جهاز تحديد الهوية، جهاز استشعار درجة الحرارة

أنا. أولاً -مقدمة

قبل ظهور خوارزميات التحكم المتطورة مثل PID (التناسبي المتكامل المشتق)، كانت تستخدم أساليب أبسط عادة لتنظيم درجة الحرارة. وأكثرها بساطة هو نظام التشغيل وإيقاف التشغيل الذي يشغل السخان عندما تنخفض درجة الحرارة عن الحد الأدنى، ويغلقه عند بلوغ الحد الأدنى. هذه الطريقة بسيطة، ولكنها يمكن أن تؤدي إلى اختلافات كبيرة في درجات الحرارة، والتي تتذبذب مرارا وتكرارا حول نقطة مسبقة الضبط. النظام غير قادر على التمييز بين التغيرات في درجة الحرارة والأخطاء ذات المقادير المختلفة. إنه يستجيب فقط إذا تجاوزت درجة الحرارة الحدود المحددة. وهناك طريقة أكثر تعقيداً بقليل وهي التحكم النسبي الذي يتم بواسطته تغيير معدل التسخين فيما يتعلق بانحراف درجة الحرارة عن الهدف. هذه الطريقة عرضة لأخطاء الحالة الثابتة، مما يعني أن درجة الحرارة التي وصلت في نهاية العملية قد تكون أقل قليلا من النقطة المحددة. يجب أن يعمل المدفأة باستمرار لتعويض هذا الخطأ. النهج الأبسط يفتقر إلى الدقة والاستقرار للتطبيقات التي تتطلب تحكم ضيق في درجة الحرارة.

ج. (ج) مقدمة إلى التحكم في الحلقة المغلقة: استراتيجية قوية للتحكم في استبانة المعلومات الشخصية

وظهر التحكم في أجهزة تعريف المنتج كحل فعال ومتطور لتنظيم درجات الحرارة. وحدة التحكم في تعريف المنتج هي حجر الزاوية في التحكم في العمليات الحديثة#تستخدم في العديد من الصناعات بسبب مرونتها ومتانتها. نظام الحلقة المغلقة هو أساس تشغيله. وهذا ينطوي على القياس المستمر لمتغير العملية الفعلية -في هذا السياق، درجة الحرارة -ومقارنتها مع درجة حرارة النقطة المحددة المطلوبة، وحساب الخطأ بين الاثنين، ومن ثم توليد إشارة الخرج التي تعمل على المشغل لتقليل هذا الخطأ. PID&#التكامل و المشتقات العمل معًا لتحقيق ذلك، وتوفير مستوى تحكم أفضل بكثير من الطرق البسيطة مثل التشغيل المباشر. وتُعتبر أداة تحديد الهوية الشخصية هي الخيار الأفضل عندما تتطلب التطبيقات مستويات عالية من الدقة والثبات والاستجابة.

د. مجس درجة الحرارة: المدخل الأساسي للتحكم الدقيق في تعريف المعلمات

ويعتبر مستشعر درجة الحرارة مكونًا مهمًا في جهاز التحكم في تعريف المعلمات. جهاز الاستشعار هو العنصر الحسي الأساسي الذي يوفر البيانات في الوقت الحقيقي المطلوبة من قبل جهاز التحكم. جهاز الاستشعار#وظيفة 39;s الأساسية هي تحويل الخاصية الفيزيائية للطاقة الحرارية -درجة الحرارة -إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها ومعالجتها من قبل نظام التحكم. ويتم تمثيل الطاقة الكهروضوئية الحالية بواسطة هذه الإشارة الكهربائية. ويمكن أن يكون في شكل اختلاف الجهد أو تغيير المقاومة أو التردد أو القيمة الرقمية. لن يكون جهاز التحكم في تعريف المعلمات قادرًا على إجراء الحسابات دون وجود جهاز استشعار دقيق لدرجة الحرارة. وترتبط الجودة والدقة والاستقرار ارتباطاً مباشراً بفعالية وأداء نظام تحديد الهوية الشخصية. اختيار أجهزة استشعار درجة الحرارة الصحيحة والتأكد من دمجها بشكل صحيح هي خطوات حاسمة لنجاح نظام التحكم في درجة حرارة أجهزة تعريف المعلمات.

إي. الغرض من هذه المقالة هو شرح العلاقة بين أجهزة استشعار درجة الحرارة وأجهزة التحكم في تعريف المنتج من أجل إدارة حرارية فعالة.

هذه المادة#الهدف الأساسي ل 39 هو استكشاف العلاقة بين أجهزة استشعار درجة الحرارة وأجهزة التحكم في تعريف المنتج. ويكمن هدفنا في شرح السبب وراء أهمية أجهزة استشعار درجة الحرارة في أجهزة التحكم في أجهزة كشف الهوية الشخصية وكيفية عملها معًا. ستشرح هذه المقالة المبادئ الأساسية ل PID، بما في ذلك المصطلحات P و I و د. وسوف تبحث المقالة مختلف أجهزة استشعار درجات الحرارة التي يشيع استخدامها مع أنظمة التحكم في إشارات الهوية الشخصية المعلمة وتناقش مزاياها وقيودها. كما يستكشف المقال الجوانب العملية لدمج أجهزة استشعار درجة الحرارة مع أجهزة التحكم في تعريف الهوية الشخصي، بما في ذلك تكييف الإشارة وبروتوكولات الاتصالات وحساب متغيرات العملية (PV). وسيساعد فهم هذا التآزر القراء على اكتساب فهم أفضل لاستراتيجيات التحكم المعقدة المستخدمة في نظم الإدارة الحرارية. هم#سيكون أيضًا أكثر استعدادًا لتصميم وتركيب وإصلاح هذه الأنظمة.

ص. فهم التحكم في تحديد الهوية المسبق لتنظيم درجة الحرارة

يعتمد تعريف الهوية الشخصي على فكرة حلقة تغذية مرتدة التحكم. تتكون الحلقة من مكونات مترابطة تعمل معًا للحفاظ على متغير العملية، في هذه الحالة درجة الحرارة، عند نقطة محددة. يتضمن الهيكل الأساسي ما يلي: 1) المجس: يقيس درجة حرارة التيار، أو PV (العملية المتغيرة)، ويحول ذلك إلى إشارة كهربائية. نقطة الانطلاق: وهي درجة الحرارة المستهدفة أو المطلوبة كما حددها المستخدمون أو العمليات. المراقب المالي: وهي خوارزمية تعريف المنتج الفعلي، والتي يمكن تنفيذها في وحدة تحكم صناعية مخصصة أو وحدة تحكم دقيقة. يستقبل جهاز التحكم قياسات المستشعر (PV)، ويقارنها مع نقاط الضبط (SP)، ويحسب الخطأ (E = SPD -PV)، ثم يحدد إشارة التحكم التي تكون مناسبة بناء على شروط تعريف نقطة التحكم. مشغِّل: عند استقبال الإشارة من وحدة التحكم، يترجم هذا المكون الأمر إلى إجراءات فيزيائية من شأنها أن تؤثر على متغير العملية. وعادة ما يكون المشغل في نظام التحكم في درجة الحرارة مكون تسخين (مثل المقاومات أو كتل التسخين) يتم التحكم فيه عن طريق ضبط الطاقة أو عنصر التبريد. ثم يؤثر هذا الخرج على درجة الحرارة التي يتم قياسها بواسطة أجهزة الاستشعار. الحلقة المغلقة -يقيس جهاز الاستشعار -> خطأ محسوب -> يحسب المراقب -> تفاعل المشغل -> التغيرات في درجات الحرارة -> ويقاس مرة أخرى بواسطة المستشعر -يشكل دورة مستمرة ذاتية التصحيح.

1. تناسبي: الاستجابة للخطأ الحالي (الاختلاف في Setpoint و Process variable).

هذا المصطلح ينتج نتيجة تحكم تتناسب بشكل مباشر مع الخطأ الحالي بين Setpoint (SP) و Process variables (PV). ويمكن التعبير عنها رياضيا على أنها P_output=Kp* E، حيث Kp تمثل ثابت الكسب النسبي. المصطلح النسبي هو النظام#تفاعل 39;s عندما يكتشف كم تبعد درجة الحرارة الحالية عن النقطة المحددة. تكون إشارة التحكم أقوى عندما يكون الخطأ أكبر. وهذا يشير إلى محاولة أكثر عدوانية لتحقيق درجة الحرارة أقرب إلى نقطة الضبط المطلوبة. إذا كانت درجة حرارة الغرفة أقل من المطلوب، سيكون الخرج كبير، وقد تكون هناك حاجة إلى المزيد من التسخين. في المقابل، عندما تقترب درجة الحرارة من النقطة المحددة المطلوبة، يكون الخرج النسبي صغير. على الرغم من أن التحكم النسبي هو استجابة ضرورية وأولية، إلا أنه يمكن أن يؤدي إلى أخطاء في الحالة الثابتة. قد يستقر النظام بعيدا عن النقطة المحددة بالضبط مع مرور الوقت بسبب عدم كفاية جهود التحكم.

فو تشي داي ما 2. ** متكاملة):** القضاء على أخطاء الحالة الثابتة بمرور الوقت. يتناول المفهوم المتكامل أخطاء الحالة الثابتة التي قد تترك دون تصحيح بواسطة النسبة النسبية. ويتم ذلك عن طريق جمع الأخطاء مع مرور الوقت، ثم أخذ التصحيح على أساس هذه القيمة. إيتد#39;s ممثلة رياضيا بواسطة I_output = E d*Ki, حيث E dt هو خطأ متكامل للوقت. ويضاف المصطلح المتكامل إلى ناتج وحدة التحكم طالما كان هناك خطأ، بغض النظر عن صغره. تجعل الإضافة الثابتة المُشغل يقوم بتعديلات مستمرة (على سبيل المثال زيادة طفيفة في التسخين)، حتى يتم القضاء على الخطأ. ومن المفيد التعويض عن الانحرافات والاضطرابات التي تحدث على مدى فترة طويلة من الزمن والتي قد لا تتمكن الشروط النسبية من التغلب عليها. إذا أصبح الحد المتكامل كبيرا جدا، وهذا يمكن أن يسبب تذبذبا وعدم استقرار، وخاصة إذا كان هناك تغيير سريع في الخطأ. 3. * توقع الأخطاء في المستقبل بناء على معدل التغيير. مصطلح المشتقة هو مكون يتنبأ بالعمل. يحسب الحد المشتق معدل تغير الخطأ (dE/dt)، ثم يستخدم هذه المعلومات للتنبؤ بالأخطاء المستقبلية. إيتد#39;s ممثلة رياضيا بواسطة D_output = dE/dt*Kd, حيث Kd تمثل ثابت كسب المشتقات. فهو يخمد استجابة النظام، لا سيما عندما يتغير الخطأ بسرعة. ويكون ناتج المشتقات سالبا إذا ارتفعت درجة الحرارة بسرعة وكان النظام على وشك تجاوز النقطة المحددة. هذا يساعد على إيقاف التجاوز. وفي الحالة المعاكسة، إذا انخفضت درجة الحرارة بسرعة، فإن المشتقات تنتج نتيجة إيجابية، مما يشجع التسخين على العودة بسرعة أكبر. يحسن هذا الإجراء التنبؤي وقت الاستجابة، ويثبت النظام، ويقلل من فرط النمو ونقص النمو. يجب ضبط المكاسب المشتقة بعناية، لأن الكثير من المشتقة يمكن أن يسبب ضوضاء لدخول إشارة التحكم.

ج. تحسن طريقة تحديد الهوية الشخصية التحكم في درجة الحرارة: الدقة والثبات ووقت الاستجابة الأسرع مقارنة بالطرق الأساسية.

يوفر جهاز التحكم في تعريف الهوية المعلوماتي العديد من المزايا لطرق التحكم الأخرى في درجة الحرارة، مثل التحكم في التشغيل والتناسبية الأساسية، خاصة عندما تكون الدقة والاستجابة والثبات مهمة. الجمع بين المصطلحات P و I و D يسمح لوحدة التحكم بالاستجابة بشكل مناسب التيار درجات الحرارة، للتصحيح السابق أخطاء من خلال التكامل و التنبؤ الاتجاهات المستقبلية باستخدام التمايز. وللتآزر فوائد عديدة.

أولا، دقة متزايدة يمكن تحقيقها بمصطلح متكامل. وهو يزيل الأخطاء في الحالة الثابتة التي غالبا ما تترك دون معالجة مع أساليب أبسط. الحد المشتق يخمد التذبذبات، ومنع تجاوز الهدف، ويتحسن الثبات، خاصة في حالات تغيرات الحمل أو الاضطراب. أوقات استجابة أسرع غالبا ما تكون ممكنة، لأن المراقب قادر على إجراء تصحيحات عنيفة (ربح P أعلى)، مع الحفاظ على الاستقرار (المدى D). كما أن نظام تحديد الهوية الشخصية متين ويمكن استخدامه في طائفة واسعة من الظروف. وهذا يجعلها مثالية للعمليات التي هي ديناميكية، حيث احتياجات التدفئة قد تتغير. تعريف الهوية الشخصي هو التحكم المفضل للتطبيقات التي تتطلب الدقة والموثوقية.

د. المعلمات مهمة: الخطأ (الإخراج)، نقطة التحول، المعالجة المتغيرة (PV)،

من المهم فهم المصطلحات المستخدمة في نظام التحكم في حلقة تعريف المنتج إذا كنت ترغب في فهم كيفية عمله بشكل كامل. وتشمل البارامترات الأساسية ما يلي:

• نقطة الانطلاق: النقطة المحددة هي درجة الحرارة التي يهدف النظام للحفاظ عليها. هذه هي درجة الحرارة الثابتة التي يحددها المشغل أو منطق العملية.

· متغير العملية: هذه هي درجة الحرارة المقيسة التي يحصل عليها جهاز استشعار درجة الحرارة. يقوم جهاز التحكم في تعريف المعلمات بمراقبة قيمة الإدخال بشكل مستمر.

· الخطأ: يتم حساب الكمية الأساسية من قبل المتحكم. الخطأ (E) هو الفرق بين سيتبوينت ومتغير العملية. يظهر الخطأ الإيجابي أن درجة الحرارة في الواقع أقل من النقطة المحددة. الخطأ السلبي هو العكس. الخطأ صفر هو نفسه

· مراقب المخرجات: يتم توليد الإشارة باستخدام خوارزمية تعريف الهوية PID على أساس الخطأ المحسوب، P و I و D. سيتم إرسال إشارة الخرج إلى المشغل. هذا المخرجات#طبيعة 39;s (الجهد أو التيار) تعتمد على كيفية تكوين المتحكم والمحرك. وغالبًا ما يكون هذا الناتج دورة عمل في أنظمة أردوينو التي تستخدم PWM.

الثالث. ما هو الدور الحاسم لأجهزة استشعار درجة الحرارة؟

أ. وظيفة المستشعر الحراري هي تحويل الطاقة الحرارية (درجة الحرارة) إلى إشارة كهربائية يمكن استخدامها. )

أي مستشعرات لدرجة الحرارة#وظيفة ال 39 الأساسية هي تحويل الخاصية الحرارية الفيزيائية المحيطة بها إلى إشارة كهربائية. يمكن أن يتم التحويل بطرق متنوعة. على سبيل المثال، تنتج RTDs و Thermistors تغيرات المقاومة التي يمكن قياسها بواسطة جسر ويتستون. بعض أجهزة الاستشعار تنتج الجهد المتغير الذي يتغير مع درجة الحرارة. اعتمادا على درجة الحرارة، بعض أجهزة الاستشعار مثل المزوجات الحرارية تنتج الجهد عند التقاطع بين اثنين من المعادن. بعض أجهزة الاستشعار الرقمية تخرج إشارة من التردد (على سبيل المثال بعض RTDs أو DS18B20)، في حين أن البعض الآخر يوفر كلمة في شكل رقمي التي تمثل درجة الحرارة. هذه البيانات الحرارية لا يمكن استخدامها مباشرة من قبل المتحكم PID. وهو يتطلب مخرجات كهربائية، والتي تقوم بعد ذلك بمعالجتها (على سبيل المثال عن طريق أجهزة استشعار تناظرية)، للحصول على قيمة رقمية (PV) تمثل درجة الحرارة.

ب. أهمية القياس الدقيق: التأثير المباشر على الأداء (تعتمد حسابات مؤشرات الأداء على الإدخال الدقيق).

أجهزة استشعار درجة الحرارة لها تأثير على الأداء العام للنظام. تعتمد خوارزمية PID على PV لتحديد الخطأ ثم حساب E = SP -PV. وسيتم تضخيم أي ضوضاء أو عدم دقة مقدمة من مستشعر درجة الحرارة. سيقوم جهاز التحكم في تعريف المعلمات بإجراء تعديلات خاطئة إذا كان جهاز الاستشعار يبلغ باستمرار عن قراءة أعلى أو أقل بقليل. وهذا يؤدي إلى نظام يتم التحكم فيه بشكل جيد بعيدًا عن نقطة الانطلاق المطلوبة. كما يلعب وقت الاستجابة أو مدى سرعة تفاعل المستشعر مع تغيرات درجة الحرارة دورًا أيضًا. ومن الممكن أن الحساس البطيء لن يعطي وحدات التحكم في تعريف المنتج التغذية الراجعة اللازمة لإدارة العمليات ذات التغييرات السريعة. ومن ثم فمن الأهمية بمكان اختيار جهاز استشعار يتمتع بخصائص الدقة والاستجابة والاستبانة المناسبة. وهذا سيسمح لك بتحقيق ضبط دقيق وموثوق في درجة الحرارة باستخدام خاصية تحديد الهوية الشخصية.

ج. التحكم في درجة الحرارة: متطلبات دقة واستبانة المستشعر

يمكن تصنيف أجهزة استشعار درجة الحرارة حسب تصنيفها الدقة الذي يظهر مدى تطابق قراءة المستشعر مع درجة الحرارة. القرار ) يصف التغيرات الصغيرة في درجة الحرارة التي يستطيع المستشعر تمييزها. تلعب كل من الدقة والدقة دورًا في التحكم الموثوق في درجة حرارة تعريف المنتج المسبق. وهذا ينطبق بشكل خاص على التطبيقات التي تتطلب تحملا مشددا. وتعتمد متطلبات الدقة بشكل كبير على تطبيقات محددة. على سبيل المثال، يمكن أن تكون الدقة المطلوبة للتحكم في درجة الحرارة على فرن طابعة ثلاثية الأبعاد منخفضة إلى +-1degC في حين أن الدقة المطلوبة للحفاظ على درجة الحرارة في الحاضنة قد تحتاج فقط +-0.5C. وغالبًا ما يتم التعبير عن دقة المستشعر بالبتات. على سبيل المثال، إذا خرج المستشعر 1024 قيم منفصلة، ستكون الدقة 10 بت. توفر الدقة الأعلى مستوى أفضل من التحكم ولكن يجب أن يقترن مع وحدة تحكم يمكنها التعامل مع الدقة المضافة. ولضمان عمل نظام تعريف المعلمات بشكل فعال، يجب أن تتوافق مواصفات المستشعر المختارة مع متطلبات المهمة.

D. اختيار جهاز استشعار: مدى الحرارة والدقة وزمن الاستجابة. التكلفة والظروف البيئية. متطلبات الواجهة.

عند اختيار مستشعر درجة الحرارة الصحيح، من المهم النظر في عدة عوامل.

1. نطاق درجة الحرارة: يجب أن يكون المستشعر قادرا على القياس في حدود درجة الحرارة التشغيلية للتطبيق. المستشعر الذي هو فوق النطاق يمكن أن يؤدي إلى ضرر دائم.

2. الدقة والدقة: كما نوقش سابقا، يجب أن تلبي دقة المستشعر احتياجات التطبيق. كما يجب أخذ اعتبارات المعايرة في الاعتبار.

3. زمن الاستجابة: يجب أن تستجيب المستشعرات بسرعة إلى ردود الفعل، مما يسمح لها بمواكبة معدل التدفئة/التبريد. قد تعيق الاستجابة البطيئة أداء اضطراب الهوية التعرضي.

4. السعر: غالبًا ما تؤثر قيود الميزانية على القرار، لأنها توازن الأداء والسعر.

5. الظروف البيئية: يجب أن تلبي المستشعرات متطلبات بيئات التشغيل الخاصة بها (مثل الرطوبة، والاهتزاز، وضوء الشمس في الشمس المباشرة). أجهزة استشعار معينة أقوى من غيرها.

6. متطلبات الوصلات البينية: يجب أن تكون إشارات خرج المستشعر (الجهد التناظري/التيار أو الاتصال الرقمي التسلسلي) متوافقة (على سبيل المثال أردينو ADC's لأجهزة الاستشعار التناظرية ومكتبات البرمجيات لأجهزة الاستشعار الرقمية) مع وحدات التحكم. يصف هذا القسم الأنواع الأكثر شيوعا من أجهزة الاستشعار، جنبا إلى جنب مع خصائصها.

إي. واجهة المستشعر: إذا تطلب ذلك أنواع أجهزة الاستشعار أو أجهزة التحكم، يتم تنفيذ تكييف الإشارة (تضخيم وترشيح الإشارات، تعويض التوصيل البارد، CJC).

قد يكون من الضروري معالجة إشارات المستشعر قبل قراءتها من قبل جهاز التحكم. وهذا سيضمن دقة القياسات التي تم إجراؤها. تسمى هذه العملية التكييف الاشاري ويمكن أن ينطوي ذلك على استخدام دائرة مضخمات صوت تشغيلية لتعزيز جهد أجهزة الاستشعار التناظرية مثل العديد من أجهزة استشعار RTDs وبعض أجهزة استشعار أشباه الموصلات أو استخدام المكثفات لتصفية الضوضاء. أجهزة الاستشعار الرقمية تتطلب معالجة أقل ولكن يمكن أن تنطوي على بروتوكولات محددة للاتصالات (على سبيل المثال واحد -أسلاك أو I2C/SPI) التي تحتاج إلى أن تكون مدعومة من قبل كل من وحدة التحكم وكذلك المكتبات المناسبة. تعويض التقاطع البارد هو مثال حاسم. إيتد#39;s ضرورية لقياس المزدوجة الحرارية بدقة. CJC مطلوب لأن المزدوجات الحرارية مصممة لقياس الفرق بين مفرق قياس ومفرق مرجعية. غالبًا ما يكون التقاطع المرجعي غير ثابت. يتم قياس درجة حرارة الوصلة (غالبًا باستخدام مستشعر منفصل)، ويتم تطبيق عامل تصحيح على قياس المزدوجة الحرارية. ويسلط هذا الموضوع الضوء على أهمية معرفة مواصفات أجهزة الاستشعار وإجراء التعديلات اللازمة.

ف. التكنولوجيات الشائعة لاستشعار درجة الحرارة من أجل التحكم في معرفات الحرارة المسبقة: مضخمات مزدوجات الحرارة، وموازين الحرارة الرقمية، وأجهزة استشعار الرطوبة (مثل DHT11/22)، وموازين الحرارة الرقمية.

وبالاقتناء مع نظم التحكم في بطاقة تعريف المنتج، تُستخدم العديد من تكنولوجيات الاستشعار. ولكل منها نقاط قوتها الخاصة، وهي مناسبة لتطبيقاتها المختلفة.

1. المزدوجات الحرارية تستخدم على نطاق واسع لدرجات الحرارة الممتازة، من درجات الحرارة المبردة إلى درجات الحرارة العالية للغاية. قياس الفرق في درجة الحرارة بين نقطتين. للحصول على قراءات دقيقة، يلزم وجود مستشعر مثل MAX6675 (الذي يوفر تعويض التوصيل البارد والإخراج الرقمي).

2. أنظمة الطاقة الحرارية: وتتميز هذه الأقراص بدرجة عالية من الدقة والثبات على مدى درجات حرارة كبيرة. تتغير المقاومة بالتناسب مع درجة الحرارة. وهي تتطلب جسر و ADC (أو مضخم IC مخصص) على سبيل المثال MAX31865. وهناك أيضا RTDs الرقمية، التي تبسّط الواجهة.

3. المجسات الحرارية: أجهزة الاستشعار الحرارية شائعة جدا بسبب انخفاض سعرها والحساسيات العالية.