در خودرو یا هواپیما به‌وسیله‌ی بسته ماندن در شرایط استارت سرد موتور تا بازشدن برای چرخش سیال درون رادیاتور یا مبدل حرارتی با افزایش دمای موتور است. کنترل ترموستات دیگری در سیستم خنک کاری استفاده می‌شود تا دمای مایع خنک کاری یا موتور را حس کرده و فن‌های الکتریکی برای کشیدن هوا به درون رادیاتور برای خنک کاری سیال را فعال می‌کند.

نظارت بر ترموستات ها

نظارت ترموستاتی نیز به مؤلفه‌های حساس یک سیستم اعمال شده است. ترموستات‌های روغن برای نظارت دمای سیال روان­کاری در ماشین و موتورها برای تضمین حفاظت موتور طراحی شده است. شفت دواری که روی یاتاقان‌ها سوار است را می‌توان برای سوار کردن ترموستات‌های یاتاقان بکار برد تا دمای یاتاقان را نظارت نموده که می‌تواند به پیش­بینی آغاز شرایط تعمیر و نگهداری موردنیاز کمک کند. ترموستات‌های دیزل برای حفظ دمای مناسب موتور روی وسایل نقلیه‌ی بزرگ نظیر کشنده‌ها- تریلرها به کار برده می‌شود. خنک کاری در این موتورهای دیزل به بار عملیاتی وابسته است. بعضی از طراحی‌ها از دو ترموستات استفاده می‌کند که به‌عنوان شیرهای کنترل دما برای تنظیم میزان سیال خنک کاری درون رادیاتور وسیله‌ی نقلیه انجام‌وظیفه می‌کند.

ترموستات‌ها در تجهیزات دیگری نظیر آزمایشگاه‌ها استفاده‌شده‌اند تا دمای فرآیند را حفظ کند. ترموستات‌های موقعیت مخاطره‌آمیز، در کاربردهایی که ریسک انفجار در اتمسفر وجود دارد، بکار برده می‌شوند. حتی ترموستات‌های دستگاه‌های فروشی وجود دارند که دمای درون این ماشین‌ها را به‌منظور خنک نگه‌داشتن نوشیدنی یا جلوگیری از ذوب شدن شکلات‌ها کنترل می‌کند.

انواع ترموستات‌ها بسته به طراحی/ کارکرد

چندین طراحی برای ترموستات وجود دارد که از مواد مختلف و خواص آن‌ها استفاده می‌کند تا تغییرات در دما را حس نموده و سیگنال‌های کنترلی را به سایر سیستم‌ها ارسال کند.

ترموستات‌های جیوه‌ای

یکی از قدیمی‌ترین ترموستات‌ها، ترموستات‌های جیوه‌ای هستند. این طراحی از سیم‌پیچ حرارتی و یک سوییچ جیوه‌ای استفاده می‌کند که با یک اهرم یا شاخص دستی روی ترموستات کنترل می‌شود. 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.

ترموستات‌های دوفلزی (بی-متال)

طراحی سعی و خطایی دیگری برای ترموستات، ترموستات‌های دوفلزی هستند. یک نوار دوفلزی حاوی دو فلز مثل مس و آهن است که ضریب انبساط حرارتی متفاوتی دارند. وقتی ترموستات برای گرمایش تنظیم شود، مداربسته می‌شود. وقتی دمای اتاق افزایش پیدا کرد، نوار دوفلزه خم شدن و مدار الکتریکی را باز می‌کند و سیستم گرمایش را خاموش می‌کند.

ترموستات‌های الکترونیک

باوجودآنکه ترموستات‌های جیوه‌ای و دوفلزی خود ترموستات‌های الکتریکی هستند و به‌صورت دستی عمل می‌کنند، مدرن‌ترین ترموستات‌ها، ترموستات‌های الکترونیک هستند که شامل ترموستات‌های دیجیتالی قابل‌برنامه‌ریزی هستند. مزیت این دستگاه‌ها در آن است که قابلیت بکار گیری پروفایل‌هایی برای گرمایش و سرمایش مطابق با نیازهای ساکنین ساختمان را در خود دارد. این ترموستات‌ها تنظیمات متفاوتی برای زمان‌های مختلف روز و روزهای مختلف هفته دارند. این تنظیمات به نحوی است که عصر به هنگام خواب افراد خنک‌کننده است و در صبح و در طول روز به هنگامی که مردم بیدار هستند، گرمایشی است. جدیدترین فناوری‌ها برای ترموستات‌ها چیزی است که به‌عنوان ترموستات‌های هوشمند شناخته می‌شوند و از ارتباط بی‌سیم استفاده می‌کنند. این ترموستات‌های هوشمند به کاربر امکان تغییر شرایط دمایی به‌وسیله‌ی تبلت یا تلفن‌های هوشمند را می‌دهد.

بعضی طراحی‌های ترموستات را با عنوان ترموستات‌های ولتاژ خط می‌شناسند. این عنوان بدان معنی است که خود ترموستات سیگنال‌های الکتریکی را در سطح ولتاژ کاری استاندارد (120V/240V در وضعیت مسکونی ایالات‌متحده) تغییر می‌دهد. این در حالی است که بیشتر ترموستات‌ها سیگنال کنترلی ولتاژ پایین‌تری را سوییچ می‌کنند و آن را به مدار رله‌ی می‌فرستد که هدف رله تغییر ولتاژ خط به حرکت درآوردن پمپ‌های بویلر است.

ترموستات‌های پنوماتیک

ترموستات‌های پنوماتیک فشار خروجی هوا را در پاسخ به دمای هوای اتاق تنظیم می‌کند. دو نوع از ترموستات‌های پنوماتیک وجود دارد. این دو نوع شامل فعالیت مستقیم (DA) و فعالیت معکوس (RA) می‌شود. دستگاه‌های فعالیت مستقیم با افزایش دمای اتاق، فشار خروجی بالاتری تولید می‌کند. دستگاه‌های فعالیت معکوس با افزایش دمای اتاق فشار خروجی پایین‌تری را تولید می‌کنند.

ترموستات‌های غوطه‌ور

ترموستات‌های غوطه‌ور معمولاً از هیتر/کولر غوطه‌ور و پمپ برای کنترل دمای سیال در کاربردهای آزمایشگاهی، بالینی یا علمی استفاده می‌کنند.

ترموستات‌های از راه دور

ترموستات‌های حبابی از راه دور و ترموستات‌های سنجش از راه دور، 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 اید­ه ­ال موردنیاز برای مرحله‌ی خاص در فرآیند تولید برسد، نتایج می‌توانند نامطلوب باشد (چسبیدن نامناسب پوشش‌ها، ماده پایه‌ی یا مؤلفه‌های متشکل ضعیف). 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 فعالیت‌های تولید دقیقاً چنین کاری انجام می‌دهند: آن‌ها از این تضمین ایجاد می‌کنند که ماشین در مرحله‌های مختلف فرآیند به‌طور مناسبی عمل می‌کند و داده‌های مشخصه‌های دمایی را با برنامه داده‌شده مقایسه می‌کند. درنتیجه تولیدکنندگان می‌توانند به‌سرعت و به‌آسانی عیوب مربوط به دما تشخیص داده و به رفع آن‌ها بپردازند.

سه نوع عمومی از کنترل‌کننده‌های دما وجود دارد که برای پایش دما در طول فرآیندهای تولید استفاده می‌شوند: خاموش – روشن، تناسبی و PID

کنترل دمای روشن/ خاموش

یک کنترل‌کننده خاموش/ روشن ارزان‌ترین نوع کنترل بوده و همچنین ازنظر کاری ساده‌ترین نوع آن‌ها محسوب می‌شود. کنترل به شکل خاموش و روشن است. درصورتی‌که دما از نقطه‌ی مشخص پایین‌تر برود، کنترل سیگنال روشن شدن را به ماشین می‌دهد تا دما را افزایش دهد. به همین شکل، درصورتی‌که دما به بالای این نقطه‌ی مشخص برود، کنترل سیگنال خاموش شدن و کاهش دما را به ماشین می‌دهد. مثالی معمول از سیستم‌های روشن/ خاموش ترموستات‌های خانگی هستند. وقتی دما از حد مشخصی پایین‌تر برود، کنترل‌کننده هیتر را برای افزایش دما و بازگشت به مقدار برنامه‌ریزی‌شده روشن می‌کند. از طرف دیگر این کار را با تهویه مطبوع انجام می‌دهد: درصورتی‌که دما از نقطه‌ی مشخص عبور کند، کنترل‌کننده تهویه‌ی مطبوع را روشن کرده و دما به حد برنامه‌ریزی‌شده بازمی‌گرداند.

کنترل روشن/ خاموش اغلب در فرآیندهایی که دما به‌آرامی تغییر می‌کند و کنترل دقیق دما ضروری نباشد، استفاده می‌شود.

کنترل تناسبی

برخلاف کنترل‌کننده‌های روشن/ خاموش که تنها به هنگام رسیدن به حد مشخص‌شده پاسخ می‌دهند، کنترل‌کننده‌های تناسبی برای پاسخ به تغییر دما قبل از خروج از محدوده‌ی مطلوب طراحی شده‌اند. اساساً، کنترل‌کننده‌های تناسبی منبع تغذیه را با رسیدن دما به حد بالا و پایین، افزایش یا کاهش می‌دهد که سرعت هیتر را برای پایدارسازی دما کم و زیاد می‌کند.

محدوده دمایی که کنترل‌کننده‌های تناسبی منبع تغذیه را متناسب با آن تغییر داده و سرعت هیتر را کم و زیاد می‌کند، «باند تناسبی» نام دارد. وقتی دما به مقادیر پیش‌فرض بالایی یا پایینی برسد، کنترل‌کننده به‌عنوان کنترل‌کننده خاموش/ روشن عمل می‌کند. یعنی برای افزایش دما کاملاً روشن و یا برای کاهش دما کاملاً خاموش می‌شود. وقتی دما درون باند تناسبی باشد و منبع تغذیه افزایشی یا کاهشی شود، گرما متناسب با میزان اختلاف دما با نقطه‌ی تعیین‌شده کم و زیاد می‌شود.

کنترل PID (تناسبی، انتگرالی، مشتقی)

این کنترل‌کننده‌ها، کنترل تناسبی را با کنترل انتگرالی و مشتقی ترکیب کرده‌اند (PID). درون باند تناسبی به شکلی مشابه با کنترل تناسبی عمل می‌کنند ولی سیستم PID دو ویژگی دیگر نیز دارد که کلیات تنظیم دما را بهبود می‌بخشد. ویژگی‌های تناسبی واکنش به شرایط کنون و تنظیم دقیق را امکان‌پذیر می‌کند. مقادیر انتگرالی جمع رویدادهای اخیر (یا به‌عبارت‌دیگر، ریتم کنترل تناسبی گذشته) را در نظر می‌گیرد و مقادیر مشتقی واکنش مناسب را بر اساس نرخ تغییرات ریتم گذشته تعیین می‌کند. ترکیب این سه ویژگی از داده‌های کنونی، داده‌های گذشته و نرخ تغییر داده‌ها برای حفظ دمای پایا استفاده می‌کند.

مفروضات

وقتی در حال تصمیم‌گیری در مورد بهترین نوع کنترل‌کننده هستیم باید چندین مورد را در ذهن داشته باشیم. اول نوع حسگر ورودی (ترموکوپل یا RTD) و محدوده‌ی دمایی فرآیند مربوطه را در نظر بگیرید. دوما شکل ارائه‌ی خروجی را باید در نظر گرفت: خروجی رله‌ی الکترومکانیکی، SSR یا آنالوگ. سوماً در مورد نوع الگوریتم کنترل دمای موردنیاز تصمیم‌گیری شود (خاموش/ روشن، تناسبی، PID). در آخر تعداد و نوع خروجی‌های موردنیاز برای کاربرد خاص نظیر گرمایش، سرمایش، هشدار و محدود را در نظر بگیرید. وقتی‌که این عوامل تعیین شدند، تعیین نوع کنترل‌کننده دمای مناسب برای کاربرد خاص بسیار آسان‌تر می‌شود.

---