Що таке терморегулятор і термодатчик
Терморегулятор підтримує задану температуру без участі людини. Він постійно вимірює температуру датчиком, порівнює її з уставкою і за результатом вмикає або вимикає навантаження: нагрівач, вентилятор, насос, компресор. Термодатчик (датчик температури) у цій парі лише вимірює: перетворює температуру на електричний сигнал, напругу або опір, який розуміє вхід регулятора.
У майстерні та на виробництві терморегулятори тримають температуру води в системі охолодження шпинделя, вмикають вентиляцію шафи керування, керують нагрівом плит, печей, коптилень, сушильних камер і екструдерів. Цифрові термореле справляються із задачами до 110-120 °C, де допустимі коливання температури на кілька градусів. ПІД регулятори з термопарою потрібні там, де температура вища і її треба тримати рівно.
Типи датчиків температури
Термопара складається з двох провідників з різних сплавів, зварених на кінці. Якщо нагріти спай, між вільними кінцями проводів виникає напруга, яка залежить від різниці температур спаю і клем регулятора. У термопари типу K провідники з хромелю і алюмелю, за 100 °C вона дає 4.096 мВ, за 400 °C 16.397 мВ, у середньому 41 мкВ на градус. Сигнал такий малий, що регулятор вимірює ще й температуру своїх клем і додає її до показів: це компенсація холодного спаю. Живлення термопарі не потрібне, вона витримує високі температури і підходить для нагрівачів, плит, корпусів двигунів і шпинделів.
Термістор NTC це напівпровідниковий резистор, опір якого падає зі зростанням температури. Датчик NTC 10K має 10 кОм за 25 °C, а коефіцієнт B = 3435 К задає форму кривої: за формулою з цим коефіцієнтом за 0 °C виходить 28.7 кОм, за 50 °C 4.1 кОм, за 100 °C 0.99 кОм. Сигнал великий, компенсація не потрібна, а опір мідного подовжувача в частки ома на тлі кілоом не позначається на показах. Зате залежність нелінійна і діапазон обмежений: цифрові термореле з датчиком NTC вимірюють від -50 до 110 або 120 °C.
Термоопір PT100 це платиновий резистор: 100 Ом за 0 °C і 138.5 Ом за 100 °C, на кожен градус опір зростає на 0.385 Ом. Такий датчик потребує входу для термоопору. Універсальний вхід ПІД регулятора приймає і термопару, і термоопір, тип датчика вибирають у налаштуваннях.
| Датчик | Сигнал | Діапазон у регуляторах | Переваги | Недоліки |
|---|
| Термопара K | напруга, 41 мкВ на °C | до 400 °C у ПІД регуляторах | високі температури, наконечник з різьбою, не потрібне живлення | потрібен вхід для термопари і компенсаційний провід для подовження |
| NTC 10K | опір, 10 кОм за 25 °C | -50...110 °C у термореле | великий сигнал, простий датчик у металевій гільзі | нелінійна крива, обмежений діапазон |
| PT100 | опір, 100 Ом за 0 °C | до 400 °C у ПІД регуляторах з універсальним входом | лінійна залежність, висока точність | опір проводів додається до показів, тому підключають трьома проводами |
Двопозиційне регулювання: термореле і гістерезис
Найпростіший спосіб тримати температуру це вмикати навантаження за однієї температури і вимикати за іншої. Так працює цифрове термореле: у ньому задають температуру увімкнення і температуру вимкнення. Якщо температура увімкнення нижча за температуру вимкнення, термореле працює на нагрів: вмикає нагрівач під час охолодження і вимикає під час нагріву. Якщо вища, воно працює на охолодження і вмикає вентилятор або насос, коли стало жарко.
Різниця між двома порогами називається гістерезисом. Приклад для охолодження шпинделя: насос або вентилятор радіатора вмикається за 30 °C і вимикається за 25 °C. Поки вода знову нагріється на 5 °C, минають хвилини, тому навантаження вмикається рідко. Якщо задати пороги 28 і 27.5 °C, температура триматиметься точніше, але реле почне перемикатися в рази частіше і швидше зноситься.
У двопозиційного регулювання є межа точності. Нагрівач продовжує віддавати тепло після вимкнення, а датчик відчуває зміни із затримкою, тому температура проскакує верхній поріг і провалюється нижче за нижній. Для охолодження води, вентиляції шафи або підігріву приміщення це не заважає, а для печі або плити, де перегрів псує деталь, потрібен ПІД регулятор.
ПІД регулювання
ПІД терморегулятор не просто вмикає і вимикає нагрів, а дозує його. Пропорційна складова зменшує потужність у міру наближення до уставки, інтегральна прибирає відхилення, яке тримається довго, диференціальна реагує на швидкість зміни температури і заздалегідь пригальмовує нагрів. У результаті температура підходить до заданої плавно, менше проскакує її і тримається рівно.
Дозування йде через час: регулятор ділить роботу на цикли і в кожному циклі тримає вихід увімкненим частину часу. Якщо за циклу 2 с потрібна половина потужності, вихід увімкнений 1 с і вимкнений 1 с. На передній панелі два індикатори: PV показує виміряну температуру, SV задану. Коефіцієнти ПІД підбирає функція автоналаштування (AT): регулятор кілька разів нагріває і охолоджує об’єкт, вимірює його інерцію і сам розраховує параметри.
Точність ПІД регулятора задають у відсотках від діапазону: 0.5% від шкали 0...400 °C дають 0.005 x 400 = 2 °C. Крок індикації 0.1 °C у термореле говорить про роздільність екрана, а не про точність вимірювання: похибку визначають датчик і вхід регулятора.
Вихід регулятора: реле, SSR або прямий вихід 220 В
| Вихід | Як комутує | Де підходить | Обмеження |
|---|
| Прямий вихід 220 В термореле | вбудоване реле подає мережеву напругу на вихідні проводи | вентилятор, насос, нагрівач до 1500 Вт | потужніше навантаження підключають через контактор |
| Вбудоване реле ПІД регулятора | контакти реле замикають коло навантаження або котушки контактора | інерційний нагрів із циклом у десятки секунд, керування контактором | механічний ресурс контактів |
| Вихід SSR | імпульси постійної напруги на вхід твердотільного реле | часті перемикання, ПІД нагрів з коротким циклом | потрібне зовнішнє твердотільне реле DA на радіаторі |
Вихід визначає, як часто можна перемикати навантаження. Якщо реле з ресурсом 100 000 перемикань працює з циклом 2 с, воно вмикається 3600 / 2 = 1800 разів на годину, і ресурс закінчиться за 100 000 / 1800 = 56 годин. Тому з релейним виходом ставлять цикл у десятки секунд: за 20 с виходить 180 увімкнень на годину і 556 годин до того самого ресурсу. Для короткого циклу і точного ПІД регулювання беруть вихід SSR: твердотільне реле не зношується від кількості увімкнень.
У термореле з прямим виходом дивляться і на струм, і на потужність. Струм виходу 10 А на 220 В дав би 10 x 220 = 2200 Вт, але для навантаження вказано 1500 Вт, тобто 1500 / 220 = 6.8 А. Нагрівач на 2 кВт до такого виходу не підключають, його вмикають через контактор або твердотільне реле.
Як вибрати терморегулятор і датчик
Першим визначають діапазон температур. До 110-120 °C підходить термореле з датчиком NTC: вода охолодження шпинделя, повітря в шафі, ємності з рідиною, сушіння. Вище потрібен ПІД регулятор з термопарою K і діапазоном 0...400 °C: плити, печі, екструдери, коптильні.
Далі дивляться на навантаження і характер нагріву. Насос або вентилятор з рідкими увімкненнями працює від термореле напряму. Нагрівач з великою інерцією, плита або піч, працює від ПІД регулятора з релейним виходом і контактором. Нагрівач, якому потрібна рівна температура і короткий цикл, підключають до виходу SSR через твердотільне реле.
Потім вибирають корпус. Термореле в корпусі 60 x 45 x 31 мм з вушками під гвинти M4 кріпиться на будь-яку поверхню. ПІД регулятори вбудовуються в панель шафи: корпус 48 x 48 мм ставиться у виріз 45 x 45 мм, у корпусі 96 x 48 мм глибиною 112 мм більше місця для індикаторів і клем. Якщо треба тримати дві температури, наприклад води і повітря в шафі, беруть двоканальне термореле з двома датчиками NTC і двома виходами.
Датчик вибирають під вхід регулятора. Термопару K підключають лише до входу для термопари K або до універсального входу, налаштованого на тип K. Датчик NTC працює з регулятором, розрахованим на NTC того самого номіналу: з датчиком іншого номіналу термореле покаже неправильну температуру. Наконечник термопари з різьбою M6 або M8 вкручують в отвір у деталі, так датчик отримує тепло безпосередньо від металу.
Підключення терморегулятора
У ПІД регулятора три групи клем: живлення 220 В, вхід датчика і вихід на навантаження, а також клеми аварійного реле AL1. Аварійне реле спрацьовує, коли температура виходить за задану межу, і вмикає сигналізатор або вимикає нагрів. Номери клем залежать від моделі і партії: в одних регуляторів вихід SSR стоїть на клемах 3 і 4, в інших на клемах 4 і 5. Тому підключають завжди за схемою на корпусі свого приладу.
У термопари є полярність, плюс і мінус на вході регулятора плутати не можна. Якщо під час нагріву покази зменшуються, проводи міняють місцями. Від’ємний провідник термопари K з алюмелю притягується магнітом, за цією ознакою полярність знаходять без маркування. Подовжують термопару лише компенсаційним проводом типу K: у місці з’єднання з мідним проводом утворюється новий спай, і покази відхиляються.
Сигнал термопари в мілівольтах легко ловить завади, тому її проводи прокладають окремо від силових кабелів, двигунів і частотного перетворювача. Вихід SSR з’єднують із входом твердотільного реле з дотриманням полярності: плюс виходу до клеми 3 реле, мінус до клеми 4. Навантаження, більше за допустимий струм виходу, і трифазні нагрівачі підключають через контактор, а всі з’єднання виконують за вимкненої мережі.
Типові помилки
- Підключати термопару K до термореле, розрахованого на датчик NTC: у них різні входи.
- Подовжувати термопару мідним проводом: у місці з’єднання з’являється новий спай, і покази відхиляються.
- Плутати полярність термопари: під час нагріву покази зменшуються.
- Вмикати нагрівач на 2 кВт напряму у вихід термореле на 1500 Вт.
- Задавати гістерезис 0.5 °C для насоса або вентилятора: навантаження вмикається занадто часто.
- Ставити цикл 2 с на релейному виході ПІД регулятора: контакти реле швидко зношуються.
- Підключати регулятор за чужою схемою, не звіривши номери клем на корпусі.
- Класти провід термопари в один джгут із силовими кабелями шпинделя і двигунів.
- Плутати крок індикації 0.1 °C з точністю вимірювання.
- Ставити датчик NTC туди, де температура вища за 110 °C: термореле з таким датчиком розраховані на діапазон до 110-120 °C.
