Was ist ein digitaler Temperaturregler?
Die Temperaturregelung ist eine Grundvoraussetzung für praktisch jede chemische Reaktion, an der Menschen interessiert sind. Die Temperatur beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit und häufig die Vollständigkeit der Reaktion. Der menschliche Körper enthält ein biologisches Temperaturkontrollsystem, um einen engen Bereich der Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Prozesse zur Herstellung verschiedener Materialien erfordern ebenfalls eine Temperaturkontrolle. Der Ingenieur hat die Wahl zwischen einem analogen und einem digitalen Temperaturregler.
Einige analoge Heimthermostate bestehen aus einer Kupferbandspirale. Während sich der Streifen mit der Wärme ausdehnt, dehnt sich die Spirale aus und bewegt einen mechanischen Hebel. Der Ofen oder die Klimaanlage reagiert entsprechend. Analoge Controller reagieren nur auf die aktuelle Umgebung.
Der Mikroprozessor in einem digitalen Temperaturregler empfängt numerische Eingaben von der Umgebung und manipuliert sie, um ein höheres Maß an Steuerung zu ermöglichen. Wenn sich ein System schnell aufheizt, reagiert das analoge System nur, wenn der Regler seine gewünschte Temperatur erreicht, die als Sollwert (SP) bezeichnet wird. Möglicherweise wird die Wärmequelle ausgeschaltet, das System überschreitet jedoch den SP, da es Energie von den warmen, strahlenden Oberflächen absorbiert, die das System umgeben. Ein digitaler Temperaturregler berechnet die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur steigt, und veranlasst das Gerät, vor Erreichen des SP zu reagieren. Der Controller verwendete frühere Daten, um die zukünftigen Ergebnisse vorherzusagen und zu ändern.
Es gibt viele Algorithmen oder Berechnungsschemata, die ein digitaler Temperaturregler verwenden könnte. Eine der gebräuchlichsten ist der Proportional-Integral-Differential- oder PID-Regler. Es werden drei separate Berechnungen verwendet, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.
Der Fehler (e) ist die Differenz zwischen der Isttemperatur (T) und der Solltemperatur (SP). Die proportionale Berechnung ändert einen Eingangsstrom in einen Prozess, der auf der Größe von E basiert. Ein E von 2 würde eine Energieeingabe erfordern, die doppelt so groß ist wie eine E von 1.
Die Proportionalregelung verhindert, dass das System den SP überschreitet, die Reaktion ist jedoch möglicherweise träge. Die integrale Methode geht davon aus, dass zukünftige Datentrends Bestand haben werden. Wenn im obigen Beispiel T um ein E von 2 und dann um ein E von 4 zunimmt, kann das System davon ausgehen, dass das nächste E 8 ist. Anstatt also die Antwort zu verdoppeln, kann es die Antwort verdreifachen und nicht auf das nächste warten Messung.
Ein Proportional- und Integralregler (PI-Regler) kann um den SP schwingen und zwischen zu warm und zu kalt wechseln. Eine abgeleitete Steuermethode dämpft die Schwingung. Die Änderungsrate von E wird bei der Berechnung verwendet.
Der PID-Regler verwendet einen gewichteten Durchschnitt der drei Berechnungen, um zu bestimmen, welche Maßnahmen zu jedem Zeitpunkt ergriffen werden sollten. Dieser digitale Temperaturregler ist der gebräuchlichste und effektivste, da er aktuelle, historische und erwartete Daten verwendet. Andere Steuerschemata erfordern Informationen über die Art des Systems. Solches Wissen stärkt die Fähigkeit des Controllers, die zukünftige Reaktion des Systems vorauszusehen.