Лучшие механизмы для контроля температуры гибких нагревателей

Гибкие нагреватели, изготовленные из кремния и полиимидных материалов, предназначены для обеспечения функций нагрева в широком диапазоне применений. Их гибкость позволяет нагревателям оборачиваться вокруг поверхностей сложной формы при использовании внутри или снаружи продуктов. Гибкость нагревателя заключается в том, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для предполагаемого применения в определенной области, не мешая его функциям.

Системы управления нагревателем и механизмы контроллера помогают контролировать температуру гибкого нагревателя, чтобы обеспечить достаточное количество тепла, когда это необходимо, не выделяя слишком много тепла, которое может повредить схему, материалы нагревателя или приложение. Типы механизмов, используемых для контроля температуры нагревателя, будут зависеть от того, как нагреватель настроен, и затрат.

Типы устройств управления нагревателями

Два типа устройств управления нагревателями, о которых пойдет речь, это термостаты и термисторы. Мы рассмотрим различия, плюсы и минусы, а также варианты контроллеров.

Термостаты

Большинство клиентов слышали о термостатах и ​​использовали их в своей повседневной жизни. Это датчики температуры, которые оценивают тепло вокруг них, а затем контролируют температуру нагрева. То, как термостат определяет температуру, может быть реализовано различными способами, такими как измерение температуры окружающей среды и определение температуры в линии.

Гибкий силиконовый нагреватель со встроенным термостатом.

Определение температуры окружающей среды – это когда термостат оценивает температуру окружающей среды. Алгоритм датчика будет установлен на определенное заданное значение, при котором термостат будет снижать или отключать температуру, поступающую от нагревателя. Измерение температуры линии включает в себя мониторинг линии, которая проходит в систему отопления. Когда эта температура становится выше или ниже заданного значения, термостат активируется для выполнения желаемой функции.

Основной функцией термостата является использование биметаллической (или биметаллической) пластины. Эта полоса соединяет систему отопления с электрической цепью, так как по ней проходит электричество, что переводит нагреватель в положение «включено». Когда полоса нагревается, один из кусков металла изгибается. В конце концов, он изгибается настолько, что прерывает электрическую цепь, поскольку нагреватель отключается и находится в положении «выключено». Когда температура начинает снижаться, металлическая полоса начинает возвращаться в исходное положение, пока не вернется в цепь, чтобы снова включить температуру.

Преимущества термостата в том, что они просты и недороги. Их также можно использовать для измерения линии в дополнение к датчику окружающей среды. Некоторыми недостатками являются более медленное время реакции при переключении из положений включения/выключения и более слабое управление его функциями. Другим недостатком является то, что они недолговечны, так как могут изнашиваться из-за циклов включения / выключения биметаллической полосы, что снижает ее надежность.

Термостат обычно герметизируется силиконовым каучуком или полиимидными материалами, поскольку он монтируется на обогреваемой поверхности. В некоторых случаях термостат имеет в своей конструкции термистор.

Термисторы

Термистор (или термопара) также является датчиком, контролирующим температуру. Считающийся термически резистивным резистором, термистор имеет более высокий уровень сопротивления, чем проводящий материал, более низкий уровень сопротивления, чем изоляционный материал, и меняет свое сопротивление при изменении температуры. Они не будут усиливать или генерировать сигнал. Термисторы используются в качестве датчиков окружающей среды, которые отслеживают изменения проводимости.

Пример силиконового гибкого нагревателя со встроенной проводкой термистора.

Термистор будет изготавливаться из различных оксидов, связующих веществ и стабилизаторов, поскольку он превращается в пластины, а затем нарезается до определенной формы и размера. Существует два типа термисторов: термисторы с отрицательным контролем температуры (NTC) и термисторы с положительным контролем температуры (TPC). Сопротивление термистора NTC будет уменьшаться при повышении температуры окружающей среды. Между тем, сопротивление термистора PTC будет увеличиваться при повышении температуры окружающей среды. Для измерения температуры, например, в гибких нагревателях, будет использоваться термистор am NTC.

Функция термистора NTC заключается в том, что при изменении температуры сопротивление термистора уменьшается по мере повышения температуры. Это колеблющееся сопротивление работает нелинейно (кривая). Это сопротивление улавливается контроллерами, используемыми по мере того, как температура гибкого нагревателя регулируется в зависимости от желаемой уставки. Температурная кривая будет определяться типом материалов, которые будут использоваться для изготовления термистора. Термистор с более высоким сопротивлением будет использоваться для более высокотемпературных гибких нагревателей. Термисторы с меньшим сопротивлением будут использоваться для низкотемпературных применений.

Большим преимуществом термисторов является то, что их можно использовать в приложениях, где присутствуют электронные помехи. Их также можно использовать в суровых условиях, которые испытывают экстремальные условия. Они долговечны, долговечны и обеспечивают большую стабильность.

Недостатком термисторов является то, что, хотя они очень точно измеряют температуру, они могут быть склонны к самонагреву. Это происходит при более высоких температурах. Причина этого явления связана с более низким сопротивлением материалов термистора. Таким образом, термистор может поглощать тепло вокруг себя.

Опции контроллера

Если система гибкого нагревателя не контролируется должным образом, температура нагревателя будет продолжать повышаться выше заданного значения. Со временем потери тепла придут к величине подводимой теплоты, которая увеличивается с ростом температуры. Контроллер обеспечит включение гибкого нагревателя и немедленное достижение заданной температуры без превышения запрограммированного входа и выгорания нагревателя. Типы доступных опций контроллера.

Включение/выключение

Включение/выключение – это самый простой тип гибкого управления температурой нагревателя. Он работает путем включения, когда температура ниже заданного значения, и остается включенным до достижения заданного значения. Оказавшись там, контроллер отключится. Этот тип контроллера нестабилен, так как циклы включения и выключения будут колебаться между одним и другим при повышении и понижении температуры.

Пропорциональный контроллер

Для этих контроллеров они снижают мощность гибкого нагревателя при приближении к заданному значению. Поскольку нагревательные элементы нагревателя с проволочной обмоткой или травленой фольгой по-прежнему будут выделять некоторое остаточное тепло, эта функция позволит гибкому нагревателю достичь желаемой уставки при более низкой выходной мощности. Многие пропорциональные контроллеры имеют пропорциональное по времени управление, при котором включение/выключение колеблется. Иногда при использовании этих контроллеров температура будет немного колебаться над заданным значением, не достигая и не превышая его, что называется падением.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер

Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) контроллеры имеют усовершенствованные цифровые алгоритмы, предназначенные для предотвращения падений, характерных для пропорциональных контроллеров, и бешеной нестабильности колебаний, возникающей при включении/выключении. ПИД-регуляторы поставляются с параметрами настройки для оптимального управления, поскольку датчики могут использовать другие факторы, помимо обратной связи по температуре, для принятия определенных решений.

Резюме

Выбор правильных датчиков и контроллеров будет зависеть от заданной температуры, которую вы хотите поддерживать, материалов, которые будут использоваться для датчиков, и того, как датчики будут контролировать температуру. Простые системы обогрева могут работать с обычными термостатами и элементами управления включением/выключением, в то время как сложные гибкие нагреватели потребуют более стабильного ПИД-регулятора для большей стабильности.

Можно получить нестандартные контроллеры помимо упомянутых выше. Пользовательские контроллеры обеспечат высочайший уровень контроля температуры. Однако имейте в виду более высокие затраты, которые будут играть роль при производстве такого контроллера. Сотрудничество с опытным производителем гибких нагревателей может помочь вам решить, следует ли использовать предварительно разработанный контроллер или индивидуальный.

Обзор регуляторов температуры | Промышленная автоматизация OMRON

Ведущий контент

Эти контроллеры получают сигналы датчиков и управляют нагревателями или другими устройствами для поддержания заданной температуры. Их также можно использовать для контроля влажности, давления и расхода. OMRON также предлагает датчики температуры и влажности.

Основное содержание



Что такое регулятор температуры?

Контроллер температуры — это устройство, которое используется для управления нагревателем или другим оборудованием путем сравнения сигнала датчика с заданным значением и выполнения расчетов в соответствии с отклонением между этими значениями. Устройства, которые могут обрабатывать сигналы датчиков, отличные от температуры, такие как влажность, давление и скорость потока, называются контроллерами. Электронные контроллеры специально называются цифровыми контроллерами.

• Верх страницы

Контроль температуры

Контроллеры температуры контролируют температуру таким образом, чтобы значение процесса было таким же, как уставка, но реакция будет отличаться из-за характеристик контролируемого объекта и метода управления контроллером температуры. Как правило, от регулятора температуры требуется реакция, показанная на рис. (2), при которой уставка достигается как можно быстрее без перерегулирования. Существуют также случаи, такие как показанный на рисунке (1), где реакция быстро увеличивает температуру, даже если требуется ее превышение, и случай, показанный на рисунке (3), где требуется реакция на медленное увеличение температуры.

(1) Реакция, при которой значение процесса стабилизируется на заданном значении, при этом постоянно выходит за пределы допустимого диапазона

(2) Правильная реакция

(3) Реакция, при которой значение процесса медленно достигает заданного значения

• Верх страницы

Пример конфигурации контроля температуры

В следующем примере описывается базовая конфигурация для контроля температуры.

• Верх страницы

Принцип работы регулятора температуры

На следующем рисунке показан пример системы управления с обратной связью, используемой для регулирования температуры.
Основные части системы управления с обратной связью встроены в контроллер температуры. Можно построить систему управления с обратной связью и контролировать температуру, комбинируя контроллер температуры с контроллером и датчиком температуры, которые подходят для контролируемого объекта.

Конфигурация системы управления с обратной связью

• Верх страницы

Характеристики объекта управления

Перед выбором регулятора температуры или датчика температуры необходимо понять тепловые характеристики контролируемого объекта для правильного контроля температуры.

• Верх страницы

Методы управления

[Действие управления ВКЛ/ВЫКЛ]

Как показано на графике ниже, если значение процесса ниже уставки, выход будет включен, и на нагреватель будет подаваться питание. Если технологическое значение выше уставки, выход будет отключен, и питание нагревателя будет отключено. Этот метод управления, при котором выход включается и выключается в зависимости от уставки для поддержания постоянной температуры, называется действием управления ВКЛ/ВЫКЛ.

При этом действии температура регулируется двумя значениями (т. е. 0 % и 100 % заданного значения). Поэтому операцию еще называют двухпозиционным регулирующим действием.

[Действие P (Пропорциональное управление)]

Р-действие (или действие пропорционального управления) используется для вывода управляемой переменной (выходной управляющей переменной), которая пропорциональна отклонению, чтобы уменьшить отклонение между значением процесса и заданным значением. Зона пропорциональности устанавливается в центре уставки, а выход определяется по следующим правилам.

Управляемая переменная, пропорциональная отклонению, выводится, когда значение процесса находится в пределах пропорционального диапазона.

100% управляющая переменная выводится, когда значение процесса ниже зоны пропорциональности.

Регулируемая переменная 0% выводится, когда значение процесса выше пропорционального диапазона.

Более плавное управление, чем управление ВКЛ/ВЫКЛ, возможно, поскольку выход постепенно изменяется вблизи заданного значения в соответствии с отклонением. Однако, если температура регулируется только пропорциональным действием, она стабилизируется на температуре, которая отличается от уставки (смещения).

Примечание. Если регулятор температуры с диапазоном температур от 0°C до 400°C имеет зону пропорциональности 5%, ширина зоны пропорциональности будет преобразована в диапазон температур 20°C. В этом случае полный выход остается включенным до тех пор, пока значение процесса не достигнет 90°C, и выход периодически выключается, когда значение процесса превышает 90°C, при условии, что уставка равна 100°C. Когда значение процесса равно 100°C, не будет разницы во времени между периодом ВКЛ и периодом ВЫКЛ (т. е. выход включается и выключается 50% времени).

[I действие (интегральное управляющее действие)]

Действие I (или интегральное действие) увеличивает или уменьшает регулируемую переменную в зависимости от размера и продолжительности отклонения.
Температура стабилизируется на уровне температуры, отличной от уставки (смещения) только за счет пропорционального действия, но отклонение с течением времени будет уменьшаться, а значение процесса будет таким же, как уставка, за счет сочетания пропорционального и целостные действия.

[Действие D (Действие производного управления)]

D-действие (или производное действие) обеспечивает управляемую переменную в ответ на резкие изменения значения процесса из-за таких факторов, как внешнее возмущение, так что управление быстро возвращается к исходному состоянию. Пропорциональное и интегральное действия корректируют результаты контроля, поэтому реакция на резкие изменения задерживается. Действие производной компенсирует этот недостаток и обеспечивает большую управляемую переменную для быстрых внешних возмущений.

[ПИД-регулятор]

ПИД-регулирование представляет собой комбинацию пропорционального, интегрального и дифференциального регулирования. Здесь температура регулируется плавно за счет пропорционального регулирования без скачков, автоматическая регулировка смещения осуществляется за счет интегрального управления, а быстрая реакция на внешнее возмущение становится возможной за счет дифференциального управления.

[Два ПИД-регулятора]

Обычное ПИД-регулирование использует один блок управления для управления реакцией контроллера температуры на заданное значение и на внешние помехи. Следовательно, реакция на уставку будет колебаться из-за перерегулирования, если большое значение придается реагированию на внешние возмущения с параметрами P и I, установленными на малые значения, и параметром D, установленным на большое значение в блоке управления. С другой стороны, контроллер температуры не сможет быстро реагировать на внешние возмущения, если большое значение придается реагированию на уставку (т. е. параметры P и I установлены на большие значения). Это делает невозможным удовлетворение обоих типов ответа в данном случае.
Два ПИД-регулятора обеспечивают хорошую реакцию как на уставку, так и на внешнее возмущение.

ПИД-регулятор

(1)

Реакция на уставку будет медленной, если реакция на внешнее возмущение улучшена.

(2)

Реакция на внешнее возмущение будет медленной, если реакция на уставку улучшена.

Два ПИД-регулятора

(3)

Управляет как уставкой, так и реакцией на внешнее возмущение.

• Верх страницы

Что такое датчик температуры?

Датчик температуры измеряет температуру в месте, где требуется контроль температуры. Он преобразует температуру в физическую величину напряжения или сопротивления и выводит ее.

• Верх страницы

Категории измерения температуры

Существует две категории измерения температуры, как описано ниже.

• Верх страницы

Термопара

Принцип

Термопара представляет собой датчик температуры, в котором используется явление (т. е. эффект Зеебека), создающее термоэлектродвижущую силу в соответствии с разницей температур между соединенным концом и открытым концом различных типов металлов, соединенных друг с другом на одном конце . Сочетание металлов с высокой и стабильной термоэлектродвижущей силой называется термопарой.
Термопары широко используются в промышленности.

Закон промежуточных температур и закон промежуточных металлов

Величина разности потенциалов определяется двумя разными материалами металлических проводов и разницей температур между спаем термопары (т. е. горячим спаем) и эталонным спаем (т. е. холодным спаем). Любая разница в температуре между ними не имеет значения (закон промежуточных температур). Также не будет эффекта, если между ними будут разные типы металлов, если нет разницы в температуре (Закон промежуточных металлов).

Типы термопар

Среди термопар типы K, E, J и T используют неблагородные металлы, а типы B, R и S используют благородные металлы.
Тип термопары выбирается в зависимости от температуры измерения, окружающей среды и точности. Однако обычно используются типы K, J и R.

Характеристики разности потенциалов термопары

Компенсационный провод

Если провод датчика температуры термопары не достигает контроллера температуры, а кабель между датчиком и контроллером температуры удлиняется медным проводом, возникает большая ошибка температуры.
Подводящие провода датчика температуры термопары должны быть дополнены компенсационными проводниками.
Компенсирующий проводник представляет собой кабель, который создает почти такую ​​же термоэлектродвижущую силу, что и термопара. Существуют кабели общего назначения (от -20 до 90°C) и термостойкие кабели (от 0 до 150°C), в зависимости от рабочей температуры окружающей среды. Характеристики этих кабелей определяются JIS. Компенсационные проводники доступны для каждого типа термопары. Необходимо использовать компенсирующий проводник, подходящий для термопары.

• Верх страницы

Платиновый термометр сопротивления

Термометр сопротивления

В этом устройстве используется постоянная зависимость сопротивления металла от температуры.
Условия, необходимые для материала металлической проволоки:

(1) Высокий температурный коэффициент электрического сопротивления и хорошая линейность

(2) Стабильность

(3) Возможность использования в широком диапазоне температур

Материал, который лучше всего соответствует этим условия – платина.
Только платиновый термометр сопротивления предписан JIS.

Платиновый термометр сопротивления

В этом устройстве используется характеристика платины (Pt), которая вызывает увеличение ее электрического сопротивления пропорционально температуре.
В соответствии с редакцией стандартов JIS 1989 г. платиновые термометры сопротивления, которые соответствовали предыдущим стандартам, назывались JPt, а те, которые соответствовали стандартам 1989 г. и более поздним, назывались Pt, но JPt был отменен в редакции 1997 г. Однако все еще существуют системы, использующие JPt, поэтому контроллеры температуры также поддерживают JPt. Характеристики Pt и JPt разные, поэтому необходимо правильно настроить тип входа терморегулятора.

Типы компенсационных выводов

Сопротивление платинового термометра сопротивления Pt 100 составляет 100 Ом при 0°C, а стандартное отношение сопротивлений (значение R100/R0) 1,3851 низкое, поэтому на него сильно влияет сопротивление компенсирующего подводящего провода.
Как правило, проводка с трехпроводным термометром сопротивления используется для устранения влияния сопротивления компенсирующего провода.

Трехпроводной термометр сопротивления

Один провод сопротивления соединяется с двумя проводами, а другой – с другим проводом, чтобы исключить влияние сопротивления при удлинении подводящих проводов.