کنترلر دما یا ترموکنترلر ThermoController ابزاری است که جهت حفظ و کنتذل دما در یک مقدار معین به کار می رود. در بسیاری از فرایندهای تولیدی و صنعتی لازم است تا دمای یک فرایند و یا مواد سازنده یک محصول بطور دقیق کنترل شده تا منجر به تولید یک محصول مناسب گردد. خرید کنترلر دما بطور گسترده در اغلب صنایع الزامی و رایج است. به عنوان مثال در صنایع سرامیک لازم است که دمای پخت کاشی داخل کوره دائما یک مقدار ثابتی باشد چرا که در غیر این صورت محصول خروجی دارای اشکالات بسیاری خواهد بود. همچنین به عنوان مثال در خشک کن ها نیز لازم است دمای داخل خشک کن بطور مداوم کنترل گردد تا محصول یا مواد خروجی خشک کن دارای کیفیت لازم جهت انتقال به مراحل بعدی فرایند تولید را داشته باشند. شاید ملموس ترین مثال از کاربرد کنترلر دما که می توان عنوان کرد یخچال آشپزخانه باشد، دمای یخچال باید در یک محدوده معین ثابت بماند. در صورت بالا رفتن یا پایین آمدن دمای داخل یخچال مواد غذایی داخل یخچال موادغذایی داخل آن قابلیت استفاده را نخواهند داشت.

کنترلر دما همانطور که از نام آن مشخص است در مواردی استفاده می گردد که نیاز به ثابت نگه داشتن دما در یک مقدار مشخص می باشد. در بسیاری از موارد لازم است که یک شی یا یک پروسه تولیدی گرم یا سرد شده و در یک دمای معین (set point) بدون توجه به تغییرات دمای محیطی ثابت بماند. ساده ترین نوع کنترلر دما که ساختار مکانیکی دارد و هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد ترموستات می باشد. ترموستات تشکیل شده از دو تیغه روی هم با دو جنس مختلف که دارای ضرایب انبساط طولی مختلف می باشند. در حالت عادی اتصال الکتریکی بین دو تیغه برقرار است. با در معرض حرارت قرار گرفتن این تیغه ها به دلیل اینکه تیغه ها از جنس مختلف و ضریب انبساط طولی مختلف هستند خم شده و تیغه ها از یکدیگر جدا شده و اتصال الکتریکی بین آنها نیز قطع می گردد. در واقع این دو تیغه همانند کنتاکت های یک کلید عمل می کند. ترموستات ها در خودرو ، موتور های کمپرسور یخچال (به عنوان محافظ) موتورخانه های خانگی و صنعتی کاربرد دارند.

بطور کلی جهت کنترل حرارت از دو روش استفاده می شود: روش حلقه باز (Open Loop) و روش حلقه بسته (Closed Loop)

در روش کنترل حلقه باز حرارت یا برودت بطور پیوسته به سیستم اعمال شده و بازخورردی(Feedback) از حرارت یا برودت واقعی نداریم. بطور مثال در کولرهای آبی منازل ، برودت بطور پیوسته در اتاق اعمال می شود و هیچکونه فیدبکی از دمای واقعی اتاق جهت خاموش یا روشن کردن کولر بطور اتومماتیک وجود ندارد.

در روش کنترل حلقه بسته توسط یک سنسور(سنسور حرارتی) نمونه ای از حرارت / برودت واقعی محیط گرفته شده و با دمای تنظیمی (set point) مقایسه شده و یک سیگنال خطا تولید شده ، سپس توسط قسمت کنترل کننده (Controller) روی آن عملیاتی انجام شده و به خروجی اعمال می گردد.

در شکل بالا به مجموعه مقایسه کننده – کنترلر و آمپلی فایر کنترلر حرارتی گفته می شود.

نقش کنترلر حرارت اخذ حرارت از سنسور حرارتی (که به آن PV گفته می شود) و مقایسه آن با حرارت دلخواه (که به آن SV گفته می شود) و ایجاد یک سیگنال خطا (که به آن MV گفته می شود) جهت اعمال به عنصر گرم کننده (بطرو مثال هیتر) یا سردکننده(بطور مثال کمپرسور یخچال) می باشد. شکل زیر نمونه ای از شماتیک اتصال یک کنترلر به همراه ترموکوپل جهت کنترل دما ی یک اجاق نشان داده شده است.

انواع کنترلر دما از نظر منطق کنترل دما

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است بر روی سیگنال خطا (اختلاف بین دمای دلخواه و دمای واقعی) عملیاتی توسط کنترلر انجام شده و به خروجی اعماال می گردد. به این عملیات “منطق کنترل” یک ترموکنترلر گفته می شود. بطور کلی سه نوع منطق کنترل در ترموکنترلر ها وجود دارد:

1- روش روشن / خاموش(ON-OFF CONTROL) : این روش ساده ترین روش کنترل دما می باشد. در این روش هنگامی که دما کمتر از مقدار دلخواه باشد(بطور مثال در یک کوره) خروجی کنترلر وصل شده و زمانی که دما به مقدار دلخواه رسید خروجی خاموش می گردد. بطور مثال اگر دمای دلخواه (SV) به 150 سانتیگراد باشدو دمای محیط کوره 120 درجه باشد خروجی کنترلر روشن شده و عنصر گرم کننده داخل کوره (هیتر یا مشعل) روشن می شود، با رسیدن دما به مقدار 150 درجه هیتر یا مشعل خاموش می گردد. در این روش خروجی کنترلر همواره خاموش و روشن شده و دما نیز اطراف SV نوسان خواهد داشت. این روش در مواردی که نیاز به دقت بالایی نیست نظیر گلخانه ها و مرغداری ها استفاده می گردد.

2- کنترل کننده دما تناسبی : به دلیل اینکه پروسه های حرارتی دارای اینرسی بوده و با رسیدن حرارت به مقدار دلخواه (SP) و قطع شدن منبع حرارتی باز هم حرارت افزایش یافته و بعد از طی زمانی شروع به کاهش می کند، این موضوع باعث قطع و وصل مکرر در روش ON/OFF شده و برای حل آن از روش تناسبی استفاده می شود. در این روش یک باند تناسبی (Proporsional band) در اطراف SV تعریف می گردد. بطور مثال مقدار Proporsional band یا PB را برابر 20 در نظر میگیریم. حال اگر مقدار SV برابر 150 باشد، حد پایین باند تناسبی اطراف SV میزان 140 درجه و حد بالای آن 160 درجه باشد. خروجی کنترلر خاموش خواهد بود. در داخل باند خروجی بسته به اختلاف بین SV و PV روشن و خاموش خواهد شد. مجموع زمان ON , OFF خروجی را یک Cycle Time می گوییم. زمانی که دما روی 150 درجه باشد(وسط باند) به میزان 50 درصد زمان cycle time خروجی on و 50 درصد خروجی off خواهد بود. هرچه از میانه این باند به بالا نزدیک شویم زمان on کمتر و زمان off بیشتر خواهد بود و بالعکس هرچه از میانه باند به پایین نزدیک شویم زمان on بودن خروجی بیشتر و زمان off بودن آن کمتر می گردد.

کنترل کننده تناسبی به نسبت کنترل کننده on-off دارای عملکرد مناسب تری بوده ولی همواره دارای یک خطای ماندگار می باشد.

3- کنترل کننده PID : در این روش کنترل علاوه بر کنترل تناسبی دو عملکرد انتگرالی (I) و مشتق گیری (D) نیز اضافه شده است. عملکرد انتگرالی به خطاهای گذشته در سیستم حرارتی نگاه کرده و در صورتی که در زمان های قبلی اختلاف بین SV و SP زیاد بوده باشد. مقدار خروجی بخش I (انتگرالی) نیز زیاد خواهد شد. در واقع این قسمت انتگرالی (I) مجموع خطای لحظه فعلی و لحظات قبلی را در خروجی خود لحاظ خواهد کرد. بخش D در این روش وظیفه اش پایداری حرارت در مقابل اغتشاشات می باشد. منظور از اغتشاش را با یک مثال بیان می کنیم. بطور مثال در یک مخزن در حال جوش آب ، اگر ناگهان مقداری آب سرد به آن اضافه کنیم این اضافه کردن آب یک اغتشاش محسوب می شود. بخش D سرعت تصحیح خطا را تعیین می کند. با وارد شدن اغتشاش سرعت تصحیح خطا افزایش یافته و بدین ترتیب سریع تر به حرارت موردنظر SV می رسیم. شکل زیر شماتیک این روش کنترل را نشان می دهد.

4- ترمو کنترلر فازی (Fuzzy Controller)

با استفاده از ترموکنترلر قادر خواهید بود که دمای پروسه یا دمای فعلی (PV: present or process value) را با دقت بالایی روی مقدار تنظیم شده دلخواه (SV: set value) ثابت نگه دارید.

نکاتی که هنگام خرید کنترلر دما ( ترموکنترلر ) باید در نظر گرفت:

1- نوع سنسور ورودی : انواع مختلفی از سنسورهای حرارتی وجود دارند که به ترموکنترلر ها متصل می شوند. این سنسور ها عبارتند از : RTD – ترموکوپل – ترمیستور – سنسور حرارتی به شکل مدار مجتمع (IC) – سنسور حرارتی با خروجی ولتاژ – سنسور حرارتی به همراه مبدل جریان(با خروجی جریان) . انتخاب هریک از این سنسور های دما تابعی از رنج حرارت  کاری ، دقت مورد نظر و شرایط  قرارگیری و نصب سنسور خواهد بود. برخی از مدل های ترموکنترلر تنها یک نوع از سنسور را پشتیبانی کرده و بسیاری از مدل ها نیز دارای ورودی های چندگانه (Multi Input) بوده و می توان انواع سنسور های حرارتی را به آنها متصل نمود.

2- روش کنترل : همانطور که ذکر شد، ترموکنترلر ها دارای روش کنترل on-off و PID می باشند. در صورتی که نیاز به دقت بالا نمی باشد، می توان از کنترلر های on-off و در صورتی که نیاز به دقت بالا می باشد از ترموکنترلر های PID استفاده نمود.

3- نوع خروجی کنترلر دما (اصلی و آلارم) : ترموکنترلر ها دارای خروجی های مختلف جهت خروجی اصلی و آلارم می باشند که عبارتند از :

– خروجی رله ای (Relay output) : در این م.ع خروجی کنتاکت یک رله عمل قطع و وصل المنت متصل به ترموکنترلر را انجام می دهد. این نوع خروجی هم در خروجی اصلی و هم در خروجی آلارم کاربرد دارد.

– خروجی SSR : این نوع خروجی جهت خروجی اصلی به کار می رود در این خروجی ولتاژ لازم جهت اعمال به یک رله SSR وجود داشته و می توان یک رله SSR را به این خروجی متصل کرد. در صورتی که سرعت قطع و وصل خروجی بالا باشد باید از این نوع خروجی استفاده گردد.

– خروجی آنالوگ (SCR) : این نوع خروجی به شکل یک جریان 20-4 میلی آمپر می باشد.متناسب با اختلاف بین PV و SV یک سیگنال آنالوگ 4 الی 20 میلی آمپر در این خروجی خواهیم داشت. در صورتیکه از TPR در خروجی ترموکنترلر بخواهیم استفاده کنیم حتما باید ترموکنترلر دارای خروجی آنالوگ 20-4 میلی آمپر باشد.

4- نوع تنظیم کنترلر دما : دو نوع تنظیم برای کنترلر های دما وجود دارد. تنظیم آنالوگ و تنظیم دیجیتال. ترموکنترلر های با تنظیم آنالوگ عموما ترموکنترلر های ON/OFF بوده و در آنها تنظیم دما به کمک یک ولوم روی کنترلر تنظیم شده و مقدار دما نیز توسط یک میتر (Meter) تنشان داده می شود. ترموکنترلر های دیجیتال در دو نوع ON/OFF و PID وجود داشته و نمایش دما از طریق یک صفحه نمایش (LED یا LCD) انجام شده و پارامتر های داخلی آن نیز از طریق صفحه کلید روی آن انجام می گیرد.

5- مود گرمایشی / سرمایشی : ترموکنترلر ها دارای مودهای کاری گرمایشی (Heating) و سرمایشی (Cooling) یا مود ترکیبی (Heating+Cooling) می باشند. در مود گرمایشی هدف گرم کردن یک محفظه جهت یک پروسه می باشد. به عنوان مثال می توان به کوره ها اشاره نمود. در این مود در صورتی که دمای واقعی (PV) از مقدار دلخواه (SV) کمتر شود، خروجی ترموکنترلر روشن و در صورتی که PV از مقدار SV بیشتر شود خروجی ترموکنترلر خاموش می گردد.

در مود سرمایشی در یک پروسه هدف خنک کردن می باشد. در این مود در صورتی که دمای واقعی PV از مقدار دلخواه SV بیشتر باشد خروجی ترموکنترلر وصل و زمانی که دمای واقعی PV از دمای دلخواه SV کمتر باشد خروجی ترموکنترلر قطع خواهد شد. نمونه کاربرد شناخته شده این حالت در یخچال ها و فریزرها می باشد.

اکثر ترموکنترلر ها دارای حالت گرمایشی و سرمایشی بوده و برخی از آنها نیز تنها دارای حالت گرمایشی (Heating) هستند. برخی از انواع ترموکنترلر ها نیز دارای حالت گرمایشی و سرمایشی بصورت همزمان می باشند. در این کنترلر ها دو خروجی مجزا وجود داشته که هر یک در مود جداگانه قابل تنظیم می باشند.

6- تابع شیب (Ramp/Soak) : برخی از ترموکنترلر ها (نظیر سری PX یا  SANUP) دارای تابع شیب می باشند. به کمک این ویژگی می توان چند بازه دمایی تعریف کرده و در هر بازه دمایی با شیبی معین از دمای T1 به دمای T2 رفته سپس در دمای T2 به مدت زمان معین ثابت مانده و مجددا از دمای T2 به دمای T3 رفته و در دمای T3 باز به مدت مشخصی ثابت مانده و مجددا پله های بعدی را طی نمود. در برخی از پروسه های صنعتی نظیر محصولات چینی لازم است تا دما طی زمان های مختلف به مقادیر مشخصی برسد. در این گونه موارد از ترموکنترلر های با حالت Ramp/Soak استفاده می شود.

ترموکنترلرها تجهیزاتی هستند که از آنها جهت تثبیت درجه حرارت استفاده می گردد. در بسیاری از پروسه های تولیدی نیازمند به تولید گرما جهت تولید محصول می باشیم. به طور مثال برای تولید سرامیک و جهت استحکام یافتن آن، بعد از اینکه پودر زیر دستگاه پرس رفته و فرم کلی خود را پیدا کرد، آن را داخل کوره وارد می کنیم. جهت ایجاد محصول با کیفیت باید درجه حرارت کوره در مقدار مشخصی ثابت باشد و کاهش یا افزایش درجه حرارت منجر به ایجاد عیب در محصول خواهد شد. در اینجاست که از ترموکنترلرها استفاده میکنیم. ترموکنترلرها در مدلهای متنوع و و کارارایی های مختلف بسته به نیاز کاری تولید می شوند. به طور مثال جهت تثبیت دمای یک گلخانه به دقت بالایی نیاز نبوده ولی جهت تولید سیمان یا سرامیک نیاز به دقت بالاتری می باشد. جهت کاربردهای با دقت کمتر و ساده تر (نظیر گلخانه) از ترموکنترلرهای ON/OFF و جهت کاربردهای با دقت بالا از کنترلرهای PID استفاده می شود. همچنین ترموکنترلرها با خروجی های رله ای، SSR و آنالوگ نیز تولید شده که هریک کارکرد خاص خودش را خواهد داشت. این محصول یکی از کنترلرهای حرارتی ساده هانیانگ می باشد. تنظیم دما در این محصول از طریق کلیدهای (به همراه نمراتور) بوده و نمایش دما از طریق صفحه نمایش Seven Segment انجام می شود. سنسور حرارتی این محصول ترموکوپل نوع K بوده و قادر به کار در رنج حرارتی 0-1199 درجه می باشد. ولی به دلیل محدودیتی که در میتر آن وجود دارد قادر به نمایش دما از 0 تا 400 درجه سانتی گراد است. این کنترلر دارای یک خروجی رله ای با کنتاکت NO+NC به عنوان خروجی اصلی و یک رله جهت آلارم می باشد. روش کنترل این محصول ON/OFF بوده و قادر به کار در حالت گرمایشی (H) می باشد.