ترموستات یا کنترلر دما چیست؟

کلمه ی ترموستات از دو بخش  thermo به معنی گرما و Statos به معنی ایستادن تشکیل شده است. با این تعریف ترموستات یا دماپا به معنی تجهیزی است که گرما را ثابت نگه می‌دارد. به عنوان مثال ترموستات در زمان سرد بودن محیط سیستم گرمایشی را روشن کرده و با رسیدن به دمای تعیین شده آن را خاموش می‌کند. تفاوت ترموستات و دماسنج در حفظ دما است. دما سنج تجهیزی است که دما را اندازه گیری می‌کند؛ در حالی که ترموستات تجهیزی جهت حفظ دما در سطح مورد نظر است. کنترل کننده های دما با اندازه گیری دمای محیط و انجام یک سری عملیات به تنظیم دما روی  Setpoint می‌پردازند. از این کنترلرها در گرمایش ساختمان، آبگرمکن، تجهیزات آشپزخانه از جمله کولر، یخچال و غیره استفاده می‌شود. قابل ذکر است که عملکرد ترموستات به صورت یک تجهیز کنترلی حلقه بسته بوده و دائما به دنبال کاهش خطا بین دمای مطلوب و دمای اندازه گیری شده است. در تصویر زیر نمونه ایی از electronic room thermostat را مشاهده می‌کنید.

کاربرد ترموستات

به صورت کلی جهت کنترل دما و کاهش یا افزایش آن از ترموستات ها استفاده می شود. ترموستات یا کنترل کننده ی دما از تجهیزات پرکاربرد در صنعت بوده و از گروه تجهیزات مدار فرمان است. پیش از بررسی انواع کنترل کننده های دما به بررسی انواع روش های کنترلی می پردازیم. کنترل دما به صورت کلی در مدل های کنترل حلقه باز و کنترل حلقه بسته انجام می شود. در کنترل حلقه باز از خروجی هیچ فیدبک و اطلاعاتی دریافت نمی شود. این مدل یکی از ساده ترین روش های کنترل دما است. به بیان دیگر در کنترل حلقه باز فرآیند کنترل دما بدون توجه به خروجی یا دمای واقعی محیط صورت می گیرد. به عنوان مثال، سیستم گرمایشی ماشین را می توان به صورت یک کنترل حلقه باز در نظر گرفت. فرض کنید بخاری ماشین را طوری تنظیم می کنیم که دمای یک روز سرد را تا 40 درجه گرم کند. اگر همین تنظیمات را برای یک روز گرم انجام دهیم آنگاه دمای داخل ماشین بسیار گرم تر از 40 درجه خواهد شد. در تصویر زیر بلوک دیاگرام روش کنترل حلقه باز را مشاهده می کنید.

روش کنترل حلقه بسته بسیار پیچیده تر از کنترل حلقه باز است. در کنترل دما به روش حلقه بسته دمای خروجی دائما اندازه گیری شده و با مقدار دمای مطلوب مقایسه می شود. به این ترتیب دما با دقت خوبی روی مقدار مورد نظر تنظیم می شود. کنترل حلقه بسته همواره از سیگنال خروجی آگاه بوده و از طریق فیدبک آن را به فرآیند کنترل باز می گرداند. به عنوان مثال یک خودرو که سیستم کنترل دمای حلقه بسته استفاده می کند را در نظر بگیرید. در این حالت فرض کنید می خواهیم دمای اتومبیل را روی 40 درجه تنظیم کنیم. به این منظور به صورت اتوماتیک در روز های سرد با روشن کردن بخاری و در روز های گرم با روشن کردن کولر دمای اتومبیل روی مقدار مطوب قرار می گیرد. در تصویر زیر بلوک دیاگرام کنترل حلقه بسته را مشاهده می کنید.

انواع ترموستات ها و نحوه عملکرد آن ها

کنترل کننده های دما دارای انواع متفاوتی از جمله مکانیکی، الکترونیکی و غیره هستند. ترموستات های مکانیکی با استفاده از خاصیت غیر الکتریکی مانند جابجایی عمل می کنند. به عنوان مثال با استفاده از یک میکروسوئیچ مدار را قطع و وصل می کنند. اکثر مواد در اثر گرما منبسط و در اثر سرما منقبض می‌شوند. این رفتار انبساط حرارتی نام داشته و پایه ی عملکرد کنترل کننده های دمای مکانیکی است. به صورت کلی می توان گفت که ترموستات های مکانیکی با استفاده از انبساط حرارتی یک مدار الکتریکی را قطع و وصل می‌کنند. عملکرد برخی از ترموستات های الکترومکانیکی بر اساس انبساط مایعات یا فلزات است. این رفتار در ترموستات های بی متال دیده شده که بر اساس انبساط فلزات غیر هم نام کار می کند. دو نوع رایج کنترلر های دما، ترموستات با نوار دو فلزی و ترموستات گازی است. نوع دیگر کنترل کننده های دما مدل الکترونیکی هستند که در صنعت بسیار پرکاربرد می باشند. استفاده از تجهیزات الکترونیکی در این کنترلر های دما موجب افزایش دقت در کنترل عملکرد آن ها شده است. در ادامه به بررسی انواع ترموستات ها بر اساس نحوه عملکرد آن ها می پردازیم.

ترموستات بی متال

این دستگاه از دو قطعه فلز مختلف تشکیل شده است. این دو فلز بهم چسبیده یک نوار دو فلزی تحت عنوان بی متال را تشکیل می‌دهند. نوار دو فلزی در مدار الکتریکی مربوط به سیستم گرمایشی یا سرمایشی مانند یک کلید عمل می‌کند. به بیان دیگر باز بودن کلید، موجب خاموش شدن سیستم گرمایشی و بسته بودن آن موجب روشن شدن این سیستم میشود. نحوه عملکرد ترموستات بی متال به این ترتیب است:

• در حالت عادی کلید بی متال بسته بوده و در نتیجه جریان از آن عبور می کند. در این حالت سیستم گرمایشی روشن خواهد بود.
• با گرم شدن نوار به دلیل تفاوت در جنس فلز ها یکی از آن ها بیش تر از دیگری منبسط می‌شود. این پدیده موجب خم شدن نوار می شود.
• با خم شدن نوار مدار باز شده و جریان قطع خواهد شد. نتیجه ی این امر خاموش شدن سیستم گرمایشی و خنک شدن محیط است.
• پس از کاهش دما و سرد شدن اتاق بی متال از حالت خمیدگی خارج شده و به حالت اولیه خود باز می گردد.
• برگشت بی متال به حالت عادی موجب وصل مجدد جریان و روشن شدن سیستم گرمایشی می‌شود.

در تصویر زیر یک بی متال را پیش از انبساط و پس از انبساط  مشاهده می کنید. این روش در بسیاری از سیستم های حفاظتی مانند بی متال محافظ موتور و بریکرها نیز استفاده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این خصوص می توانید مقالات بخش راه اندازی موتورهای سه فاز را مطالعه کنید.

در انیمیشن زیر نوار دو فلزی به همراه مدار الکتریکی متصل به آن نمایش داده شده است. با استفاده از صفحه مندرج می توان به تنظیم دمای روشن و خاموش شدن سیستم گرمایشی پرداخت. این قسمت در تصویر زیر با شماره 1 مشخص شده است. قسمت 2 محل اتصال بی متال و صفحه مندرج را نمایش می دهد. قسمت های 3 و 4 نیز به ترتیب نشان دهنده ی فلز برنج و آهن در نوار دو فلزی هستند. در قسمت 5 نحوه قطع و وصل  مدار الکتریکی در اثر گرم و سرد شدن بی متال را مشاهده می کنید.

ترموستات گازی

فرآیند گرم و سرد شدن در ترموستات های بی متال زمان بر است. عدم واکنش سریع نسبت به دما یکی از معایب ترموستات های بی متال می‌باشد. روش دیگر در کنترلر های دما استفاده از یک جفت دیسک فلزی است. برخی از مشخصات دیسک ها عبارت اند از:

• میان این جفت دیسک فلزی از گاز پر شده است.
• سطح بزرگ در این دیسک ها موجب پاسخ سریع تر آن ها نسبت به گرما می‌شود.
• طراحی دیسک ها موج دار است. دلیل این امر افزایش قابلیت ارتجاع و انعطاف پذیر ی آن ها ست.

در این کنترل کننده ی دما با گرم شدن محیط، گاز میانی صفحات منبسط می‌شود. افزایش حجم گاز ها در حین انبساط باعث جدا شدن دیسک ها از یکدیگر و جابه جا شدن میکروسوئیچ در میانه ترموستات خواهد شد. به صورت کلی این میکروسوئیچ وظیفه ی قطع و وصل مدار الکتریکی را بر عهده دارد. در ادامه و با سرد شدن محیط، گازی میان صفحات منقبض شده و دیسک های فلزی به سمت یکدیگر باز می گردند. با این عملکرد دیسک داخلی از میکرو سوئیچ دور شده و مدار را روشن می کند.

ترموستات های مومی

یکی دیگر از کنترل کننده های دمای مکانیکی، ترموستات های مومی هستند. اساس عملکرد این کنترلر دما نیز به صورت مکانیکی و برپایه ی انبساط و تغییر اندازه مواد در اثر افزایش دما است. در ترموستات های گازی از خاصیت انبساط گاز ها و در ترموستات های بی متال از انبساط فلزات استفاده می شود. در برخی دیگر از کنترلر های دما مانند مدل مومی از تغییر حالت ماده استفاده می شود. در این دستگاه ها از یک شاخه کوچک موم داخل یک محفظه بسته استفاده می شود. با تغییر دما موم ذوب شده و از حالت جامد به مایع تغییر شکل می دهد. در اثر انبساط این موم یک میله از محفظه به بیرون رانده شده و موجب روشن یا خاموش شدن تجهیز دیگری خواهد شد.

ترموستات خودرو

کنترل دمای موتور در اتومبیل ها از اهمیت بالایی برخوردار است. میانگین دما در موتور یک اتومبیل بین 220-195 درجه فارنهایت است. یکی از اصلی ترین مولفه هایی که گرم و سرد شدن این دما را تنظیم می کند ترموستات است. این کنترلر بین موتور و رادیاتور خودرو قرار گرفته و یکی از اجزای اصلی در سیستم خنک کننده موتور است. وظیفه ی این کنترلر تنظیم جریان مایع خنک کننده بین رادیاتور و موتور می باشد. به بیان ساده تر عملیات تنظیم دمای موتور توسط ترموستات از طریق تنظیم جریان مایع خنک کننده از رادیاتور به سمت موتور انجام می شود. اگر چه در ظاهر کنترل کننده ی دمای خودرو اندازه ی کوچکی دارد اما وظیفه ی آن بسیار مهم است.

عملکرد ترموستات خودرو به این صورت است که در زمان سرد بودن موتور خودرو، مسیر ورود آب به رادیاتور را مسدود می کند. در این حالت مایع جهت خنک کاری وارد رادیاتور نخواهد شد. اگر مایع خنک کننده در موتور خیلی گرم شود آنگاه ترموستات وارد عمل خواهد شد. به منظور خنک سازی مایع، کنترلر مسیر ورود آب به رادیاتور را باز می کند. در برخی موارد عملیات تنظیم جریان مایع خنک کننده با استفاده از یک محفظه ی بسته و حاوی یک پودر مومی انجام می شود. در این حالت تنظیم جریان آب با انبساط این پودر مومی کنترل می شود.

ترموستات های الکترونیکی یا دیجیتال

ترموستات الکترونیکی یکی از پرکاربرد ترین مدل های کنترل دما در صنعت بوده که به صورت حلقه بسته عمل می کند. به صورت کلی در این کنترلر ها دو متغیر اصلی وجود دارد:

• مقدار دمای واقعی یا Axual input signal یا Process value
• مقدار دمای مطلوب یا Desired setpoint value

در ترموستات های دیجیتال مقدار دمای واقعی توسط سنسور خوانده شده و با مقدار دمای مطلوب یا تنظیمی مقایسه میشود. در این شرایط کنترلر با توجه به نوع تنظیمات یک سیگنال فرمان به خروجی اعمال می کند. ممکن است مدل های مختلفی از کنترل کننده مانند کنترل PID یا کنترل On/Off در ترموستات های الکترونیکی استفاده شود. از طرفی ترموستات های دیجیتال از نظر نوع خروجی در مدل های زیادی مانند رله، SSR ، آنالوگ و غیره ساخته می شوند. ورودی در ترموستات های الکترونیکی می تواند سنسور های متفاوتی مانند RTD یا ترموکوپل باشد. در تصویر زیر نمونه ایی از ترموستات الکترونیکی ETC-100 را مشاهده می کنید. همانطور که در مقاله کنترلر رطوبت اشاره شد برخی از تجهیزات به صورت هم زمان به عنوان کنترلر دما و رطوبت  استفاده می شوند.