Bộ điều khiển nhiệt độ Temperature Controllers
Các Bộ điều khiển này nhận tín hiệu cảm biến và điều khiển máy sưởi hoặc các thiết bị khác để duy trì nhiệt độ cài đặt trước. Chúng cũng có thể được sử dụng để kiểm soát độ ẩm, áp suất và lưu lượng. OMRON cũng cung cấp các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm.
Phụ lục nội dung
Bộ điều khiển nhiệt độ là gì?
Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị được sử dụng để điều khiển lò sưởi hoặc thiết bị khác bằng cách so sánh tín hiệu cảm biến với điểm đặt và thực hiện các phép tính theo độ lệch giữa các giá trị đó. Các thiết bị có thể xử lý tín hiệu cảm biến khác ngoài nhiệt độ, chẳng hạn như độ ẩm, áp suất và lưu lượng, được gọi là Bộ điều khiển. Bộ điều khiển điện tử được gọi cụ thể là Bộ điều khiển kỹ thuật số.
Kiểm soát nhiệt độ
Bộ điều khiển nhiệt độ kiểm soát nhiệt độ sao cho giá trị quy trình sẽ giống với điểm đặt, nhưng phản ứng sẽ khác nhau do đặc điểm của đối tượng được kiểm soát và phương pháp kiểm soát của Bộ điều khiển nhiệt độ. Thông thường, một phản ứng được thể hiện trong Hình (2), trong đó điểm đặt đạt được nhanh nhất có thể mà không vượt quá, là bắt buộc trong Bộ điều khiển nhiệt độ. Cũng có những trường hợp như trường hợp được thể hiện trong Hình (1), trong đó phản ứng làm tăng nhiệt độ nhanh chóng ngay cả khi vượt quá là bắt buộc, và trường hợp được thể hiện trong Hình (3), trong đó phản ứng làm tăng nhiệt độ chậm là bắt buộc.
(1) Phản ứng trong đó giá trị quá trình ổn định tại điểm đặt trong khi liên tục vượt quá và dưới mức
(2) Phản ứng thích hợp
(3) Phản ứng khi giá trị quá trình chậm đạt đến điểm đặt
Ví dụ về cấu hình kiểm soát nhiệt độ
Ví dụ sau đây mô tả cấu hình cơ bản để kiểm soát nhiệt độ.
Nguyên lý điều khiển nhiệt độ
Hình sau đây cho thấy một ví dụ về hệ thống điều khiển phản hồi được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ.
Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển phản hồi được tích hợp vào Bộ điều khiển nhiệt độ. Có thể xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi và kiểm soát nhiệt độ bằng cách kết hợp Bộ điều khiển nhiệt độ với bộ điều khiển và cảm biến nhiệt độ phù hợp với đối tượng được kiểm soát.
Cấu hình của Hệ thống Kiểm soát Phản hồi
Đặc điểm của Đối tượng được Kiểm soát
Trước khi lựa chọn Bộ điều khiển nhiệt độ hoặc cảm biến nhiệt độ, cần phải hiểu các đặc tính nhiệt của vật thể được điều khiển để kiểm soát nhiệt độ thích hợp.
Phương pháp kiểm soát
[Hành động điều khiển BẬT/TẮT]
Như thể hiện trong biểu đồ bên dưới, nếu giá trị quy trình thấp hơn điểm đặt, đầu ra sẽ được BẬT và nguồn điện sẽ được cung cấp cho máy sưởi. Nếu giá trị quy trình cao hơn điểm đặt, đầu ra sẽ được TẮT và nguồn điện đến máy sưởi sẽ bị tắt. Phương pháp điều khiển này, trong đó đầu ra được BẬT và TẮT dựa trên điểm đặt để giữ nhiệt độ không đổi, được gọi là hành động điều khiển BẬT/TẮT. Với hành động này, nhiệt độ được điều khiển bằng hai giá trị (tức là 0% và 100% điểm đặt). Do đó, hoạt động này cũng được gọi là hành động điều khiển hai vị trí.
[Hành động P (Hành động kiểm soát tỷ lệ)]
Hành động P (hoặc hành động điều khiển tỷ lệ) được sử dụng để đưa ra một biến được điều khiển (biến điều khiển đầu ra) tỷ lệ thuận với độ lệch nhằm giảm độ lệch giữa giá trị quy trình và điểm đặt. Một dải tỷ lệ được đặt tập trung vào điểm đặt và đầu ra được xác định bằng các quy tắc sau.
Biến số được điều chỉnh tỷ lệ thuận với độ lệch sẽ được đưa ra khi giá trị quy trình nằm trong dải tỷ lệ.
Biến được điều chỉnh 100% sẽ được đưa ra khi giá trị quy trình thấp hơn dải tỷ lệ.
Biến được điều chỉnh 0% sẽ được đưa ra khi giá trị quy trình cao hơn dải tỷ lệ.
Có thể điều khiển mượt mà hơn so với hành động điều khiển BẬT/TẮT vì đầu ra được thay đổi dần dần gần điểm đặt theo độ lệch. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ được điều khiển chỉ bằng hành động tỷ lệ, nó sẽ ổn định ở nhiệt độ lệch khỏi điểm đặt (độ lệch).
Lưu ý: Nếu Bộ điều khiển nhiệt độ có phạm vi nhiệt độ từ 0°C đến 400°C có dải tỷ lệ 5%, chiều rộng của dải tỷ lệ sẽ được chuyển đổi thành phạm vi nhiệt độ là 20°C. Trong trường hợp này, đầu ra đầy đủ được giữ ở trạng thái BẬT cho đến khi giá trị quy trình đạt 90°C và đầu ra TẮT định kỳ khi giá trị quy trình vượt quá 90°C, với điều kiện điểm đặt là 100°C. Khi giá trị quy trình là 100°C, sẽ không có sự khác biệt về thời gian giữa chu kỳ BẬT và chu kỳ TẮT (tức là đầu ra được BẬT và TẮT 50% thời gian.)
[Hành động I (Hành động điều khiển tích phân)]
Tác động I (hoặc tác động tích phân) làm tăng hoặc giảm biến được điều khiển theo kích thước và thời gian của độ lệch.
Nhiệt độ sẽ ổn định ở nhiệt độ lệch khỏi điểm đặt (bù trừ) chỉ với tác động tỷ lệ, nhưng độ lệch theo thời gian sẽ giảm và giá trị quy trình sẽ giống với điểm đặt bằng cách kết hợp các tác động tỷ lệ và tích phân.
[Hành động D (Hành động điều khiển đạo hàm)]
Hành động D (hoặc hành động đạo hàm) cung cấp một biến được điều khiển để phản ứng với những thay đổi đột ngột trong giá trị quy trình, do các yếu tố như nhiễu loạn bên ngoài, để kiểm soát sẽ nhanh chóng trở lại trạng thái ban đầu. Các hành động tỷ lệ và tích phân đều hiệu chỉnh kết quả kiểm soát, do đó phản ứng với những thay đổi đột ngột bị trì hoãn. Hành động đạo hàm bù đắp cho nhược điểm đó và cung cấp một biến được điều khiển lớn cho các nhiễu loạn bên ngoài nhanh chóng.
[Điều khiển PID]
Điều khiển PID là sự kết hợp của các hành động điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Nhiệt độ được điều khiển trơn tru ở đây bằng hành động điều khiển tỷ lệ mà không cần săn bắt, điều chỉnh bù trừ tự động được thực hiện bằng hành động điều khiển tích phân và phản ứng nhanh với nhiễu bên ngoài được thực hiện bằng hành động điều khiển đạo hàm.
[Điều khiển PID hai]
Điều khiển PID thông thường sử dụng một khối điều khiển duy nhất để điều khiển phản ứng của Bộ điều khiển nhiệt độ đối với một điểm đặt và các nhiễu loạn bên ngoài. Do đó, phản ứng đối với điểm đặt sẽ dao động do vượt quá nếu coi trọng việc phản ứng với các nhiễu loạn bên ngoài với các tham số P và I được đặt thành giá trị nhỏ và tham số D được đặt thành giá trị lớn trong khối điều khiển. Mặt khác, Bộ điều khiển nhiệt độ sẽ không thể phản ứng với các nhiễu loạn bên ngoài một cách nhanh chóng nếu coi trọng việc phản ứng với điểm đặt (tức là các tham số P và I được đặt thành giá trị lớn). Điều này khiến không thể đáp ứng cả hai loại phản ứng trong trường hợp này.
Điều khiển PID hai cung cấp phản ứng tốt cho cả phản ứng với điểm đặt và nhiễu loạn bên ngoài.
Điều khiển PID
(1)
Phản ứng với điểm đặt sẽ chậm hơn nếu phản ứng với nhiễu loạn bên ngoài được cải thiện.
(2)
Phản ứng với nhiễu bên ngoài sẽ chậm hơn nếu phản ứng với điểm đặt được cải thiện.
Hai điều khiển PID
(3)
Kiểm soát cả điểm đặt và phản ứng nhiễu bên ngoài.
Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ của một vị trí cần kiểm soát nhiệt độ. Nó chuyển đổi nhiệt độ thành một lượng vật lý của điện áp hoặc điện trở và đưa ra kết quả.
Các loại đo nhiệt độ
Có hai loại phép đo nhiệt độ như mô tả dưới đây.
Cặp nhiệt điện
Nguyên tắc
Cặp nhiệt điện là một cảm biến nhiệt độ sử dụng một hiện tượng (tức là hiệu ứng Seebeck) tạo ra một lực nhiệt điện động theo sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nối và đầu hở của các loại kim loại khác nhau đã được nối với nhau ở một đầu. Sự kết hợp của các kim loại có lực nhiệt điện động cao và ổn định được gọi là cặp nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Định luật nhiệt độ trung gian và định luật kim loại trung gian
Kích thước của hiệu điện thế được xác định bởi hai vật liệu khác nhau của dây kim loại và bởi sự khác biệt về nhiệt độ giữa mối nối cặp nhiệt điện (tức là mối nối nóng) và mối nối tham chiếu (tức là mối nối lạnh). Bất kỳ sự khác biệt nào về nhiệt độ ở giữa đều không có tác dụng (Định luật nhiệt độ trung gian). Cũng không có tác dụng nếu có các loại kim loại khác nhau ở giữa miễn là không có sự khác biệt về nhiệt độ (Định luật kim loại trung gian).
Các loại cặp nhiệt điện
Trong số các cặp nhiệt điện, loại K, E, J và T sử dụng kim loại cơ bản, còn loại B, R và S sử dụng kim loại quý.
Loại cặp nhiệt điện được lựa chọn dựa trên nhiệt độ đo, môi trường và độ chính xác. Tuy nhiên, nhìn chung, loại K, J và R thường được sử dụng.
Đặc điểm của sự khác biệt tiềm năng của cặp nhiệt điện
Dây dẫn bù
Nếu dây dẫn của cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện không chạm tới bộ điều khiển nhiệt độ và cáp giữa cảm biến và bộ điều khiển nhiệt độ được kéo dài bằng dây đồng, sẽ xảy ra lỗi nhiệt độ lớn.
Dây dẫn của cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện phải được kéo dài bằng dây dẫn bù.
Dây dẫn bù là loại cáp tạo ra lực điện động nhiệt gần bằng cặp nhiệt điện. Có loại cáp thông dụng (-20 đến 90°C) và loại cáp chịu nhiệt (0 đến 150°C), tùy thuộc vào nhiệt độ hoạt động của môi trường xung quanh. Các đặc tính của những loại cáp này được xác định bởi JIS. Có sẵn dây dẫn bù cho từng loại cặp nhiệt điện. Phải sử dụng dây dẫn bù phù hợp với cặp nhiệt điện.
Thiết bị này khai thác mối quan hệ không đổi giữa điện trở kim loại và nhiệt độ.
Điều kiện cần thiết cho vật liệu dây kim loại:
(1) Hệ số nhiệt độ cao của điện trở và tính tuyến tính tốt
(2) Sự ổn định
(3) Khả năng sử dụng với phạm vi nhiệt độ rộng
Vật liệu đáp ứng tốt nhất các điều kiện này là bạch kim.
Chỉ có nhiệt kế điện trở bạch kim được quy định bởi JIS.
Nhiệt kế điện trở bạch kim
Thiết bị này sử dụng đặc tính của bạch kim (Pt) khiến điện trở của nó tăng theo nhiệt độ.
Dựa trên bản sửa đổi năm 1989 của tiêu chuẩn JIS, nhiệt kế điện trở bạch kim tuân thủ các tiêu chuẩn trước đó được gọi là JPt, và những nhiệt kế tuân thủ các tiêu chuẩn năm 1989 trở về sau được gọi là Pt, nhưng JPt đã bị bãi bỏ với bản sửa đổi năm 1997. Tuy nhiên, vẫn có những hệ thống đang hoạt động sử dụng JPt, vì vậy bộ điều khiển nhiệt độ cũng hỗ trợ JPt. Các đặc tính của Pt và JPt khác nhau, do đó, loại đầu vào của bộ điều khiển nhiệt độ phải được thiết lập chính xác.
Các loại dây dẫn bù
Điện trở của nhiệt kế điện trở bạch kim Pt 100 là 100 Ω ở 0°C và tỷ lệ điện trở tiêu chuẩn (giá trị R100/R0) là 1,3851 thấp, do đó sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi điện trở dây dẫn bù.
Nói chung, việc đấu dây với nhiệt kế điện trở ba dây được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở dây bù.
Nhiệt kế điện trở ba dây
Một dây dẫn điện trở được kết nối với hai dây và dây còn lại được kết nối với một dây khác để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở khi dây dẫn được kéo dài. Tất cả các nhiệt kế điện trở bạch kim ba dây của OMRON đều được cấu hình theo cách này.
Kết nối nhiệt kế điện trở bạch kim ba dây
NGUỒN:IA.OMRON.COM
