ترموستات

ترموستات جزء دستگاه تنظیم کننده ای است که دمای یک سیستم فیزیکی را حس می کند و اقداماتی را انجام می دهد تا دمای سیستم نزدیک به نقطه تنظیم مورد نظر حفظ شود.

ترموستات ها در هر دستگاه یا سیستمی که تا دمای تعیین شده گرم یا خنک می شود استفاده می شود. به عنوان مثال می توان به گرمایش ساختمان، گرمایش مرکزی، تهویه مطبوع، سیستم های HVAC، آبگرمکن و همچنین تجهیزات آشپزخانه از جمله اجاق گاز و یخچال و انکوباتورهای پزشکی و علمی اشاره کرد. در ادبیات علمی، این دستگاه ها اغلب به طور گسترده به عنوان بارهای کنترل شده با ترموستاتیک (TCL) طبقه بندی می شوند. بارهای کنترل شده با ترموستاتیک تقریباً 50 درصد از تقاضای کلی برق در ایالات متحده را تشکیل می دهند.[1]

یک ترموستات به عنوان یک دستگاه کنترل "حلقه بسته" عمل می کند، زیرا به دنبال کاهش خطا بین دمای مورد نظر و اندازه گیری شده است. گاهی اوقات یک ترموستات هر دو عنصر سنجش و کنترل یک سیستم کنترل شده را ترکیب می کند، مانند ترموستات خودرو. واژه ترموستات از واژه های یونانی θερμός thermos به معنای «گرم» و στατός statos به معنای «ایستاده، ثابت» گرفته شده است.

بررسی اجمالی

یک ترموستات با روشن یا خاموش کردن دستگاه های گرمایشی یا سرمایشی یا با تنظیم جریان سیال انتقال حرارت در صورت نیاز، کنترل را اعمال می کند تا دمای صحیح را حفظ کند. یک ترموستات اغلب می تواند واحد کنترل اصلی سیستم گرمایش یا سرمایش باشد، در کاربردهایی از کنترل هوای محیط تا کنترل مایع خنک کننده خودرو. ترموستات ها در هر دستگاه یا سیستمی که تا دمای تعیین شده گرم یا خنک می شود استفاده می شود. به عنوان مثال می توان به گرمایش ساختمان، گرمایش مرکزی و تهویه مطبوع، تجهیزات آشپزخانه مانند اجاق گاز و یخچال و انکوباتورهای پزشکی و علمی اشاره کرد.

ساخت و کنترل

ترموستات ها از انواع مختلفی از سنسورها برای اندازه گیری دما و فعال کردن عملیات کنترل استفاده می کنند. ترموستات‌های مکانیکی معمولاً از نوارهای دو فلزی استفاده می‌کنند که تغییر دما را به جابجایی مکانیکی تبدیل می‌کنند تا کنترل منابع گرمایش یا سرمایش را فعال کنند. ترموستات های الکترونیکی، در عوض، از ترمیستور یا سایر سنسورهای نیمه هادی استفاده می کنند که تغییرات دما را به عنوان سیگنال های الکترونیکی پردازش می کند تا تجهیزات گرمایش یا سرمایش را کنترل کند.

ترموستات های معمولی نمونه ای از "کنترل کننده های انفجاری" هستند زیرا سیستم کنترل شده یا پس از رسیدن به نقطه تنظیم با ظرفیت کامل کار می کند یا کاملاً خاموش می ماند. اگرچه این ساده ترین برنامه برای پیاده سازی است، اما چنین روش کنترلی مستلزم گنجاندن مقداری پسماند به منظور جلوگیری از چرخش بیش از حد سریع تجهیزات در اطراف نقطه تنظیم است. در نتیجه، ترموستات‌های معمولی نمی‌توانند دما را خیلی دقیق کنترل کنند. در عوض، نوساناتی با قدر معین، معمولاً 1-2 درجه سانتیگراد وجود دارد.[2] چنین کنترلی به طور کلی سایش مکانیکی نادقیق، ناکارآمد و سطح بالایی است، اما برای قطعاتی مانند کمپرسورها، همچنان مزیت هزینه قابل توجهی در مقایسه با موارد پیشرفته‌تر که امکان تغییر مداوم ظرفیت را دارند، دارد.[3]

نکته دیگر تأخیر زمانی سیستم کنترل شده است. برای بهبود عملکرد کنترل سیستم، ترموستات‌ها می‌توانند شامل یک «پیش‌گیر» باشند، که گرمایش/سرمایش را کمی زودتر از رسیدن به نقطه تنظیم متوقف می‌کند، زیرا سیستم برای مدت کوتاهی به تولید گرما ادامه می‌دهد.[4] خاموش کردن دقیقاً در نقطه تنظیم باعث می شود که دمای واقعی از محدوده مورد نظر فراتر رود که به عنوان "overshoot" شناخته می شود. حسگرهای دو فلزی می توانند شامل یک "پیش بینی" فیزیکی باشند که دارای سیم نازکی است که روی ترموستات لمس می شود. هنگامی که جریان از سیم عبور می کند، مقدار کمی گرما تولید شده و به سیم پیچ دو فلزی منتقل می شود. ترموستات های الکترونیکی معادل الکترونیکی دارند.[5]

هنگامی که دقت کنترل بالاتری مورد نیاز است، یک کنترلر PID یا MPC ترجیح داده می شود. با این حال، امروزه آنها عمدتاً برای مقاصد صنعتی، به عنوان مثال، برای کارخانه های تولید نیمه هادی یا موزه ها استفاده می شوند.

انواع سنسور

فناوری‌های اولیه شامل دماسنج‌های جیوه‌ای با الکترودهایی بودند که مستقیماً از طریق شیشه وارد می‌شدند، به طوری که وقتی به دمای معینی (ثابت) رسید، تماس‌ها توسط جیوه بسته می‌شدند. اینها تا یک درجه از دما دقیق بودند.

فناوری های رایج حسگر که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

حسگرهای مکانیکی یا الکتریکی دو فلزی.

گسترش گلوله های موم

ترمیستورهای الکترونیکی و دستگاه های نیمه هادی

ترموکوپل های الکتریکی

سپس اینها ممکن است دستگاه گرمایش یا سرمایش را با استفاده از:

کنترل مستقیم مکانیکی

سیگنال های الکتریکی

سیگنال های پنوماتیک

ترموستات های میلی ولت

همانطور که در استفاده از ترموستات در بالا نشان داده شد، تمام قدرت سیستم کنترل توسط یک ترموپیل که ترکیبی از تعداد زیادی ترموکوپل انباشته است که توسط چراغ راهنما گرم می شود، تامین می شود. ترموپیل نیروی الکتریکی کافی برای به حرکت درآوردن یک شیر گاز کم مصرف تولید می کند که تحت کنترل یک یا چند کلید ترموستات، به نوبه خود سوخت ورودی به مشعل را کنترل می کند.

این نوع دستگاه به طور کلی منسوخ در نظر گرفته می شود زیرا چراغ های راهنما می توانند مقدار شگفت انگیزی از گاز را هدر دهند (همانطور که یک شیر آب می تواند مقدار زیادی آب را در مدت زمان طولانی هدر دهد) و همچنین دیگر در اجاق گاز استفاده نمی شود، اما هنوز در بسیاری از آبگرمکن های گازی و شومینه های گازی یافت می شود. راندمان ضعیف آنها در آبگرمکن قابل قبول است، زیرا بیشتر انرژی "هدر رفته" در پیلوت هنوز نشان دهنده افزایش حرارت مستقیم برای مخزن آب است. سیستم Millivolt همچنین باعث می شود که مدار الکتریکی خاصی به آبگرمکن یا کوره راه اندازی نشود. این سیستم ها اغلب کاملاً خودکفا هستند و می توانند بدون هیچ منبع تغذیه الکتریکی خارجی کار کنند. برای آبگرمکن‌های بدون مخزن «در صورت تقاضا»، احتراق پایلوت ترجیح داده می‌شود، زیرا سریع‌تر از جرقه‌زنی در سطح داغ و قابل اطمینان‌تر از جرقه‌زنی است.

ترموستات 24 ولت

اکثر ترموستات های مدرن گرمایش/سرمایش/پمپ حرارتی بر روی مدارهای کنترل ولتاژ پایین (معمولا 24 ولت AC) کار می کنند. منبع برق AC 24 ولت یک ترانسفورماتور کنترلی است که به عنوان بخشی از تجهیزات گرمایشی/سرمایشی نصب شده است. مزیت سیستم کنترل ولتاژ پایین، توانایی کارکردن چندین دستگاه سوئیچینگ الکترومکانیکی مانند رله‌ها، کنتاکتورها و ترتیب‌دهنده‌ها با استفاده از سطوح ولتاژ و جریان ذاتاً ایمن است.[15] در ترموستات تعبیه شده است برای کنترل دما با استفاده از پیش بینی. یک پیش بینی کننده گرما در حین کارکرد دستگاه گرمایش مقدار کمی گرمای اضافی به عنصر حسگر تولید می کند. با این کار، کنتاکت های گرمایشی کمی زودتر باز می شوند تا دمای فضا به میزان زیادی از تنظیم ترموستات بیشتر نشود. یک پیش بینی کننده حرارت مکانیکی به طور کلی قابل تنظیم است و باید بر روی جریانی که در مدار کنترل گرمایش جریان دارد، در هنگام کار کردن سیستم تنظیم شود. در حالی که دستگاه خنک کننده کار نمی کند، یک پیش بینی کننده خنک کننده مقدار کمی گرمای اضافی به عنصر حسگر تولید می کند. این باعث می شود که کنتاکت ها کمی زود به تجهیزات خنک کننده انرژی دهند و از بالا رفتن بیش از حد دمای فضا جلوگیری کنند. پیش بینی کننده های خنک کننده عموماً قابل تنظیم نیستند.

ترموستات های الکترومکانیکی از عناصر مقاومتی به عنوان پیش بینی کننده استفاده می کنند. اکثر ترموستات های الکترونیکی از دستگاه های ترمیستور یا عناصر منطقی یکپارچه برای عملکرد پیش بینی استفاده می کنند. در برخی از ترموستات‌های الکترونیکی، پیش‌بینی‌کننده ترمیستور ممکن است در فضای باز قرار داشته باشد که بسته به دمای بیرون، پیش‌بینی متغیری را ارائه می‌دهد. پیشرفت‌های ترموستات شامل نمایشگر دمای فضای باز، قابلیت برنامه‌ریزی و نشان‌دهنده خطای سیستم است. در حالی که چنین ترموستات‌های 24 ولتی قادر به کارکردن کوره در هنگام قطع برق اصلی نیستند، اکثر چنین کوره‌هایی به برق اصلی برای فن‌های هوای گرم شده (و اغلب به سطح داغ یا جرقه‌زنی الکترونیکی نیز نیاز دارند) که عملکرد ترموستات را نادرست می‌سازد. در شرایط دیگر مانند دیوارهای هدایت‌شده و کف «گرانشی» (بدون فن) و بخاری‌های مرکزی، سیستم ولتاژ پایین که قبلاً توضیح داده شد، ممکن است قادر باشد زمانی که برق در دسترس نیست، کارایی خود را حفظ کند.