Терморегуляторы и термодатчики: ПИД регуляторы, термореле, термопары K

Что такое терморегулятор и термодатчик

Терморегулятор поддерживает заданную температуру без участия человека. Он постоянно измеряет температуру датчиком, сравнивает её с уставкой и по результату включает или выключает нагрузку: нагреватель, вентилятор, насос, компрессор. Термодатчик (датчик температуры) в этой паре только измеряет: превращает температуру в электрический сигнал, напряжение или сопротивление, который понимает вход регулятора.

В мастерской и на производстве терморегуляторы держат температуру воды в системе охлаждения шпинделя, включают вентиляцию шкафа управления, управляют нагревом плит, печей, коптилен, сушильных камер и экструдеров. Цифровые термореле справляются с задачами до 110-120 °C, где допустимы колебания температуры на несколько градусов. ПИД регуляторы с термопарой нужны там, где температура выше и её требуется держать ровно.

Типы датчиков температуры

Термопара состоит из двух проводников из разных сплавов, сваренных на конце. Если нагреть спай, между свободными концами проводов возникает напряжение, которое зависит от разницы температур спая и клемм регулятора. У термопары типа K проводники из хромеля и алюмеля, при 100 °C она даёт 4.096 мВ, при 400 °C 16.397 мВ, в среднем 41 мкВ на градус. Сигнал такой маленький, что регулятор измеряет ещё и температуру своих клемм и добавляет её к показаниям: это компенсация холодного спая. Питание термопаре не нужно, она выдерживает высокие температуры и подходит для нагревателей, плит, корпусов двигателей и шпинделей.

Термистор NTC это полупроводниковый резистор, сопротивление которого падает с ростом температуры. Датчик NTC 10K имеет 10 кОм при 25 °C, а коэффициент B = 3435 К задаёт форму кривой: по формуле с этим коэффициентом при 0 °C выходит 28.7 кОм, при 50 °C 4.1 кОм, при 100 °C 0.99 кОм. Сигнал большой, компенсация не нужна, а сопротивление медного удлинителя в доли ома на фоне килоом не сказывается на показаниях. Зато зависимость нелинейная и диапазон ограничен: цифровые термореле с датчиком NTC измеряют от -50 до 110 или 120 °C.

Термосопротивление PT100 это платиновый резистор: 100 Ом при 0 °C и 138.5 Ом при 100 °C, на каждый градус сопротивление растёт на 0.385 Ом. Такой датчик требует входа для термосопротивления. Универсальный вход ПИД регулятора принимает и термопару, и термосопротивление, тип датчика выбирают в настройках.

Двухпозиционное регулирование: термореле и гистерезис

Самый простой способ держать температуру это включать нагрузку при одной температуре и выключать при другой. Так работает цифровое термореле: в нём задаются температура включения и температура выключения. Если температура включения ниже температуры выключения, термореле работает на нагрев: включает нагреватель при остывании и выключает при нагреве. Если выше, оно работает на охлаждение и включает вентилятор или насос, когда стало жарко.

Разница между двумя порогами называется гистерезисом. Пример для охлаждения шпинделя: насос или вентилятор радиатора включается при 30 °C и выключается при 25 °C. Пока вода снова нагреется на 5 °C, проходят минуты, поэтому нагрузка включается редко. Если задать пороги 28 и 27.5 °C, температура будет держаться точнее, но реле начнёт переключаться в разы чаще и быстрее износится.

У двухпозиционного регулирования есть предел точности. Нагреватель продолжает отдавать тепло после выключения, а датчик чувствует изменения с задержкой, поэтому температура перелетает верхний порог и проваливается ниже нижнего. Для охлаждения воды, вентиляции шкафа или подогрева помещения это не мешает, а для печи или плиты, где перегрев портит деталь, нужен ПИД регулятор.

ПИД регулирование

ПИД терморегулятор не просто включает и выключает нагрев, а дозирует его. Пропорциональная составляющая уменьшает мощность по мере приближения к уставке, интегральная убирает отклонение, которое держится долго, дифференциальная реагирует на скорость изменения температуры и заранее притормаживает нагрев. В итоге температура подходит к заданной плавно, меньше перелетает её и держится ровно.

Дозирование идёт через время: регулятор делит работу на циклы и в каждом цикле держит выход включённым часть времени. Если при цикле 2 с нужна половина мощности, выход включён 1 с и выключен 1 с. На передней панели два индикатора: PV показывает измеренную температуру, SV заданную. Коэффициенты ПИД подбирает функция автонастройки (AT): регулятор несколько раз нагревает и остужает объект, измеряет его инерцию и сам рассчитывает параметры.

Точность ПИД регулятора задаётся в процентах от диапазона: 0.5% от шкалы 0...400 °C дают 0.005 x 400 = 2 °C. Шаг индикации 0.1 °C у термореле говорит о разрешении экрана, а не о точности измерения: погрешность определяют датчик и вход регулятора.

Выход регулятора: реле, SSR или прямой выход 220 В

Выход определяет, как часто можно переключать нагрузку. Если реле с ресурсом 100 000 переключений работает с циклом 2 с, оно включается 3600 / 2 = 1800 раз в час, и ресурс закончится за 100 000 / 1800 = 56 часов. Поэтому с релейным выходом ставят цикл в десятки секунд: при 20 с выходит 180 включений в час и 556 часов до того же ресурса. Для короткого цикла и точного ПИД регулирования берут выход SSR: твердотельное реле не изнашивается от числа включений.

У термореле с прямым выходом смотрят и на ток, и на мощность. Ток выхода 10 А на 220 В дал бы 10 x 220 = 2200 Вт, но для нагрузки указано 1500 Вт, то есть 1500 / 220 = 6.8 А. Нагреватель на 2 кВт к такому выходу не подключают, его включают через контактор или твердотельное реле.

Как выбрать терморегулятор и датчик

Первым определяют диапазон температур. До 110-120 °C подходит термореле с датчиком NTC: вода охлаждения шпинделя, воздух в шкафу, ёмкости с жидкостью, сушка. Выше нужен ПИД регулятор с термопарой K и диапазоном 0...400 °C: плиты, печи, экструдеры, коптильни.

Дальше смотрят на нагрузку и характер нагрева. Насос или вентилятор с редкими включениями работает от термореле напрямую. Нагреватель с большой инерцией, плита или печь, работает от ПИД регулятора с релейным выходом и контактором. Нагреватель, которому нужна ровная температура и короткий цикл, подключают к выходу SSR через твердотельное реле.

Затем выбирают корпус. Термореле в корпусе 60 x 45 x 31 мм с ушками под винты M4 крепится на любую поверхность. ПИД регуляторы встраиваются в панель шкафа: корпус 48 x 48 мм ставится в вырез 45 x 45 мм, в корпусе 96 x 48 мм глубиной 112 мм больше места для индикаторов и клемм. Если нужно держать две температуры, например воды и воздуха в шкафу, берут двухканальное термореле с двумя датчиками NTC и двумя выходами.

Датчик выбирают под вход регулятора. Термопару K подключают только ко входу для термопары K или к универсальному входу, настроенному на тип K. Датчик NTC работает с регулятором, рассчитанным на NTC того же номинала: с датчиком другого номинала термореле покажет неверную температуру. Наконечник термопары с резьбой M6 или M8 вкручивают в отверстие в детали, так датчик получает тепло прямо от металла.

Подключение терморегулятора

У ПИД регулятора три группы клемм: питание 220 В, вход датчика и выход на нагрузку, а также клеммы аварийного реле AL1. Аварийное реле срабатывает, когда температура выходит за заданный предел, и включает сигнализатор или отключает нагрев. Номера клемм зависят от модели и партии: у одних регуляторов выход SSR стоит на клеммах 3 и 4, у других на клеммах 4 и 5. Поэтому подключают всегда по схеме на корпусе своего прибора.

У термопары есть полярность, плюс и минус на входе регулятора перепутывать нельзя. Если при нагреве показания уменьшаются, провода меняют местами. Отрицательный проводник термопары K из алюмеля притягивается магнитом, по этому признаку полярность находят без маркировки. Удлиняют термопару только компенсационным проводом типа K: в месте соединения с медным проводом образуется новый спай, и показания уходят.

Сигнал термопары в милливольтах легко ловит помехи, поэтому её провода прокладывают отдельно от силовых кабелей, двигателей и частотного преобразователя. Выход SSR соединяют со входом твердотельного реле с соблюдением полярности: плюс выхода к клемме 3 реле, минус к клемме 4. Нагрузку больше допустимого тока выхода и трёхфазные нагреватели подключают через контактор, а все соединения выполняют при отключённой сети.

Типичные ошибки

• Подключать термопару K к термореле, рассчитанному на датчик NTC: у них разные входы.
• Удлинять термопару медным проводом: в месте соединения появляется новый спай, и показания уходят.
• Путать полярность термопары: при нагреве показания уменьшаются.
• Включать нагреватель на 2 кВт напрямую в выход термореле на 1500 Вт.
• Задавать гистерезис 0.5 °C для насоса или вентилятора: нагрузка включается слишком часто.
• Ставить цикл 2 с на релейном выходе ПИД регулятора: контакты реле быстро изнашиваются.
• Подключать регулятор по чужой схеме, не сверив номера клемм на корпусе.
• Класть провод термопары в один жгут с силовыми кабелями шпинделя и двигателей.
• Путать шаг индикации 0.1 °C с точностью измерения.
• Ставить датчик NTC туда, где температура выше 110 °C: термореле с таким датчиком рассчитаны на диапазон до 110-120 °C.