Effektiv temperaturkontroll: Slik fungerer reguleringsteknikk

Termoelement

Termoelement genererer selv en spenning (EMK) som er proporsjonal med temperaturen. De er populære på grunn av sin raske respons og lave kostnad, spesielt i industrielle miljøer.

• Type J (jern-konstantan): Brukes i tørre miljøer, for eksempel i plast- og gummiindustrien, med et temperaturområde fra 0 °C til 400 °C.
• Type K og N: Vanlige i ovner, med et temperaturområde fra 0 til 800 °C (maks 1200 °C).
• Andre typer: Egnet for målinger av mer ekstreme temperaturer, som under 0 °C (f.eks. Type T) eller over 1200 °C (Type S).

Ved lengre kabelstrekk kreves det kompensasjonskabler eller spesielle skjøtekontakter. Den anbefalte kabellengden er 50–100 meter, avhengig av applikasjon og miljø.

Motstandssensorer

Disse finnes i flere varianter, inkludert PT100, PT1000, PTC, NTC og noen andre mindre vanlige typer. I industriapplikasjoner er PT100 den mest brukte varianten, og det er også denne typen motstandssensor vi i OEM Automatic har flest tilgjengelige modeller av.

For en PT100 øker motstanden med temperaturen (0 °C = 100 Ω, 100 °C = ca. 138 Ω), det vil si at motstanden øker med omtrent 40 Ω per 100 °C. PT100 og PT1000 brukes hovedsakelig ved "lavere" temperaturer, fra -200 °C til +200 °C, og sjeldnere over 400 °C. De har bedre linearitet og stabilitet enn termoelementer. Ved forlengelse av kabelen, eller hvis det brukes en for tynn kabel, kan totalmotstanden øke, noe som fører til målefeil. I de fleste instrumenter kan denne feilen kompenseres for, og ofte brukes en treleder-sensor; den tredje lederen benyttes til å måle og kompensere for den økte motstanden. Instrumentets inngang må da være tilpasset for dette.

2. Regulatoren: Prosessens styrende enhet

Regulatoren styrer varmeelementene basert på signalet som sensoren leverer. For å forstå hvordan reguleringen fungerer, er det viktig å kjenne til to nøkkelbegreper:

• Setpoint: Den temperaturen du ønsker å oppnå i prosessen.
• Er-verdi: Den faktiske temperaturen i prosessen på et gitt tidspunkt.

Regulatoren sammenligner disse verdiene og justerer styresignalene for å minimere forskjellen mellom dem.

Reguleringsprinsipper

Avhengig av nøyaktighetskrav kan du velge mellom en enkel termostat eller en digital PID-regulator som automatisk kan optimalisere verdiene etter applikasjonen.

Nedenfor kan du lese mer om noen av de viktigste reguleringsbegrepene. Disse angir hvordan regulatorens reguleringsprinsipp er bygget opp.

Vær oppmerksom på at prinsippene gjelder for de fleste reguleringer, det vil si uavhengig av hva som reguleres – temperatur, trykk, flow osv. De fleste av våre regulatorer er imidlertid hovedsakelig utviklet for temperaturregulering. Derfor er flertallet av beskrivelsene nedenfor knyttet til temperaturregulering – men kontakt oss gjerne for spesifikke reguleringsbehov!

AV/PÅ-regulering

De fleste regulatorer på markedet er PID-regulatorer, som vil si at de har funksjoner for å styre en reguleringskrets på en optimal måte. Noen ganger kan det imidlertid være bedre å styre en prosess med AV/PÅ-regulering, altså uten disse funksjonene. Regulatoren fungerer da som en termostat, og de fleste regulatorer kan programmeres for denne typen styring.

Hvis applikasjonen ikke krever høy presisjon, er denne reguleringsmetoden den enkleste og ofte helt tilstrekkelig, spesielt når styringen skjer via kontaktorer eller releer som ikke tåler hyppige til- og frakoblinger.

Slik fungerer AV/PÅ-regulering: Når temperaturen når innstilt setpoint, slår utgangen seg av. Temperaturen stiger ofte litt mer på grunn av ettervarme i systemet, før den synker ned til den innstilte differanseverdien (hysteresen), som ligger under setpoint. Da slår utgangen seg på igjen. Dette fører til at temperaturen vil svinge mellom en øvre og en nedre grense og aldri bli helt stabil.

Proporsjonal regulering (P)

Ved proporsjonal regulering jobber regulatoren med et bånd (proporsjonalbånd eller forsterkning) som ligger rundt setpoint, samt en syklustid (proporsjonal tid). Dette båndet kan for eksempel være 10 °C, fordelt slik at 5 °C ligger over innstilt setpoint, og 5 °C ligger under. Innenfor dette båndet reguleres utgangens på-tid basert på syklustiden. Under båndet er utgangen alltid på og varmer, mens over båndet er utgangen alltid av. Innenfor båndet styrer regulatoren utgangens på-tid. Når temperaturen kommer inn i båndet, justeres på-tiden gradvis til temperaturen stabiliserer seg. Ideelt sett stabiliserer temperaturen seg på setpoint, hvor utgangen er på like lenge som den er av. Dette er sjelden tilfelle når AV/PÅ-, P- eller PD-regulatorer brukes, og temperaturen vil ofte stabilisere seg litt for høyt eller lavt, avhengig av tilgjengelig effekt i varmeelementet. Se I-funksjonen for mer informasjon.

Proporsjonal-deriverende regulering (PD)

Denne reguleringen fungerer som en P-regulator, men den deriverende funksjonen gjør at regulatoren reagerer raskere enn en ren P-regulator ved midlertidige temperaturendringer. Dette fører til en raskere gjenoppretting av temperaturen.

PID-reglering

I-funksjonen (I = integrerende) eliminerer feilen som ofte oppstår ved de ovennevnte reguleringsprinsippene, det vil si at temperaturen stabiliserer seg et stykke unna setpoint. Med riktig innstilling sørger I-funksjonen for at faktisk verdi (er-verdi) automatisk justeres til samme nivå som setpoint. Dette skjer ved at regulatoren flytter hele P-båndet og dermed tvinger temperaturen mot setpoint.

Oppvarmingskontroll

Denne funksjonen finnes i noen regulatorer og fungerer som et supplement til de ovennevnte PID-funksjonene. Den forhindrer at temperaturen stiger for høyt i oppvarmingsfasen – utgangen slår seg av tidligere, og er-verdien bremses til riktig nivå.

Analog regulering

En analog reguleringsutgang fra en regulator brukes i enkelte systemer for å styre spjeldmotorer, tyristorenheter eller frekvensomformere. Disse systemene gir ofte enda bedre reguleringsmuligheter, men de ligger i en høyere prisklasse. Den analoge endringen (for eksempel 0–10 V) skjer innenfor P-båndet: Under båndet gir den ut 10 V, over båndet gir den ut 0 V, og innenfor båndet justerer regulatoren utgangen til et nivå som gir riktig temperatur.

Solid State-releer (SSR)

Et solid state-relé er ofte å foretrekke fremfor for eksempel kontaktorer for å oppnå optimal regulering. Det bryter eller slutter strømkretsen til varmeelementene når spenningen er 0 V, noe som betyr at ingen forstyrrelser oppstår og det heller ikke skjer noen slitasje. I tillegg tåler de hyppige til- og frakoblinger, noe som gjør det mulig å "pulse" spenning til varmeelementene. Dette gir en jevn regulering og rask respons på temperaturendringer. Disse releene stiller imidlertid høyere krav til dimensjonering og installasjon, da de genererer varme som må avledes, og de må sikres med halvledersikringer. Når de er riktig installert, er de tilnærmet vedlikeholdsfrie, i motsetning til kontaktorer.

Det finnes et stort utvalg solid state-releer som kan håndtere alt fra små strømmer til litt over 100 A.

Merk at for strømmer over 40–60 A anbefales ofte tyristorstyring, da dette er bedre optimalisert for slike applikasjoner.

Tyristorstyring

Nøkkelen til effektiv temperaturkontroll

Support fra OEM Automatic

”Uansett om du jobber innen industrien eller ser etter løsninger for spesifikke temperaturkrav, er forståelse for disse tekniske grunnprinsippene nøkkelen til suksess. Trenger du teknisk support? Ikke nøl med å kontakte oss i OEM Automatic." – Joachim Bjelland, produktansvarlig hos OEM Automatic.