Управление климатом в термошкафах (аналоговый термостат, электронный термостат, термоконтроллер)

Основные задачи устройств, управляющих климатом — это контроль температуры внутри шкафа и активация соответствующих систем (охлаждения или обогрева) для поддержания необходимого микроклимата.

Самым простым и бюджетным элементом, управляющим климатом, является электромеханический аналоговый термостат, который может управлять нагревателем (у термостата нормально замкнутые контакты, NC – Normally Closed) или вентилятором (у термостата нормально разомкнутые контакты, NO – Normally Open). С помощью специальной ручки или поворотного переключателя на термостате выбирается температура, при достижении которой приводится в действие нагреватель или вентилятор. Разберём оба случая подробнее:

1. Термостат управляет нагревателем (NC - контакты):

• температура внутри шкафа выше заданного значения — контакт размыкается, отключается нагреватель;

• температура внутри шкафа ниже заданного значения — контакт замыкается, подаётся электрическое напряжение, включается нагреватель.

2. Термостат управляет вентилятором (NO-контакты):

• температура внутри шкафа поднимается выше заданного значения — контакт замыкается, подаётся электрическое напряжение, включается вентилятор;

• при снижении температуры контакт размыкается, отключая вентилятор.

Наиболее распространённый тип аналогового термостата — это биметаллический термостат. Принцип его работы основан на температурной деформации металлов: две пластины, выполненные из металла с различными коэффициентами теплового расширения, изменяют свою форму при изменении температуры. Плюсы таких устройств: низкая стоимость, малые габариты, отсутствие собственного энергопотребления. Минусы электромеханических аналоговых термостатов: значительный нелинейный разброс величины срабатывания — от 3°С до 10°С; ограниченный пропускаемый ток (этот недостаток можно компенсировать при помощи силового реле).

Электронный термостат — выполняет те же функции, что и аналоговый, но в отличие от него работает с высокой чувствительностью и точностью — до 0,5°С, кроме того, конструкция электронного термостата позволяет управлять и системами охлаждения, и системами обогрева, и подключённой нагрузкой (например, в случае режима «теплый пуск»).

Электронный термостат состоит из терморезистора (термистора), реле и цепи управления. Терморезистор — электронный компонент, сопротивление которого меняется при изменении температуры. Схема управления помогает терморезистору измерять температуру, сравнивать её значение с заданным и с помощью реле включать или выключать подключённую нагрузку при достижении установленной температуры. От типа терморезистора, установленного в термостате, зависит диапазон измеряемых температур. Например, NTC-термисторы обычно эффективно работают в диапазоне от -55°С до +150°С.

Диапазон температуры срабатывания реле устанавливается цифровым способом, современные электронные термостаты оснащены цифровым дисплеем, способным отображать текущие показатели температуры с точной регулировкой заданных параметров.

Термоконтроллер — это, по сути, электронный термостат с возможностью программирования режимов работы систем климат-контроля и нагрузки, кроме того, он позволяет поддерживать постоянные параметры температуры в термошкафу за счет ПИД-регулирования.

Принцип работы термоконтроллера заключается в получении входного сигнала с датчика температуры и формирования сигнала управления климатическим оборудованием на основании величины значения измеряемого параметра.

ПИД-регулирование — это инструмент, который использует механизм обратной связи в контуре управления для контроля переменных процессов, что позволяет наиболее точно и стабильно поддерживать заданные параметры микроклимата.

Сигнал управления термоконтроллера с ПИД-регулированием формируется на базе полного или частичного пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулирования. При этом происходит расчёт трёх величин:

• пропорциональная — отклонение текущего результата измерения от заданного значения;

• интегрирующая — интеграл по времени от разницы значений;

• дифференцирующая — скорость изменения разницы значений.

Выходной сигнал ПИД-регулятора включает в себя одну, две или сумму всех трёх величин.

Основные преимущества современных термоконтроллеров:

• одновременное измерение и регулирование уровня температуры и влажности воздуха;

• одновременное управление процессами охлаждения и обогрева;

• высокая точность и стабильность работы;

• различные варианты управления параметрами, включая ПИД-регулирование;

• возможность многоканального измерения и управления с поддержкой различных режимов работы;

• программирование режимов работы;

• защита оборудования от перегрева и «холодного» пуска;

• удалённый мониторинг и управление через различные интерфейсы (например, Modbus RTU);

• возможность использовать встроенные и выносные датчики температуры;

• возможность интеграции в термоконтроллер дополнительных модулей: реле времени, аварийной сигнализации, защиты от перенапряжения и многих других современных устройств и функций.