Che cos'è un termoregolatore digitale?
Il controllo della temperatura è un prerequisito essenziale per ogni reazione chimica a cui le persone sono interessate. La temperatura influenza la velocità di reazione e spesso la completezza della reazione. Il corpo umano incorpora un sistema di controllo biologico della temperatura per mantenere un intervallo ristretto di temperatura corporea. I processi progettati per produrre vari materiali richiedono anche il controllo della temperatura. L'ingegnere può scegliere tra un termoregolatore analogico e uno digitale.
Alcuni termostati domestici analogici sono costituiti da una spirale di rame. Mentre la striscia si espande con il calore, la spirale si espande, spostando una leva meccanica. Il forno o il condizionatore d'aria rispondono di conseguenza. I controller analogici reagiscono solo all'ambiente attuale.
Il microprocessore in un termoregolatore digitale riceve input numerici dall'ambiente e lo manipola per consentire un maggior grado di controllo. Se un sistema si riscalda rapidamente, il sistema analogico reagirà solo quando il controller raggiunge la temperatura desiderata, chiamato setpoint (SP). La fonte di calore può essere disattivata, ma il sistema supererà l'SP perché sta assorbendo energia dalle calde superfici radianti che circondano il sistema. Un termoregolatore digitale calcola la velocità con cui la temperatura sta aumentando e innesca la risposta dell'apparecchio prima del raggiungimento dell'SP. Il controller ha utilizzato i dati passati per prevedere e modificare i risultati futuri.
Esistono molti algoritmi o schemi di calcolo che un termoregolatore digitale potrebbe utilizzare. Uno dei più comuni è il controller proporzionale integrale integrale o PID. Utilizza tre calcoli separati per mantenere una temperatura costante.
L'errore (e) è la differenza tra la temperatura effettiva (T) e la temperatura nominale (SP). Il calcolo proporzionale modifica un flusso di input in un processo basato sulla grandezza di E. Una E di 2 richiederebbe un input di energia doppia rispetto a una E di 1.
Il controllo proporzionale impedisce al sistema di superare l'SP, ma la risposta potrebbe essere lenta. Il metodo integrale prevede che le tendenze future dei dati dureranno. Nell'esempio sopra, se T aumenta di una E di 2 e quindi di una E di 4, il sistema potrebbe prevedere che la E successiva sarà 8, quindi invece di raddoppiare la risposta, potrebbe triplicare la risposta e non attendere la prossima misurazione.
Un controller proporzionale e integrale (PI) può oscillare attorno all'SP, rimbalzando tra troppo caldo e troppo freddo. Un metodo di controllo derivato smorza l'oscillazione. Il tasso di variazione di E viene utilizzato nel calcolo.
Il controller PID utilizza una media ponderata dei tre calcoli per determinare quali azioni devono essere intraprese in qualsiasi momento. Questo termoregolatore digitale è il più comune ed efficace, in quanto utilizza dati attuali, storici e previsti. Altri schemi di controllo richiedono informazioni sulla natura del sistema. Tale conoscenza aumenta la capacità del controller di anticipare la risposta futura del sistema.