מערכות בקרת טמפרטורה למעבדה
כפי שהשם מרמז, בקר טמפרטורה הוא מכשיר המשמש לשליטה בטמפרטורות, בעיקר ללא מעורבות נרחבת של המפעיל. בקר במערכת בקרת טמפרטורה יקבל חיישן טמפרטורה כגון צמד תרמי או RTD כקלט וישווה את הטמפרטורה בפועל לטמפרטורת הבקרה הרצויה, או לנקודת ההגדרה. לאחר מכן הוא יספק פלט/פיקוד/פקודה לאלמנט בקרה.
דוגמה טובה תהיה אפליקציה שבה הבקר לוקח קלט מחיישן טמפרטורה ויש לו פיקוד המחוברת לאלמנט בקרה כגון תנור חימום או מאוורר. הבקר הוא בדרך כלל רק חלק אחד ממערכת בקרת טמפרטורה, ויש לנתח את המערכת כולה ולהתייחס אליה בבחירת הבקר המתאים.
משתמשים בבקר טמפרטורה במעבדה בתהליכים כמו:חימום סלייד בזמן שצופים בו במיקרוסקופ,בקרת טמפרטורה על כרית חימום שעליה מונח בעל חיים שמבוצע בו ניתוח,חימום צנרת על ידי סרטי חימום,חימום אזור שמבוצע בו ניסוי בטמפרטורה מבוקרת על יד מפזר חום.בקרת טמפרטורה על מיכל מים שמחומם על ידי פלטת חימום.
מה מעניק לנו בקר טמפרטורה?
לבקר טמפרטורה תפקיד חשוב בשמירה על טווח טמפרטורות. הוא מנתר את הטמפרטורה בחדר הקירור או החלל, מאתר חריגות ושולח התראה מיידית כדי לטמפל בשינוי החריג. חיישני טמפרטורה מתחברים לבקר וכן ישנה אפשרות להתחבר לגופי חימום וקירור
איך עובד בקר טמפרטורה
את גוף החימום מחברים לשקע מארז הבקרה במקום לשקע החשמל ואת גשש הטמפרטורה ממקמים במקום שרוצים לבקר את הטמפרטורה,מארז הבקרה יבקר באופן מדוייק ויציב את האזור המבוקש ביציבות של +-1 צלזיוס.
מארז הבקרה יכול לקבל גוף חימום בהספק עד 3000וואט,ניתן לקבל אותו כפרוגרמר
לקביעת פרופילי טמפרטורה עם תקשורת למחשב למעקב אחר התהליך ולבקרה דרך המחשב,
ובתוספת בקר ביטחון להגנת טמפרטורת יתר לתהליכים שהם ללא השגחה בלילות ובסופי שבוע.
מה צריך לקחת בחשבון בבחירת בקר טמפרטורה
חשוב להתייחס למידות , לטווח הטמפרטורה שהבקר מודד, לדיוק שלו, למתח הכניסה, לסוג יציאת הממסר, לרגש המדידה של המכשיר, לתצוגת המכשיר, לאופן השליטה והתכנות של הבקר.
ישנם שלושה סוגים בסיסיים של בקרי תהליך:
הפעלה/כיבוי (( ON/OFF,
פרופורציונלי
ו-PID.
בהתאם למערכת שיש לשלוט בה, המפעיל יוכל להשתמש בסוג כזה או אחר כדי לשלוט בתהליך.
בקר טמפרטורה הפעלה/כיבוי (דו מצבית ( ON/OFF
בקר טמפרטורה הפעלה/כיבוי הוא הצורה הפשוטה ביותר של מכשיר בקרה. הפיקוד מהמכשיר מופעל או כבוי, ללא מצב אמצעי. בקר הפעלה/כיבוי יחליף את מצב הפיקוד מהבקר רק כאשר הטמפרטורה חוצה את נקודת הסף שהוגדרה .
עבור בקרת חימום, פיקוד פועל כאשר הטמפרטורה מתחת לנקודת הסף , וכבויה מעל לנקודת הסף.
עבור בקרת קירור, פיקוד פועל כאשר הטמפרטורה מעל לנקודת הסף, וכבויה מתחת לנקודת הסף.
מתקיים תהליך אשר בו הטמפרטורה של החומר/חלל/מוצר המבוקר עולה ויורדת מעל ומתחת לנקודת הסף גורמת לשינוי מצב הפיקוד במחזוריות מתמשכת, ותעבור מתחת לנקודת הסף למעלה, ובחזרה למטה.
במקרים בהם מחזוריות זו מתרחשת במהירות, וכדי למנוע נזק למגעים ולשסתומים, מתווסף לפעולות הבקר דיפרנציאל הפעלה/כיבוי, או "היסטרזיס". (כלומר : הפרש טמפרטורות בין נקודת הסף להפעלה לבין נקודת הסף לכיבוי.)
הפרש זה מחייב שהטמפרטורה תעלה על נקודת הסף בכמות מסוימת לפני שהפיקוד מהבקר יכבה או יופעל שוב.
דיפרנציאל הפעלה-כיבוי מונע מהפיקוד של הבקר ביצוע של מעברים מהירים בתדירות גבוהה הפעלה-כיבוי-הפעלה וחוזר בגלל שהמעבר של הטמפרטורה מעל ומתחת לנקודת הסף מתרחשת במהירות רבה.
בקרת הפעלה וכיבוי משמשת בדרך כלל כאשר אין צורך בשליטה מדויקת, במערכות שאינן יכולות להתמודד עם הפעלה וכיבוי של האנרגיה בתדירות גבוהה, שבהן מסת המערכת כה גדולה עד שהטמפרטורות משתנות באיטיות רבה, או עבור התרעות טמפרטורה.
סוג נוסף של בקרת הפעלה-כיבוי הוא בקר הגבלה. בקר זה משתמש בממסר נעילה, אותו יש לאפס ידנית, ומשמש להפסקת תהליך כאשר מגיעים לטמפרטורה מסוימת. (דוגמא פשוטה: קומקום חשמלי אשר מכבה את גוף החימום לחלוטין כאשר המים מגיעים לנקודת הרתיחה , אך אינו מפעיל אותו אוטומטית כאשר טמפ' המים יורדת . הפעלת גוף החימום מחדש נעשית בצורה ידנית )
בקרה פרופורציונלית
בקרה פרופורציונלית נועדה למזער את התנודתיות בהפעלה וכיבוי של פיקודי הבקר המפעילים את החימום והקירור כפי שמתבצע בבקרת הפעלה/כיבוי ON/OFF. בקר פרופורציונלי מקטין את ההספק הממוצע המסופק למחמם כאשר הטמפרטורה מתקרבת לנקודת הסף.
בקרה פרופורציונלית תגרום להאטה של פעולת החימום ככול שהטמפ' המעשית של הגוף המבוקר תתקרב לנקודת הסף, זאת כדי שתמנע חריגת טמפ' מנקודת הסף בצורה משמעותית, וכדי לשמור על טמפרטורה יציבה.
פעולת הבקרה פרופורציונלית הזו יכולה להתבצע על ידי הפעלה וכיבוי של פיקודי היציאה לפרקי זמן קצרים. "פרופורציות זמן" המשנה את היחס בין זמן "הפעלה" לזמן "כיבוי" המהווה סוג של שליטה על עוצמת החימום .
פעילות הבקרה הפרופורציונלית מתרחשת בתוך "רצועה טמפ' פרופורציונלית" סביב הטמפרטורה שנקבעה כטמפ' סף.
מחוץ לרצועה זו, בקר הטמפרטורה מתפקד כיחידת הפעלה-כיבוי, כאשר הפיקוד פועל באופן מלא (מתחת לרצועה) או כבוי לחלוטין (מעל הרצועה).
עם זאת, בתוך הרצועה, פיקוד הבקר מופעל וכבוי ביחס של הפרש המדידה מנקודת הסף.
בנקודת הסף (נקודת האמצע של "הרצועה הפרופורציונלית"), יחס ההפעלה של פיקוד הבקר on:off הוא 1:1; כלומר, ה-on time וה-off time שווים.
ככל שהטמפרטורה רחוקה מנקודת הסף, זמני ההפעלה והכיבוי משתנים ביחס להפרש הטמפרטורה. אם הטמפרטורה נמוכה מנקודת ההגדרה, הפיקוד יהיה מופעל יותר; אם הטמפרטורה גבוהה מדי, הפיקוד יהיה כבוי זמן רב יותר.
בקרת PID
סוג הבקר השלישי מספק בקרה משולבת פרופורציונלית עם שליטה אינטגרלית ונגזרת (בקרת השינוי)., או בקיצור PID.
בקר זה משלב שליטה פרופורציונלית עם שתי התאמות נוספות, המסייעות לבקר לפצות אוטומטית על שינויים במערכת "מהפרעות" חיצוניות.
התאמות אלו, אינטגרליות ונגזרות, מתבטאות ביחידות מבוססות זמן.
יש להתאים ולקבוע בבקר את הפרמטרים הפרופורציונליים, האינטגרליים והנגזרים בנפרד ו/או "לכוון" ולקבוע אותם למערכת מסוימת באמצעות ניסוי וטעיה.
ישנם בקרים אשר קיימת בהם פונקציית auto tunning שקובעת את הפרמטרים הנ"ל באופן אוטומטי על ידי הרצה "ולימוד" של תהליך החימום/קירור .
בקר זה מספק את השליטה המדויקת והיציבה ביותר מבין שלושת סוגי הבקרים, ומשמש בצורה הטובה ביותר במערכות בעלות מסה קטנה יחסית, כאלו המגיבות במהירות לשינויים באנרגיה המתווספת לתהליך.
בקר זה מומלץ במערכות שבהן העומס משתנה לעתים קרובות והבקר צפוי לפצות אוטומטית עקב שינויים תכופים בנק' הסף –(setpoint) .
היתרונות בשימוש בבקרי PID הינם משולבים:
קבלת משוב מהתהליך – ע"י החלק הפרופורציונלי/יחסי - P
יכולת התמודדות עם היסט מנקודת הסף OFFSET) ) - ע"י החלק האינטגרלי - I
וחיזוי עתידי ע"י החלק הדיפרנציאלי - D
חשיבות בקר PID היא רבה - הוא שומר על יציבות התהליך, מונע התבדרותו בעת הפרעה והוא דואג להחזיר את הפרמטרים למצבם הרצוי בזמן הקצר ביותר, אם לאחר שינוי יזום בפרמטר (למשל שינוי בנק' הסף) , או אם בגלל הפרעה חיצונית, תוך הקטנת שגיאת התהליך.
בבקרה דו מצבית , הפעלה/כיבוי ( ( ON/OFF - תפוקת הבקר היא או תפוקה מלאה (%100 (או תפוקה אפס (%0.(
בבקרה פרופורציונלית, התפוקה נמצאת ביחס ישר לגודל השגיאה המתקבלת. במערכת כזאת, עוצמת האות (חימום/קירור) המועבר מהבקר לרכיב ההפעלה תלויה בסטייה של הטמפ' המצויה מן טמפ' הרצויה/נק' הסף (גודל השגיאה).
בבקרה אינטגרלית, תפוקת האות המופעל ע"י הבקר אינה נמצאת ביחס ישר לשגיאה (כמו בבקר פרופורציוני), אלא ביחס ישר לשטח שבין עקום השגיאה לבין ציר הזמן.
בקר PI פרופורציונלי אינטגרלי - הוא בעל ביצועים טובים מאוד במערכות שבהן לא נדרשת תגובה מהירה מאוד לשינויים פתאומיים בעומס (או באותות המבוא) למערכת. זאת משום שלמרות התרומה של החלק הפרופורציוני, לתגובה הפרופורציונית-אינטגרלית עדיין דרוש זמן מסוים עד למצב שבו השגיאה מתאפסת.
בקרת נגזרת - פועלת בצורה הפוכה לבקרה אינטגרלית. כדי להתגבר על זמן ההתייצבות הארוך של בקר PI , מוסיפים לבקר רכיב נוסף הנקרא בקר נגזרת (בקר D .(התפוקה של בקר נגזרת נמצאת ביחס ישר לקצב השינוי של השגיאה, או לנגזרת של השגיאה לפי הזמן.
בקרת נגזרת היא בעלת תכונה של "ניבוי", מבחינת יכולתה להקדים "תרופה למכה". ואמנם אם השגיאה קטנה ביותר, אך גדלה בקצב מהיר, תפוקת הבקר גדולה יותר, בהתאם לקצב הגידול של השגיאה.
מאמרים בנושא בקרי טמפרטורה:
מושגים בבקרת טמפרטורה
מה עלינו לדעת על בקר טמפרטורה?