Regolatore di temperatura

Quali sono i diversi tipi di dispositivi di controllo e come funzionano?

Ci sono tre tipi fondamentali di regolatori: on-off, proporzionale e PID. A seconda del sistema da controllare, l'operatore è in grado di usare un tipo o un altro per controllare il processo.

Controllo acceso/spento (On/Off).

Un regolatore on-off è la forma più semplice di regolatore di temperatura. L'uscita del dispositivo è alta (acceso) o bassa (spento), senza stato intermedio. Un regolatore on-off abilita l'uscita solo quando la temperatura supera il valore di riferimento. Per il controllo del riscaldamento, l'uscita è attiva quando la temperatura è al di sotto del valore di riferimento, e spenta al di sopra del valore di riferimento. Poiché la temperatura quando supera il valore di riferimento fa modificare lo stato di uscita, la temperatura di processo viene continuamente controllata e cambia ciclicamente, andando da sotto del setpoint a sopra e sotto nuovamente. Nei casi in cui questo ciclo sia molto rapido, onde evitare danni ai contattori, viene aggiunto un differenziale, o "isteresi", al circuito del dispositivo di controllo. Questo differenziale necessita che la temperatura superi il valore di riferimento di una certa quantità prima di spegnere o accendere l'uscita. Il differenziale on-off impedisce all'uscita di oscillare velocemente quando la temperatura cambi rapidamente attorno al valore di riferimento o setpoint. On-off viene solitamente utilizzato quando un controllo preciso non è necessario, in sistemi che non possono essere gestiti con frequenti interruzioni dell'alimentazione, in cui la massa del sistema è così grande che le temperature cambiano molto lentamente, o per un allarme di temperatura. Un tipo speciale di controllo on-off utilizzato per allarme è un dispositivo di controllo di limite. Questo termoregolatore utilizza un relè bistabile, che deve essere ripristinato manualmente, ed è utilizzato per arrestare un processo quando una certa temperatura viene raggiunta.

Controllo proporzionale.

I controlli proporzionali sono progettati per eliminare il ciclo on-off. Un regolatore proporzionale riduce la potenza media fornita al riscaldatore come la temperatura si avvicina al setpoint. Questo ha l'effetto di rallentare il riscaldatore in modo che lo stesso non supererà il valore di riferimento, avvicinandosi allo stesso e mantenendo una temperatura stabile. Quest'azione proporzionata può essere compiuta accendendo e spegnendo l'uscita per brevi intervalli di tempo. Questo "tempo proporzionale" varia il rapporto di tempo tra lo stato "on" e lo stato "off" per il controllo della temperatura. L'azione proporzionale agisce all'interno di un intervallo di valori attorno alla temperatura di riferimento o setpoint. Fuori da questo intervallo, il dispositivo di controllo funziona esattamente come un'unità on-off, con l'uscita alta (sotto la banda) o bassa (sopra la banda). Tuttavia, all'interno dell'intervallo di riferimento l'uscita viene accesa e spenta in proporzione alla differenza di misura dal valore di riferimento. Al valore di riferimento (punto medio della banda proporzionale), il rapporto d'uscita on:off è 1:1, che significa che i tempi di accensione e spegnimento sono uguali. Se la temperatura è più lontana dal valore di riferimento, i tempi di on e off variano in proporzione alla differenza di temperatura. Se la temperatura è al di sotto del valore di riferimento, l'uscita sarà mantenuta accesa più a lungo, se la temperatura è troppo alta, l'uscita sarà mantenuta off più a lungo.

Controllo PID.

Il terzo tipo di dispositivo di controllo fornisce un controllo Proporzionale, Integrale e Derivato (PID). Questo controller di temperatura combina il controllo proporzionale con due ulteriori correzioni, che aiuta l'unità a compensare automaticamente i cambiamenti nel sistema. Queste regolazioni, integrale e derivata, sono espresse in unità a base tempo, ma sono anche indicati con i loro reciproci, RESET e RATE, rispettivamente. I termini proporzionali, integrali e derivato devono essere adattati o "sintonizzati" individualmente ad un particolare sistema con una serie di tentativi ed errori. Esso fornisce il controllo più preciso e stabile dei tre tipi di dispositivi descritti, ed il suo migliore utilizzo è in sistemi che hanno una massa relativamente piccola e che reagiscono rapidamente alle variazioni dell'energia che interessa il processo stesso. Se ne raccomanda l'impiego in sistemi in cui il carico cambi di frequente e dove occorra che il regolatore compensi automaticamente, a causa di frequenti cambiamenti di valore del punto di riferimento, della quantità di energia disponibile, o della massa da controllare. OMEGA offre una serie di regolatori che calcolano automaticamente e regolano i valori PID per adattarsi al processo. Questi sono conosciuti con il nome di regolatori automatici.

Termoregolatori On-Off
I termoregolatori On-Off sono il tipo più semplice di controllori di temperatura, disponendo di un controllo on-off progettato per fornire la funzionalità di un regolatore PID ad uso generale, ma ad un prezzo adatto per applicazioni on / off.

Autoconfigurabile controllore PID
I controllori PID forniscono un controllo molto serrato, ma l'algoritmo PID richiede una taratura. I controllori autoconfigurabili forniscono tale funzione.

Sistemi di controllo Multi Loop
Ogni ciclo di controllo è normalmente costituito da un ingresso e almeno un'uscita. OMEGA offre numerosi regolatori multiloop che possono gestire più di un singolo ciclo di controllo. Per esempio CN1507 è in grado di gestire fino a 7 circuiti di controllo.

Controllore a limite di sicurezza
Un controllore a limite di sicurezza è un regolatore off-off con una uscita di blocco. Quando l'uscita cambia stato richiede un ripristino manuale. Sono tipicamente utilizzati come controller ridondanti, per arrestare un processo quando vengono raggiunti i limiti indesiderabili.

Termostati
Un interruttore di temperatura regolabile è adatto per applicazioni che richiedono una soluzione economica per il controllo della temperatura. I termostati sono in genere meno complicati e più facili da configurare rispetto ai più sofisticati controlli elettronici.

Come funziona un regolatore di temperatura?

Per controllare con precisione la temperatura di processo senza intervento dell'operatore, s'impiega un sistema di controllo della temperatura che si basa su un dispositivo di controllo che accetta in ingresso un sensore di temperatura come una termocoppia o RTD. Questi confronta la temperatura effettiva con la temperatura di controllo desiderata, o setpoint, e fornisce una uscita ad un elemento di controllo. Il dispositivo di controllo è parte integrante dell'intero sistema di controllo che deve essere analizzato per consentire di selezionare il dispositivo appropriato. I seguenti punti devono essere presi in considerazione quando si sceglie un regolatore / dispositivo di controllo:

1. Tipo di sensore in ingresso (termocoppia, RTD) e l'intervallo di temperatura.
2. Tipo di output richiesto (relè elettromeccanico, SSR, uscita analogica).
3. Algoritmi di regolazione necessari (on / off, proporzionale, PID).
4. Numero e tipo di uscite (caldo, freddo, allarme, limite).

Dimensioni DIN standard.

Dal momento che i modelli di regolatore di temperatura sono generalmente montati all'interno di un pannello strumenti, il pannello deve essere appositamente tagliato per permettere l'alloggiamento del regolatore stesso. Per fornire l'intercambiabilità tra termoregolatori, molti modelli di regolatore di temperatura sono progettati per dimensioni normalizzate DIN. Le dimensioni DIN più comuni sono riportate di seguito.

Dimensioni industriali dei fori a pannello.
TAGLIA DIN	Altezza	Larghezza
1/32 DIN	22.5mm	45mm
1/16 DIN	45mm	45mm
1/8 DIN	45mm	92mm
1/4 DIN	92mm	92mm